功率放大电路的安全运行

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,模拟电子技术基础,课件制作：,郑恒秋,9.3,功率放大电路的安全运行,在功率放大电路中，功放管既要流过大电流，又要承受高电压。只有功放管不超过其极限值，电路才能正常工作。因此，所谓功率放大电路的安全运行，实际上就是要保证功放管的安全工作。在实用电路中，常加保护措施，以防止功放管,过电压、过电流和过功耗,。,一、功放管的二次击穿,二、功放管的散热问题,一、功放管的二次击穿,1、二次击穿现象,在实际工作中，常发现功率晶体管的功耗并未超过允许的,P,CM,值，管身也并不烫，但功率晶体管却突然失效或者性能显著下降。这种损坏的的原因，不少是由于二次击穿所造成的。那么什么叫二次击穿呢？它产生的原因又是什么呢？应当如何防止呢？这些问题很值得研究和讨论。,从晶体管的输出特性可知，对于某一条输出特性曲线，当ce之间电压增大到一定数值时，晶体管将产生击穿现象；而且，,I,B,愈大，击穿电压愈低，称这种击穿为“,一次击穿,”。,晶体管在一次击穿后，集电极电流会骤然增大，若不加以限制，则晶体管的工作点变化到临界点A时，工作点将以毫秒甚至微秒级的高速度从A点到B点，此时电流猛增，而管压降却减小，如下图所示，称为“,二次击穿,”。晶体管经过二次击穿后，性能将明显下降，甚至造成永久性损坏。,I,B,不同时二次击穿的临界点不同，将它们连接起来，便得到二次击穿临界曲线，简称为,S,B,曲线,，如下图所示。,2、二次击穿是怎样产生的,产生二次击穿的原因至今尚不清楚。一般说来，二次击穿是一种与电流、电压、功率和结温都有关系的效应。它的物理过程多数人认为是由于流过晶体管结面的电流不均匀，造成结面局部高温（称为,热斑,），因而产生热击穿所致。这与晶体管的制造工艺有关。,3、如何防止二次击穿,晶体管的二次击穿特性对功率管，特别是外延型功率管，在运用性能的恶化和损坏方面起着重要影响。为了保证功率管安全工作，必须考虑二次击穿的因素。因此，功率管的安全工作区，不仅受集电极允许的最大电流,I,CM,、集电极允许的最大电压,V,（BR）CE,和集电极允许的最大功耗,P,CM,所限制，而且还受二次击穿临界曲线所限制，其安全工作区如下图虚线内所示。显然，考虑了二次击穿以后，功率晶体管的安全工作范围变小了。,从二次击穿产生的过程可知，防止晶体管的一次击穿，并限制其集电极电流，就可避免二次击穿。,二、功放管的散热问题,功放管损坏的重要原因是其实际耗散功率超过额定数值,P,CM,。而晶体管的耗散功率取决于管子内部的,PN,结（主要是集电结）温度,T,j,，当,T,j,超过允许值后，集电极电流将急剧增大而烧坏管子。,硅管的结温允许值为120180，锗管的结温允许值为85左右。耗散功率等于结温在允许值时集电极电流与管压降之积。,管子的功耗愈大，结温愈高。因而,改善功放管的散热条件,，可以在同样的结温下提高集电极最大耗散功率,P,CM,，也就可以提高输出功率。,二、功放管的散热问题,1、热阻的概念,热的传导路径，称为,热路,。阻碍热传导的阻力称为,热阻,。真空不易传热，即热阻大；金属的传热性好，即热阻小。,在晶体管中，管子上的电压降大部分都降在集电结上，它和流过集电结的电流造成集电极功率损耗，使管子发热。这个热量要从管芯向外传递。设结温为,T,j,，环境温度为,T,a,，则温差,T,（=,T,j,T,a,）与集电结耗散功率,P,C,成正比，比例系数称为热阻尼，即,可见，热阻尼是传递单位功率时所产生的温差，单位为W。,R,T,愈大，表明相同温差下能够散发的热能愈小。换言之，,R,T,愈大，表明同样的功耗下结温愈高。可见，,热阻是衡量晶体管散热能力的一个重要参数,。,当晶体管结温达到最大允许值,T,jM,时，集电结功耗也达到,P,CM,，若环境温度为,T,a,，则,式中，若管子的型号确定，则,T,jM,也就确定，,T,a,常以25为基准，因而要想增大,P,CM,，必须减小,R,T,。,2、热阻的估算,以晶体管为例，管芯（J）向环境（A）散热的途径有两条：管芯（J）到外壳（C），再经外壳到环境；或者管芯（J）到外壳（C），再经散热片（S）到环境。即JC A或J C S A，如下图所示。,设JC间热阻为,R,jC,，CA间热阻为,R,Ca,，CS间热阻为,R,CS,，SA间热阻为,R,sa,，则反映晶体管散热情况的热阻模型如下图所示。,在小功率放大电路中，放大管一般不加散热器，故晶体管的等效热阻为,R,T,=,R,jC,+,R,ca,在大功率放大电路中，功放管一般均要加散热器，且,R,CS,+,R,Sa,R,Ca,，,故,R,T,R,jC,+,R,CS,+,R,Sa,不同型号的管子,R,jC,不同,，如 3AD30的,R,jC,为 1/W，而 3DG7的,R,jC,却大于150W，可见其差别很大。,R,Ca,与外壳所用材料和几何尺寸有关，如大功率管3AD30的,R,Ca,为 30,C,W，而小功率管 3DG7的,R,Ca,为 150W。,上式中,R,CS,既取决于晶体管和散热器之间是否加绝缘层（如聚乙烯薄膜、0.050.lmm的云母片），又取决于二者之间的接触面积和压紧程度。,R,Sa,与散热器所用材料及其表面积大小、厚薄、颜色，和散热片的安装位置等因素紧密相关。,3、功放管的散热器,两种散热器如下图所示。,经验表明，当散热器垂直或水平放置时，有利于通风，故散热效果较好。,散热器表面钝化涂黑，有利于热辐射，从而可以减小热阻。,在产品手册中给出的最大集电极耗散功率是在指定散热器（材料、尺寸等）及一定环境温度下的允许值；若改善散热条件，如加大散热器、用电风扇强制风冷，则可获得更大一些的耗散功率。,9.4,集成功率放大电路,OTL、OCL和BTL电路均有各种不同输出功率和不同电压增益的多种型号的集成电路。应当注意，在使用,OTL,电路时，需外接输出电容。为了改善频率特性，减小非线性失真，很多电路内部还引入深度负反馈。本节以低频功放为例，讲述,集成功放的电路组成、工作原理、主要性能指标和典型应用,。,一、集成功率放大电路分析,二、集成功率放大电路的主要性能指标,三、集成功率放大电路的应用,一、集成功率放大电路分析,LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。,1、LM386内部电路,LM386内部电路原理图如下图所示。,与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路，如点划线所划分。,第一级为差分放大电路，,T,1,和,T,3,、,T,2,和,T,4,分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；,T,5,和,T,6,组成镜像电流源作为,T,1,和,T,2,的有源负载；信号从,T,3,和,T,4,管的基极输入，从,T,2,管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。,根据第三章关于镜像电流源作为差分放大电路有源负载的分析可知，它可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电路的增益。,第二级为共射放大电路，,T,7,为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。,第三级中的,T,8,和,T,9,管复合成,PNP,型管，与,NPN,型管,T,10,构成准互补输出级。二极管,D,1,和,D,2,为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。,利用瞬时极性法可以判断出，引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。电路由单电源供电，故为 OTL电路。输出端（引脚 5）应外接输出电容后再接负载。,电阻,R,7,从输出端连接到,T,2,的发射极，形成反馈通路，并与,R,5,和,R,6,构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。,2、LM386的电压放大倍数,当引脚1和8之间开路时，由于在交流通路中,T,1,管发射极近似为地，,R,5,和,R,6,上的动态电压为反馈电压，近似等于同相输入端的输入电压。即为二分之一差模输入电压，于是可写出表达式为,所以，当引脚1和8之间外接不同阻值的电阻时，,A,u,的调节范围为 20200，因而增益 20,lg,|,A,u,|,约为 2646,dB。,实际上，在引脚1和5（即输出瑞）之间外接电阻也可改变电路的电压放大倍数。若外接电阻为,R,，则,应当指出，在引脚1和8（或者1和5）外接电阻时，应只改变交流通路，所以必须在外接电阻回路中串联一个大容量电容。,3、LM386的引脚图,LM386的外形和引脚的排列如下图所示。,引脚2为反相输人端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取 10,F。,二、集成功率放大电路的主要性能指标,集成功率放大电路的,主要性能指标,除最大输出功率外，还有电源电压范围、电源静态电流、电压增益、频带宽、输入阻抗、输入偏置电流、总谐波失真等。,LM3861和 LM3863的电源电压为 412 V，LM3864的电源电压为518 V。因此，对于同一负载，当电源电压不同时，最大输出功率的数值将不同；当然，对于同一电源电压，当负载不同时，最大输出功率的数值也将不同。,已知电源的静态电流（可查阅手册）和负载电流最大值（通过最大输出功率和负载可求出），可求出电源的功耗，从而得到转换效率。,几种典型产品的性能如下表所示。,表中所示电压增益均在信号频率为,l KHz,条件下测试所得。应当指出，表中所示均为典型数据，使用时应进一步查阅手册，以便获得更确切的数据。,三、集成功率放大电路的应用,1、集成,OTL,电路的应用,下图所示为LM386的一种基本用法，也是外接元件最少的一种用法，C,l,为输出电容。,由于引脚 1和 8开路，集成功放的电压增益为 26 dB，即电压放大倍数为20。利用,R,W,可调节扬声器的音量。,R,和,C,2,串联构成校正网络用来进行相位补偿。,静态时输出电容上电压为,V,CC,2，LM386的最大不失真输出电压的峰一峰值约为电源电压,V,CC,。设负载电阻为,R,L,，最大输出功率表达式为,此时的输入电压有效值的表达式为,当,V,CC,=16V，,R,L,=32,时，,P,om,1W，,U,im,283mV。,下图所示为LM386电压增益最大时的用法,C,3,使引脚1和8在交流通路中短路，使,A,u,200；C,4,为,旁路电容；,C,5,为去耦电容，滤掉电源的高频交流成分。当,V,CC,=16V，,R,L,=32,时，,P,om,仍约为,1,w；,但是，输入电压的有效值,U,im,却,仅需28.3,mV。,下图所示为LM386的一般用法，用,R,2,改变LM386的电压增益,2、集成OCL电路的应用,右图所示为TDA1521的基本用法。,TDA1521为2通道OCL电路，可作为立体声扩音机左、右两个声道的功放。其内部引入了深度电压串联负反馈，闭环电压增益为 30 dB，并具有待机、静噪功能以及短路和过热保护等。,查阅手册可知，当,V,cc,=16 V，,R,L,8,时，若要求总谐波失真为0.5%，则,P,om,12 W。由于最大输出功率的表达式为,可得最大不失真输出电压,U,om,9.8 V，,其峰值约为 13.9,V，,可见功放输出级的最小管压降约为 2.1,V。,当输出功率为,P,om,时，输入电压有效值,U,im,327mV。,3、集成BTL电路的应用,TDA1556为2通道BTL电路，与TDA1521相同，也可作为立体声扩音机左右两个声道的功放，下图所示为其基本用法，两个通道的组成完全相同。TDA1556内部具有待机、净噪功能，并有短路、电压反向、过电压、过热和扬声器保护等。,TDA,1556内部的每个放大电路的电压放大倍数均为10，当输入电压为,u,I,时，,A,1,的净输入电压,u,I1,u,P1,-,u,P2,u,I,，,u,O1,A,u,1,u,I,；,A,2,的净输入电压,u,I2,u,P2,u,P1,-,u,I,，,u,O2,-,A,u,2