电子技术基础电子技术基础模拟部分模拟部分 （第六版）（第六版）华中科技大学华中科技大学 张林张林2华中科技大学 张林电子技术基础模拟部分电子技术基础模拟部分1 1 绪论绪论2 2 运算放大器运算放大器3 3 二极管及其基本电路二极管及其基本电路4 4 场效应三极管及其放大电路场效应三极管及其放大电路5 5 双极结型三极管及其放大电路双极结型三极管及其放大电路6 6 频率响应频率响应7 7 模拟集成电路模拟集成电路8 8 反馈放大电路反馈放大电路9 9 功率放大电路功率放大电路10 10 信号处理与信号产生电路信号处理与信号产生电路11 11 直流稳压电源直流稳压电源华中科技大学 张林39 9 功率放大电路功率放大电路9.1 9.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题9.2 9.2 射极输出器射极输出器甲类放大的实例甲类放大的实例9.3 9.3 乙类双电源互补对称功率放大电路乙类双电源互补对称功率放大电路9.4 9.4 甲乙类互补对称功率放大电路甲乙类互补对称功率放大电路9.5 9.5 功率管功率管9.6 9.6 集成功率放大器举例集成功率放大器举例4华中科技大学 张林9.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题1. 功率放大电路的特点及主要研究对象功率放大电路的特点及主要研究对象(1)(1)功率放大电路的主要特点功率放大电路的主要特点 功功率率放放大大电电路路是是一一种种以以输输出出较较大大功功率率为为目目的的的的放放大大电电路路。因因此此，要要求求同同时时输输出出较较大大的的电电压和电流。管子工作在接近极限状态。压和电流。管子工作在接近极限状态。 (2)(2)要解决的问题要解决的问题 提高效率提高效率 减小失真减小失真 管子的保护管子的保护 一般直接驱动负载，带载能力要强。一般直接驱动负载，带载能力要强。# # 功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别吗？功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别吗？功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别吗？功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别吗？5华中科技大学 张林9.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题2. 功率放大电路提高效率的主要途径功率放大电路提高效率的主要途径 降低静态功耗，即减小静态电流降低静态功耗，即减小静态电流四种工作状态四种工作状态 根根据据正正弦弦信信号号整整个个周周期期内内三极管的导通情况划分三极管的导通情况划分乙类：乙类：导通角等于导通角等于180甲类：甲类：一个周期内均导通一个周期内均导通甲乙类：甲乙类：导通角大于导通角大于180丙类：丙类：导通角小于导通角小于180# # 哪几种状态静态功耗最小？哪几种状态静态功耗最小？哪几种状态静态功耗最小？哪几种状态静态功耗最小？6华中科技大学 张林9.2 射极输出器射极输出器甲类放大的实例甲类放大的实例特点：特点： 电压增益近似为电压增益近似为1，电，电流增益很大，可获得较大流增益很大，可获得较大的功率增益，输出电阻小，的功率增益，输出电阻小，带负载能力强。带负载能力强。 7华中科技大学 张林9.2 射极输出器射极输出器甲类放大的实例甲类放大的实例输出电压与输入电压的关系输出电压与输入电压的关系 设设BJT的饱和压的饱和压VCES0.2V vO正向振幅最大值正向振幅最大值 vO负向振幅最大值，负向振幅最大值， T截止截止 临界截止时临界截止时 8华中科技大学 张林9.2 射极输出器射极输出器甲类放大的实例甲类放大的实例 当当正弦波最大输出电压正弦波最大输出电压正负幅正负幅值相同时，可获得值相同时，可获得最大输出功率最大输出功率 即即最大输出功率最大输出功率 当取当取vi 足够大足够大 9华中科技大学 张林9.2 射极输出器射极输出器甲类放大的实例甲类放大的实例电源提供的功率电源提供的功率效率低效率低放大器的效率放大器的效率 PVC = VDD IBIAS = 27.75 WPVE = VEE IBIAS= 27.75 W华中科技大学 张林109.3 乙类双电源互补对称乙类双电源互补对称功率放大电路功率放大电路9.3.1 电路组成电路组成9.3.2 分析计算分析计算9.3.3 功率功率BJT的选择的选择11华中科技大学 张林9.3.1 电路组成电路组成 由一对由一对NPN、PNP特性相同特性相同的互补三极管组成，采用正、负的互补三极管组成，采用正、负双电源供电。这种电路也称为双电源供电。这种电路也称为OCL互补功率放大电路。互补功率放大电路。1. 电路组成电路组成2. 工作原理工作原理 两个三极管在信号正、负半周轮流导通，使负载得到两个三极管在信号正、负半周轮流导通，使负载得到一个完整的波形。一个完整的波形。12华中科技大学 张林9.3.2 分析计算分析计算13华中科技大学 张林9.3.2 分析计算分析计算1. 最大不失真输出功率最大不失真输出功率Pomax实际输出功率实际输出功率忽略忽略VCES时时14华中科技大学 张林9.3.2 分析计算分析计算单个管子在半个周期内的管耗单个管子在半个周期内的管耗2. 管耗管耗PT两管管耗两管管耗15华中科技大学 张林9.3.2 分析计算分析计算3. 电源供给的功率电源供给的功率PV当当4. 效率效率 当当16华中科技大学 张林9.3.3 功率功率BJT的选择的选择1. 最大管耗和最大输出功率的关系最大管耗和最大输出功率的关系因为因为当当 0.6VCC 时具有最大管耗时具有最大管耗0.2Pom 选管依据之一选管依据之一17华中科技大学 张林9.3.3 功率功率BJT的选择的选择功率与输出幅功率与输出幅度的关系度的关系2. 功率功率BJT的选择的选择 （自学）（自学）华中科技大学 张林189.4 甲乙类互补对称功率放大电路甲乙类互补对称功率放大电路9.4.1 甲乙类双电源互补对称电路甲乙类双电源互补对称电路9.4.2 甲乙类单电源互补对称电路甲乙类单电源互补对称电路9.4.3 MOS管甲乙类双电源互补对管甲乙类双电源互补对称电路称电路19华中科技大学 张林9.4.1 甲乙类双电源互补对称电路甲乙类双电源互补对称电路乙类互补对称电路存在的问题乙类互补对称电路存在的问题20华中科技大学 张林9.4.1 甲乙类双电源互补对称电路甲乙类双电源互补对称电路1. 静态偏置静态偏置可克服交越失真可克服交越失真2. 动态工作情况动态工作情况二极管等效为恒压模型二极管等效为恒压模型 # # 在输入信号的整个周期内，两二极管是否会出现在输入信号的整个周期内，两二极管是否会出现在输入信号的整个周期内，两二极管是否会出现在输入信号的整个周期内，两二极管是否会出现反向偏置状态？反向偏置状态？反向偏置状态？反向偏置状态？设设T3已有合适已有合适的静态工作点的静态工作点交流相当于短路交流相当于短路21华中科技大学 张林9.4.1 甲乙类双电源互补对称电路甲乙类双电源互补对称电路另一种偏置方式另一种偏置方式VBE4可认为是定值可认为是定值 R1、R2不变时，不变时，VCE4也也是定值，可看作是一个直流是定值，可看作是一个直流电源。电源。 Po、PT、PV和和PTm仍然仍然按照乙类功放计算公式进行按照乙类功放计算公式进行估算。估算。 22华中科技大学 张林9.4.2 甲乙类单电源互补对称电路甲乙类单电源互补对称电路静态时，偏置电路使静态时，偏置电路使VKVCVCC/2（电容（电容C充电达到稳态）。充电达到稳态）。当有信号当有信号vi时时负半周负半周T1导通，有电流通过负载导通，有电流通过负载RL，同时向同时向C充电充电正半周正半周T2导通，则已充电的电容导通，则已充电的电容C通通过负载过负载RL放电。放电。只要满足只要满足RLC T信信，电容，电容C就可充就可充当原来的当原来的VCC。计算计算Po、PT、PV和和PTm的公式必须的公式必须加以修正，以加以修正，以VCC/2代替原来公式中的代替原来公式中的VCC。 23华中科技大学 张林9.4.3 MOS管甲乙类双电源互补对称电路管甲乙类双电源互补对称电路复合管复合管消除高频消除高频振荡振荡温度补偿温度补偿VBE扩展电路扩展电路提供静态偏置提供静态偏置VBE扩展电路提扩展电路提供静态偏置供静态偏置复合管复合管消除高频消除高频振荡振荡华中科技大学 张林249.5 功率管功率管9.5.1 功率器件的散热与功率功率器件的散热与功率BJT的的 二次击穿问题二次击穿问题9.5.2 功率功率VMOSFET和和DMOSFET25华中科技大学 张林9.5.1 功率器件的散热与功率功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题的二次击穿问题1. 功率功率BJT的散热的散热功率功率BJT外形外形在给负载输送功率的同时，在给负载输送功率的同时，管子本身也要消耗一部分管子本身也要消耗一部分功率。功率。管子消耗的功率直接表现管子消耗的功率直接表现在使管子的结温升高。在使管子的结温升高。 当结温超过一定温度时（锗管一般约为当结温超过一定温度时（锗管一般约为90，硅管约为，硅管约为150），会使管子损坏。），会使管子损坏。 在在BJT中，管子上的电压绝大部分降在集电结上，它和流中，管子上的电压绝大部分降在集电结上，它和流过集电结的电流造成集电极功率损耗，使管子产生热量。所以过集电结的电流造成集电极功率损耗，使管子产生热量。所以通常用集电极耗散功率来衡量通常用集电极耗散功率来衡量BJT的耗散功率。的耗散功率。26华中科技大学 张林1. 功率功率BJT的散热的散热 功率功率BJT的最大允许耗散功率的最大允许耗散功率PCM，总的热阻，总的热阻RT、最高允、最高允许结温许结温Tj和环境温度和环境温度Ta之间的关系为之间的关系为TjTaRTPCM 其中，热阻其中，热阻RT 包括集电结到管壳的热阻，管壳与散热片之间的包括集电结到管壳的热阻，管壳与散热片之间的热阻，散热片与周围空气的热阻。单位为热阻，散热片与周围空气的热阻。单位为/W（或或/mW）。）。 当最高结温和环境温度一定，热阻越小，允许的管耗就越大。散当最高结温和环境温度一定，热阻越小，允许的管耗就越大。散热片及其面积大小可以明显改变热阻的大小。热片及其面积大小可以明显改变热阻的大小。例如，某例如，某BJT不加散热装置时，允许的功耗不加散热装置时，允许的功耗PCM仅为仅为1W，如果加，如果加上上1201204mm3的铝散热板时，则允许的的铝散热板时，则允许的PCM增至增至10W。 通常手册中给出的通常手册中给出的PCM，是在环境温度为，是在环境温度为25时的数值。时的数值。 9.5.1 功率器件的散热与功率功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题的二次击穿问题27华中科技大学 张林2. 功率功率BJT的二次击穿的二次击穿 实际应用中，功率实际应用中，功率BJT并未超过允许的并未超过允许的PCM值，管身也不烫，值，管身也不烫，但功率但功率BJT却突然失效或者性能显著下降。这种损坏不少是二次却突然失效或者性能显著下降。这种损坏不少是二次击穿引起的。击穿引起的。 产产生生二二次次击击穿穿的的原原因因主主要要是是由由于于流流过过BJT结结面面的的电电流流不不均均匀匀，造造成成结结面面局局部部高高温温（称称为为热热斑斑），因因而而产产生生热热击击穿穿所所致致。与与BJT的的制制造造工工艺有关。艺有关。 因因此此，功功率率管管的的安安全全工工作作区区，不不仅仅受受集集电电极极允允许许的的最最大大电电流流ICM、集集射射间间允允许许的的最最大大击击穿穿电电压压V(BR)CE和和集集电电极极允允许许的的最最大大功耗功耗PCM所限制，而且还受二次击穿临界曲线所限制。所限制，而且还受二次击穿临界曲线所限制。 9.5.1 功率器件的散热与功率功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题的二次击穿问题28华中科技大学 张林3. 提高功率提高功率BJT可靠性的主要途径可靠性的主要途径 （1）在最坏的条件下（包括冲击电压在内），工作电压不）在最坏的条件下（包括冲击电压在内），工作电压不应超过极限值的应超过极限值的80%； （2）在在最最坏坏的的条条件件下下（包包括括冲冲击击电电流流在在内内），工工作作电电流流不不应应超过极限值的超过极限值的80%； （3）在在最最坏坏的的条条件件下下（包包括括冲冲击击功功耗耗在在内内），工工作作功功耗耗不不应应超过器件最大工作环境温度下的最大允许功耗的超过器件最大工作环境温度下的最大允许功耗的50%； （4）工工作作时时，器器件件的的结结温温不不应应超超过过器器件件允允许许的的最最大大结结温温的的70%80%。 对对于于开开关关电电路路中中使使用用的的功功率率器器件件，其其工工作作电电压压、功功耗耗、电电流流和和结温（包括波动值在内）都不得超过极限值。结温（包括波动值在内）都不得超过极限值。9.5.1 功率器件的散热与功率功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题的二次击穿问题29华中科技大学 张林4. 保证器件正常运行的保护措施保证器件正常运行的保护措施 为了防止由于感性负载而使管子产生过压或过流，可在负载为了防止由于感性负载而使管子产生过压或过流，可在负载两端并联二极管（或二极管和电容）；两端并联二极管（或二极管和电容）； 可以用可以用VZ值适当的稳压管并联在功率管的值适当的稳压管并联在功率管的c、e两端，以吸收两端，以吸收瞬时的过电压等。瞬时的过电压等。9.5.1 功率器件的散热与功率功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题的二次击穿问题30华中科技大学 张林9.5.2 功率功率VMOSFET和和DMOSFET1. VMOS管管V型开槽的纵向型开槽的纵向MOS管，称为管，称为VMOS（Vertical MOS）电流沿导电沟道由漏极到电流沿导电沟道由漏极到源极的流动是纵向的源极的流动是纵向的沟道很短，电流沟道很短，电流ID很大很大 ，可达可达200A N外延层提高了耐压值，外延层提高了耐压值，达达1 000V以上以上 非线性失真小非线性失真小31华中科技大学 张林9.5.2 功率功率VMOSFET和和DMOSFET2. DMOS管管双扩散双扩散MOS管，称为管，称为DMOS（Double-diffused MOS）电流也是纵向流动的电流也是纵向流动的沟道很短，电流沟道很短，电流ID很大很大 ，可达可达50A N层提高了耐压值，达层提高了耐压值，达600V以上以上32华中科技大学 张林9.5.2 功率功率VMOSFET和和DMOSFET3. MOS功率管的优点功率管的优点 （1）与）与MOS器件一样是电压控制电流器件，输入电阻极高，因此器件一样是电压控制电流器件，输入电阻极高，因此所需驱动电流极小，功率增益高。所需驱动电流极小，功率增益高。 （2）MOS管不存在二次击穿管不存在二次击穿 （3）因因为为少少子子存存储储问问题题，功功率率MOS管管具具有有更更高高的的开开关关速速度度，双双极极型型功功率率管管的的开开关关时时间间在在100ns至至1s之之间间，而而MOS功功率率管管的的开开关关时时间间约约为为10100ns，其其工工作作频频率率可可达达100kHZ到到1MHZ以以上上，所所以以大大功功率率MOS管管常常用用于于高高频频电电路路或或开开关关式式稳稳压压电电源源等等。VMOS在在这这一一点点上上更更显显优优越越（其（其fT600MHZ）。）。 （4）MOS管管与与BJT相相比比几几乎乎不不需需要要直直流流驱驱动动电电流流。但但MOS功功率率放放大大电电路路的的驱驱动动级级至至少少要要提提供供足足够够的的电电流流来来保保证证对对MOS管管较较大大的的输输入入电电容进行充放电。容进行充放电。33华中科技大学 张林9.5.2 功率功率VMOSFET和和DMOSFET4. MOS功率管的缺点功率管的缺点为了获得高耐压值，器件有低掺杂浓度的为了获得高耐压值，器件有低掺杂浓度的N-层，导致导通电阻变大层，导致导通电阻变大绝缘栅双极型功率管（绝缘栅双极型功率管（IGBT）华中科技大学 张林349.6 集成功率放大器举例集成功率放大器举例9.6.1 以以MOS功率管作输出级的集功率管作输出级的集成成 功率放大器功率放大器9.6.2 BJT集成功率放大器举例集成功率放大器举例35华中科技大学 张林9.6.1 以以MOS功率管作输出级的集成功率放大功率管作输出级的集成功率放大器器SHM1150型集成功率放大器型集成功率放大器频振荡频振荡VMOS管管3号脚内部号脚内部是接地的是接地的信号只能从信号只能从1号脚到地之号脚到地之间输入间输入增益是固定的，由增益是固定的，由Rf和和R2决定决定36华中科技大学 张林9.6.1 以以MOS功率管作输出级的集成功率放大功率管作输出级的集成功率放大器器SHM1150型集成功率放大器型集成功率放大器工作电压工作电压12V50V最大输出功率可达最大输出功率可达150W 37华中科技大学 张林9.6.2 BJT集成功率放大器举例集成功率放大器举例BJT集成音频功率放大器集成音频功率放大器LM38038华中科技大学 张林9.6.2 BJT集成功率放大器举例集成功率放大器举例BJT集成音频功率放大器集成音频功率放大器LM380固定增益固定增益51倍倍最大工作电压最大工作电压22V最大输出功率最大输出功率5W可双端输入，也可单端可双端输入，也可单端输入。输入。不用的输入端可悬空不用的输入端可悬空 end