电路与电子线路基础(电子线路部分)10章

Title of this Slice,First Subtitel,2nd level,3rd Level,4th Level,5th Level,东,南,大,学,射,频,与,光,电,集,成,电,路,研,究,所,*,电路与电子线路（下）,Electric and Electronic Circuits,第,10,章,功率放大与电源变换电路,王志功,东南大,学射频与光电集成电路研究所,http:/ gain,）,G,定义为交流输出功率,P,O,与输入功率,P,in,之比：,功率放大器效率,效率,（,power amplifier efficiency,），定义为交流输出功率,P,O,与直流输入功率,P,DC,之比,：,P,DC,为输出功率与耗散在功放管上的功率即管耗,(trnasisitor power dissipation),P,T,之和,即,对双极型晶体管而言,，称作,集电极效率,CE,对,场效应晶体管而言，称作漏极效率,DS,这种定义方法的缺点是没有考虑传送到功放输入端的功率,。,另一种较好的量度功放效率的方法是将输入功率计算在内，称为功率附加,效率,功率,1dB,压缩点,P,-1dB,功率放大器,的线性工作区定义,为,输入功率,从刚超过噪声功率至,增益,被压缩,时的工作区间,。,在线性工作区，小信号增益,等于,输出,功率减去输入功率的,差值,功率放大器的,1dB,压缩点描述,了实,际,功率增益比理想情况下降,1dB,时,的,输入输出,功率点,。,输出功率,1dB,压缩点（,OP,1dB,）定义为输入功率,1dB,压缩点,(1 dB compression point),（,IP,1dB,）加上线性工作区的小信号功率增益再减去,1dB,，即：,3,阶交截点,IP,3,当输入信号包含不同频率成分时还会产生（交）互调（制）成分。,表征三阶互调大小的度量指标是三阶交截点（,3-order inter-modulation point,）,IP,3,。它是假想的放大器一阶线性理想放大输出与三阶互调成分理想放大输出的交叉点,。,单管线性功率放大器基本电路与电压电流波形,线性功率放大器包括甲类、乙类、甲乙类和丙类,。,采用单个双极型晶体管设计射频功放时，它们,具有,下,图所,示的大体相同的电路结构，区别仅在于偏置条件不同,。,这个偏置条件主要是由输入端即功放管基极的偏置电路与输出端即功放管集电极的电源电路决定的,。,输入输出电路中的匹配,网,络,(matching network),与,信号,源,和传输线的阻抗匹配,概念,不同,，这里主要是指功率,匹,配,，即通过阻抗匹配，使,负,载,能得到功放管输出的,最大,功率,。,甲类、甲乙类、乙类和丙类,的,电压电流波形,4,种线性功率放大器是按功放管的导通角,(conduction angle),分类的。,甲类功放的导通角为,360,度，甲乙类功放的导通角为,180360,度，乙类功放的导通角为,180,度，而丙类功放的导通角小于,180,度。,甲类功率放大器,静态分析,电源提供的功率,为,功放管消耗的功率为,甲类功率放大器,动态分析,变压器变压比,n,的,确定,在充分激励的情况下，电路最大不失真输出电压的条件是,Q,点平分交流负载线,MN,。,此时,负载,R,L,上将,得到最大的不失真输出功率,。为了,使,Q,点平分交流负载线,MN,，,则,，,可以,通过调节变压器变比,n,来,获得,。,最大不失真输出,功率,在充分激励下，,V,cem,V,CC,，,I,cem,=,V,cem,/,R,L,V,CC,/,R,L,，因此最大不失真输出功率为,甲类功率放大器,功放管消耗的功率,为,电源供给功率,为,最大效率,甲类功放,的,特点,在输入信号的整个周期内均有电流流过管子。,产生的信号失真较小。,电源始终不断地输送功率，在没有信号输入时（即静态），这些功率全部消耗在功放管上；当有信号输入即动态时，其中一部分转化为有用的输出功率。信号越大，输送给负载的功率越多。,效率较低。理想情况下，其最大效率为,50%,。,乙类功率放大器,乙类功放的特点是功放管只在正弦波的一半周期内导通，因此，,管耗比较小，,效率得到提高。,但如果,乙类功放,只用一只功放管，那么，正弦波激励时输出的电流波形就只有半波，失真很大。,所以,大多数乙类功放通常采用双管推挽放大电路来实现。,所谓推挽就是类似于差分放大器结构，两只功放管分别在激励波形的正负半周内导通，它们的输出电流一个向负载注入，另一个自负载流出，从而合成一个完整的波形。,采用同类型,和互补类型,功放管,构成的乙类功放。,乙类功率放大器,对于采用互补类型的功放管构成,了乙类功放，,当输入正弦波激励时,，,正,半周期间,T,1,导通,，,T,2,截止，从而,在,负载,R,L,上得到正半周期信号,。,负,半,周期间,T,2,导,通，,T,1,截止，从而在,负载,R,L,上得到负半周期信号。,因此,上下,两路是互补的，在负载上就,可,以,得到一个完整的波形,。,输出功率,P,O,最大不失真输出功率为,乙类功率放大器,直流电压供给功率,P,v,效率,最大效率为：,管耗,乙类功率放大器,的最大管耗,若令,P,T,对,V,om,的导数等于零，,即,当,时，,P,T,达到最大，而当,V,om,由此值继续增大时，,P,T,反而减小。总之，,P,T,的最大值既不出现在静态时也不出现在最大输出功率时。,最大管耗,为,最大管耗与最大输出功率的关系为,乙类互补推挽电路,的失真,乙类互补推挽电路并不能不失真放大输入信号的波形，原因是功放管的,i,B,必须在,|,v,BE,|,大于某一个数值（即死区电压，硅管约为,0.7V,，锗管约为,0.2V,）时才有明显变化。当输入信号,|,v,i,|,低于这个数值时，,T,1,和,T,2,管都截止，,i,C1,和,i,C2,都几乎为零，负载,R,L,上无电流通过，出现一段死区，如,下,图所示。这种现象称为交越失真（,crossover distortion,）。,甲乙类互补推挽电路,由于电路对称，两管静态时电流相等，因而负载,R,L,上无静态电流通过，两管发射极电位,V,K,=0,。,当信号按正弦波规律变化时，由于,D,1,D,2,的交流电阻很小,，,v,BE1,+,v,BE2,可以,近似为,一定,值,。,甲乙类互补推挽电路,v,i,进入负半周期时，,T,3,使,b,1,电位升高,，,i,B1,将增加，,T,1,的发射极给出更多的,电流,形成,输出信号的正半周期；与此同时,，,i,E1,的增加,使得,v,BE1,增加，,v,BE2,就减小,了,，,i,E2,要,减小，,最后,，,T,2,截止,。,v,i,进入正半周时，,b,2,的电位逐渐下降,，,则,i,B2,增加、,i,B1,减小，,T,2,的发射极电流,形成,信号,的负半周，,i,B1,逐渐下降到零，,T,1,趋于,截止,。,甲乙类互补推挽电路,甲乙类互补推挽电路,在上述电路中，,T,1,和,T,2,在一周内的导通时间都比半个周期要多一些，即有一段时间两管都导通，因此它们工作在甲乙类状态。实际上，几乎所有的推挽功率放大器都是设计成甲乙类的。只是在实践中为提高电路效率，在设置偏压时，应尽可能接近乙类。因此通常甲乙类互补推挽电路的参数估算可近似乙类来处理。,值得指出的是，上述偏置电路同时具有温度补偿作用。例如温度升高时，偏置二极管,D,1,、,D,2,的正向压降减小，相应地功率管的基射偏置电压也减小，从而阻止了功率管的,I,CQ,的增大。,丙类功率放大电路,所谓丙类功放就是在信号一周内功放管的导通时间小于半周，或者说导通角小于,180,度,。,放大器的最大集电极或漏极效率,和输出功率就都与导通角,有关,。,以,作为变量，效率,的的表达式为,：,输出功率也与导通角有关，其关系式为,：,丙类放大虽然具有更高的效率，但信号波形严重失真。因此，丙类放大不适合于对波形的线性放大，主要应用于非线性的场合，,开关功率放大器,为了使功率放大器具有更高的效率，就必须大大减小晶体管功耗，直至为,0,，于是出现了开关功率放大器。对于一个理想开关，其两端电压和流过的电流并不同时出现，因此，其直流功耗为,0,。而开关功率放大器正是通过减少加在晶体管两端电压和流过的电流波形的交叠时间来提高效率的。,根据电路组成、驱动信号、工作方式等不同，开关功率放大器分为丁类、戊类和己类等。下面分别加以介绍。,丁类功率放大器,主要由两只开关管和由谐振在基波频率的串联,LC,电路形成的滤波电路组成。该滤波电路对基波呈现的阻抗可以忽略，但对谐波具有很高的阻抗，从而可以阻止各谐波输出。,开关管,T,1,和,T,2,集电极的电流,i,C1,和,i,C1,呈推挽状态作用于变压器初级，但电流脉冲出现期间，对应的开关管的集电极电压全部为,0,。因此理想情况下，丁类功放可达到,100%,的效率。,戊类功率放大器,戊类功率放大器具有优于其它类高效开关功放的特点，因为它把晶体管的寄生电容考虑到了波形生成或匹配网络中，从而不会单独对输出波形产生影响。,该功放工作时是按照晶体管的电流和电压不出现交叠来形成波形的。此外，由波形图可见，在晶体管导通前（即出现电流前），两端电压已逐步下降到,0,，这样就避免了漏极或集电极电容的充放电现象，因此提高了效率。,己类功率放大器,己类功率放大器的特点是通过输出端谐振在基波以及多个高次谐波的谐振电路体现的,。,己类放大器工作时，晶体管通常作为一个跨导或电流源，因此，放大器类似于一个跨导放大器。然而，如果输入驱动信号很大，则晶体管类似于开关。因此，放大器又如开关放大器。通常，在集总元件实现中，由于波形形成电路的复杂性，己类放大器很少有利用高于,5,次谐波的。,电源变换电路的分类,1,）将电网提供的,50Hz,交流电能变换成直流电能，相应的电路称为整流器,(AC-DC),。,2,）将一种电压数值的直流电变换成另一种电压数值或极性的直流电，相应的电路称为直流,-,直流变换器（,DC-DC Converter,），又称斩波器,(DC-DC),。,3,）将直流电变换成不同幅值或频率的交流电，相应的电路称为逆变器（,inverter,）。,4,）将,50Hz,交流电变换成不同幅值或频率的交流电，相应的电路称为交流,-,交流变换器（,AC-AC Converter,）。,线性直流稳压电源,电源变压器,电网提供的交流电一般为频率,50Hz,、有效值,220V,（或,380V,），而各种电子设备所需要直流电压的大小常不相同,。,因此，常常需要将电网电压先经过电源变压器，然后将变换以后的副边电压整流、滤波和稳压，最后得到所需要的直流电压值,。,整流电路,整流电路的作用是利用具有单向导电性的整流元件（例如二极管），将正负交替变化的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压。,线性直流稳压电源,滤波电路,滤波电路一般由电容、电感等储能元件组成，其作用是尽可能地将单向脉动电压的脉动成分滤除，使得输出电压成为比较平滑的直流电压,。,稳压电路,稳压电路的作用是将整流滤波电路输出的不稳定直流电压（如由电网电压波动、负载变化引起）变换成符合要求的稳定直流电压。,直流稳压电路的技术指标,直流稳压电路的技术指标分为两种,：,一,种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等,；,另,一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数、输出电阻、温度系数,(temperature coefficient),及纹波电压,(ripple voltage),等,。,输出电压,V,O,或输出电压可调范围,V,O1,V,O2,V,O,指稳压电路在正常运行下的额定输出电压，如为可调式稳压电路，则为可调输出额定电压的范围,V,O1,V,O2,。,2.,最大,输出电流,I,om,I,om,是指稳压电路在规定最小负载情况下的最大输出电流值。,直流稳压电路的技术指标,稳压,系数,S,r,S,r,定义为：当环境温度,T,（）与负载,R,L,不变时，在规