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1、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）华中科技华中科技大学大学 张林张林2华中科技大学 张林电子技术电子技术基础模拟部分基础模拟部分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
2、放大功率放大电路电路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 集成功率放大器集成功率放大器举例举例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.功率放大功率放大电路的特点及主要研究路的特点及主要研究对象象(1)功率放大功率放大电路的主要特点路的主要特点 功功率率放放大大电路路是是一一种种以以输出出较
3、大大功功率率为目目的的的的放放大大电路路。因因此此，要要求求同同时输出出较大大的的电压和和电流。管子工作在接近极限状流。管子工作在接近极限状态。(2)要解决的要解决的问题 提高效率提高效率 减小失真减小失真 管子的保管子的保护 一般直接一般直接驱动负载，带载能力要能力要强。#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.功率放大功率放大电路提高效率的主
4、要途径路提高效率的主要途径 降低静降低静态功耗，即减小静功耗，即减小静态电流流四种工作状四种工作状态 根根据据正正弦弦信信号号整整个个周周期期内内三三极管的极管的导通情况划分通情况划分乙乙类：导通角等于通角等于180甲甲类：一个周期内均一个周期内均导通通甲乙甲乙类：导通角大于通角大于180丙丙类：导通角小于通角小于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：电压增益近似增益近似为1，电流增益很大，可流增益很大，可获得得较大大的功率增益，的功率增益，
5、输出出电阻小，阻小，带负载能力能力强。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出电压与与输入入电压的关系的关系 设BJT的的饱和和压VCES0.2V vO正向振幅最大正向振幅最大值 vO负向振幅最大向振幅最大值，T截止截止 临界截止界截止时 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 当当正弦波最大正弦波最大输出出电压正正负幅幅值相同相同时，可，可获得得最大最大输出功率出功率 即即最大最大输出功率出功率 当取当取vi 足足够大大 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源
6、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的的选择选择11华中科技大学 张林9.3.1 电路组成电路组成 由一由一对NPN、PNP特性相同的特性相同的互互补三极管三极管组成，采用正、成，采用正、负双双电源供源供电。这种种电路也称路也称为OCL互互补功率放大功率放大电路。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、两
7、个三极管在信号正、负半周半周轮流流导通，使通，使负载得到一得到一个完整的波形。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.最大不失真最大不失真输出功率出功率Pomax实际输出功率出功率忽略忽略VCES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.电源供源供给的功率的功率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.最大管耗和最大最大管耗和
8、最大输出功率的关系出功率的关系因因为当当 0.6VCC 时具有最大管耗具有最大管耗0.2Pom 选管依据之一管依据之一17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功率与输出幅出幅度的关系度的关系2.功率功率BJT的的选择 （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 甲甲乙类双电源互补对称电路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称管甲乙类双电源互补对称电路电路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
9、源互补对称电路乙乙类互互补对称称电路存在的路存在的问题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二极管等效为恒恒压模型模型#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T3已有合适已有合适的静的静态工作点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
10、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可可认为是定是定值 R1、R2不不变时，VCE4也也是定是定值，可看作是一个直流，可看作是一个直流电源。源。Po、PT、PV和和PTm仍然仍然按照乙按照乙类功放功放计算公式算公式进行行估算。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静态时，偏置，偏置电路使路使VKVCVCC/2（电容容C充充电达到达到稳态）。）。当有信号当有信号vi时负半周半周T1导通，有通，有电流通流通过负载RL，同同时向向C充充电正半周正半周T2导通，通，则已充已充电的的电容容C通通过负载RL放放电。只要只要满足
11、足RLC T信信，电容容C就可充就可充当原来的当原来的VCC。计算算Po、PT、PV和和PTm的公式必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消除高频振振荡温度温度补偿VBE扩展展电路路提供静提供静态偏置偏置VBE扩展展电路提路提供静供静态偏置偏置复合管复合管消除高消除高频振振荡华中科技大学 张林249.5 功率管功率管9.5.1 功率功率器件的散热与功率器件的散热与功率BJT的的 二二次击穿问题次击穿问题9.5.2 功率功率VMOSFET和
12、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的散的散热功率功率BJT外形外形在在给负载输送功率的同送功率的同时，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管子消耗的功率直接表现在使管子的在使管子的结温升高。温升高。当当结温超温超过一定温度一定温度时（锗管一般管一般约为90，硅管，硅管约为150），会使管子），会使管子损坏。坏。在在BJT中，管子上的中，管子上的电压绝大部分降在集大部分降在集电结上，它和流上，它和流过集集电结的的电流造成集流造成集电极功率极功率损耗，
13、使管子耗，使管子产生生热量。所以量。所以通常用集通常用集电极耗散功率来衡量极耗散功率来衡量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的散的散热 功率功率BJT的最大允的最大允许耗散功率耗散功率PCM，总的的热阻阻RT、最高允、最高允许结温温Tj和和环境温度境温度Ta之之间的关系的关系为TjTaRTPCM 其中，其中，热阻阻RT 包括集包括集电结到管壳的到管壳的热阻，管壳与散阻，管壳与散热片之片之间的的热阻，散阻，散热片与周片与周围空气的空气的热阻。阻。单位位为/W（或或/mW）。）。当最高当最高结温和温和环境温度一定，境温度一定，热阻越小，允阻越小，允许的管耗就越大
14、。散的管耗就越大。散热片及其面片及其面积大小可以明大小可以明显改改变热阻的大小。阻的大小。例如，某例如，某BJT不加散不加散热装置装置时，允，允许的功耗的功耗PCM仅为1W，如果加，如果加上上1201204mm3的的铝散散热板板时，则允允许的的PCM增至增至10W。通常手册中通常手册中给出的出的PCM，是在，是在环境温度境温度为25时的数的数值。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的二次的二次击穿穿 实际应用中，功率用中，功率BJT并未超并未超过允允许的的PCM值，管身也不，管身也不烫，但功率但功率BJT
15、却突然失效或者性能却突然失效或者性能显著下降。著下降。这种种损坏不少是二次坏不少是二次击穿引起的。穿引起的。产生生二二次次击穿穿的的原原因因主主要要是是由由于于流流过BJT结面面的的电流流不不均均匀匀，造造成成结面面局局部部高高温温（称称为热斑斑），因因而而产生生热击穿穿所所致致。与与BJT的的制制造造工工艺有关。有关。因因此此，功功率率管管的的安安全全工工作作区区，不不仅受受集集电极极允允许的的最最大大电流流ICM、集集射射间允允许的的最最大大击穿穿电压V(BR)CE和和集集电极极允允许的的最最大大功耗功耗PCM所限制，而且所限制，而且还受二次受二次击穿穿临界曲界曲线所限制。所限制。9.5.
16、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）在最坏的条件下（包括冲击电压在内），工作在内），工作电压不不应超超过极限极限值的的80%；（2）在在最最坏坏的的条条件件下下（包包括括冲冲击电流流在在内内），工工作作电流流不不应超超过极限极限值的的80%；（3）在在最最坏坏的的条条件件下下（包包括括冲冲击功功耗耗在在内内），工工作作功功耗耗不不应超超过器件最大工作器件最大工作环境温度下的最大允境温度下的最大允许功耗的功耗的50%；（4）工工作作时，器器件件
17、的的结温温不不应超超过器器件件允允许的的最最大大结温温的的70%80%。对于于开开关关电路路中中使使用用的的功功率率器器件件，其其工工作作电压、功功耗耗、电流流和和结温（包括波温（包括波动值在内）都不得超在内）都不得超过极限极限值。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.保保证器件正常运行的保器件正常运行的保护措施措施 为了防止由于感性了防止由于感性负载而使管子而使管子产生生过压或或过流，可在流，可在负载两端并两端并联二极管（或二极管和二极管（或二极管和电容）；容）；可以用可以用VZ值适当的适当的稳压管并管并联在功率管的在
18、功率管的c、e两端，以吸收两端，以吸收瞬瞬时的的过电压等。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型开槽的型开槽的纵向向MOS管，称管，称为VMOS（Vertical MOS）电流沿流沿导电沟道由漏极到沟道由漏极到源极的流源极的流动是是纵向的向的沟道很短，沟道很短，电流流ID很大很大，可达可达200A N外延外延层提高了耐提高了耐压值，达达1 000V以上以上 非非线性失真小性失真小31华中科技大学 张林9.5.2 功率功率VMOSFET和和DMOSFE
19、T2.DMOS管管双双扩散散MOS管，称管，称为DMOS（Double-diffused MOS）电流也是流也是纵向流向流动的的沟道很短，沟道很短，电流流ID很大很大，可达可达50A N层提高了耐提高了耐压值，达，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功率管的功率管的优点点 （1）与）与MOS器件一器件一样是是电压控制控制电流器件，流器件，输入入电阻极高，因此阻极高，因此所需所需驱动电流极小，功率增益高。流极小，功率增益高。（2）MOS管不存在二次管不存在二次击穿穿 （3）因因为少少子子存存储问题，功功率率MOS管管具具有有更更高
20、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间在在100ns至至1s之之间，而而MOS功功率率管管的的开开关关时间约为10100ns，其其工工作作频率率可可达达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电路路或或开开关关式式稳压电源源等等。VMOS在在这一一点点上上更更显优越越（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动电流流。但但MOS功功率率放放大大电路路的的驱动级至至少少要要提提供供足足够的的电流流来来保保证对MOS管管较大大的的输入入电容容进行充放行充放电。33华中科技大学
21、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了获得高耐得高耐压值，器件有低，器件有低掺杂浓度的度的N-层，导致致导通通电阻阻变大大绝缘栅双极型功率管（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成功率管作输出级的集成 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器功率管作输出级的集成功率放大器SHM1150型集成功率放大器型集成功率放大器频振振荡VMOS管管3
22、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器功率管作输出级的集成功率放大器SHM1150型集成功率放大器型集成功率放大器工作工作电压12V50V最大最大输出功率可达出功率可达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集成音集成音频功率放大器功率放大器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集成音集成音频功率放大器功率放大器LM380固定增益固定增益51倍倍最大工作最大工作电压22V最大最大输出功率出功率5W可双端可双端输入，也可入，也可单端端输入。入。不用的不用的输入端可入端可悬空空 end