根据 I DQ I DSS 1 VGSQ VP 2 VGSQ IDQ RS I DQ 0.5 1 VGSQ 2 mA VGSQ 1.5IDQ V 解方程组有 VI GDSQQ0.212.5 mA 0.22 V 0.33 V VDSQ VDD IDQ Rd RS 9.2 V 4.7.7 题图 4.7.7 所示电路,是由场效管和晶体三极管组成的混合放大 电 路 , 己 知 场 效 应 管 的 I DSS 2mA , VP 4V 晶 体 三 极 管 的 80,VBEQ 0.7V , rbb' 300 ,所有电容容抗可以不计,试问: 题图 4.7.7 (1)分别计算各极的静态工作点; (2)画出电路微变等效电路; (3)计算总的电压增益 AV 、输入电阻 Ri 和输出电阻 Ro 。 解:T1 为 N 沟耗尽型 MOSFET,T1 构成共源放大电路;T2 为 NPN 三极管,构成共射、放大电路。 (1)第一放大级的静态工作点: VGSQ VG VS 0V IDQ I DSS 1 VGSQ VP 2 I DSS 2mA VDSQ VDD IDQ RD 30 2 2 26V 第二放大级的静态工作点: VB Rb1 Rb1 Rb2 VCC 2 2 20 30 2.7V ICQ I EQ VBQ VBE Re 2.7 0.7 0.088 22.7mA I BQ ICQ 22.7 80 284 A VCEQ VCC ICQ ( Re Rc ) 30 22.7( 0.088 0.5 ) 16.7V (2)画出电路微变等效电路如图 4.7.7 所示; 图 4.7.7 (3)计算总的电压增益 AV 、输入电阻 Ri 和输出电阻 Ro 。 gm dI D dVGS 2IDSS VP 1 VGSQ VP 22 4 1 0 4 1mS , rbe rbb' 1 26mV IE 300 1 80 26mV 22.7mA 0.39k , , Ri2 Rb1 Rb2 rbe 2 20 0.39 0.33k AV1 gm (Rd Ri2 ) 1 2 0.33 0.28 , AV 2 Vo2 Vi 2 RC rbe 80 0.5 0.39 102 , AV AV1AV 2 0.28102 28.56 , Ri Ri1 Rg 3.3M , Ro Ro2 RC 0.5k 。 习题 5 客观检测题 一、填空题 1. 功率放大电路的最大输出功率是在输入电压为正弦波时,输出基 本不失真情况下,负载上可能获得的最大 交流功率 。(交流功 率 直流功率 平均功率) 2. 与甲类功率放大器相比较,乙类互补推挽功放的主要优点是 能量效率高 。(无输出变压器 能量效率高 无交越失真) 3. 所谓功 率 放 大 电 路 的 转 换 效率是指 负载得到的有用信号功率 和电源供给的直流功率 之比。 4. 在 OCL 乙类功放电路中,若最大输出功率为 1W,则电路 中功放管的集电极最大功耗约为 0.2W 。 5. 在 选 择功 放 电 路中 的 晶 体管 时 ,应 当 特 别注 意 的参 数有 ( 1) 最 大 允 许 功 耗 pcm ;( 2) V(BR)CEO 集 电 极 —发 射 极 间 的 反 向 击 穿 电 压 ; ( 3) 最 大 集 电 极 电 流 ICM 。 6. 若乙类 OCL 电路中晶体管饱和管压降的数值为│VCES│,则 最大输出功率 POM (VCC VCES )2 2R L 。 8. 电路如题图 5.1.1 所示,已知 T1 和 T2 的饱和管压降│VCES│ = 2V,直 流 功 耗 可 忽 略 不 计 。R3、R4 和 T3 的 作 用 是 为 T1 和 T2 提 供 适 当 的 偏 压 ,使 之 处 于 微 导 通 状 态 ,消 除 交 越失真 。负载上可能获得的最大输出功率 Pom 16W 和电路的转换效率 η= 69.8% 。设最大输入电压的有效 值为 1V。为了使电路的最大不失真输出电压的峰值达到 16V,电阻 R6 至少应取 10.3 千欧。 题图 5.1.1 9. 甲类功率放大电路的能量转换效率最高是 50%(峰值功率)。甲 类功率放大电路的输出功率越大,则功放管的管耗 越小 ,则 电源提供的功率 越大 。 10. 乙类互补推挽功率放大电路的能量转换效率最高是 78.5% 。若 功放管的管压降为 Vces 乙类互补推挽功率放大电路在输出电压幅 值为 VCC VCES ,管子的功耗最小。 乙类互补功放电路存在的主 要问题是 输出波形严重失真 。在乙类互补推挽功率放大电路中, 每只管子的最大管耗为 0.2 Po 。设计一个输出功率为 20W 的 功放电路,若用乙类互补对称功率放大,则每只功放管的最大允 许功耗 PCM 至小应有 4W 。双电源乙类互补推挽功率放大电 路最大输出功率为 VC2C 。 2 RL 11. 为了消除交越失真,应当使功率放大电路工作在 甲乙类 状 态。 12. 单电源互补推挽功率放大电路中,电路的最大输出电压为 VCC / 2 。 13. 由于功率放大电路工作信号幅值 大 ,所以常常是利用 图解 法 分析法进行分析和计算的。 二、问答题 1、 功率放大电路与电压放大电路有什么区别? 答:功率放大电路和电压放大电路相比的区别是:功率放大电路 在不失真(或失真很小)的情况下尽可能获得大的输出功率,通常是 在大信号状态下工作;功率放大电路的负载通常是低阻负载。功率放 大电路要有足够大的输出功率,因此,担任功率放大的晶体管必然处 于大电压、大电流的工作状态,因此要考虑晶体管的极限工作问题、 能量转换效率问题、非线性失真问题和器件散热问题。 2、 晶体管按工作状态可以分为哪几类?各有什么特点? 答:根据放大电路静态工作点在交流负载线上所处位置的不同, 可将放大管的工作状态分为甲类、乙类、甲乙类和丙类四种。丙类工 作方式多用于高频功率放大器。低频功率放大电路仅有甲类、乙类、 甲乙类工作方式的。 甲类工作方式静态工作点取在交流负载线的中点,放大管的导通 角为 360°,放大电路的工作点始终处于线性区。甲类功放在没有信号 输入时也要消耗电源功率,此时电路的转换效率为零;当有信号输入 时,电源功率也只有部分转化为有用功率输出,另一部分仍损耗在器 件本身;甲类工作方式最大转换效率 50%(峰值功率)。 乙类工作方式静态工作点 Q 下移至 iC=0 处,放大管的导通角为 180°,当不加输入信号(静态)或输入信号在功率管不导通的半个周 期内,晶体管没有电流通过,此时管子功率损耗为零。乙类功放减少 了静态功耗,所以效率与甲类功放相比较高(理论值可达 78.5%), 但出现了严重的波形失真。 甲乙类工作方式。为了减小非线性失真,将静态工作点 Q 略上移, 设置在临界开启状态。使放大管在一个信号周期内,导通角略大于 180°;电路中只要有信号输入,三极管就开始工作。因静态偏置电流 很小,在输出功率、功耗和转换效率等性能上与乙类十分相近,故分 析方法与乙类相同。 3 、你会估算乙类互补推挽功率放大电路的最大输出功率和最大效率 吗?在已知输入信号、电源电压和负载电阻的情况下,如何估算电路 的输出功率和效率? 答:(1)双电源乙类互补推挽功率放大电路:Po Vim2 2RL , 4 Vom Vcc ; (2)单电源乙类互补推挽功率放大电路: Po Vim2 8RL , 4 Vom 1 2 VCC 4 什么是交越失真?怎样克服交越失真? 答:在乙类互补对称功放电路中,当输入信号很小时,因达不到 三极管的开启电压VBE 0.6V ,而使两个三极管均不导通,输出电压为 零;当输入信号略大于开启电压时,三极管虽然能微导通,但输出波 形仍会有一定程度的失真。这种输出信号正、负半周交替过零处产生 的非线性失真,称为交越失真(cross-over distortion)。 为消除交越失真,可使用二极管或三极管偏置电路,使功率放大 电路工作在近乙类的甲乙类方式下。常用的消除交越失真的简化互补 功率放大电路有如下两种:利用二极管提供偏置的互补对称电路。VBE 扩大电路。 5 在乙类互补推挽功放中,晶体管耗散功率最大时,电路的输出电压 是否也最大? 答:不是。当功放电路的Vom 2 VCC 时,管耗最大。当功放电路 的Vom VCC VCES 时,电路的输出电压最大。 6 以运放为前置级的功率放大电路有什么特点? 答:由于运放的电压增益 AVd ,因而只要Vi 0 ,则 Vo 0 , 所以输出电压不会产生交越失真。 7 常用的功率器件有哪些,各有什么特点?选择功率器件要考虑哪些 因素? 答:达林顿管、功率 VMOSFET 和 IGBT 功率模块。 功率 MOSFET 的特点有:(1)MOSFET 是电压控制型器件,因此在 驱动大电流时无需推动级,电路相对较简单;(2)输入阻抗很高,达 108Ω 以上;(3)工作频率范围宽,开关速度高(因为多数载流子导 电,没有开关存储效应,开关时间为几十到几百纳秒),开关本身损 耗小;(4)有相对优良的线性区,并且输入电容比双极型器件小得多, 所以交流输入阻抗很高; IGBT 是 MOSFET 和 BJT 技术的混合物。从结构上讲,IGBT 类似具 有另一附加层的功率 MOSFET。因此,IGBT 有 MOSFET 的驱动优势, 也有功率 BJT 在高电压使用情况下良好的驱动能力。 选择功率器件应从功率管的极限工作电流、极限工作电压、最大 管耗、散热、防止二次击穿、降低使用定额和保护措施等方面来考虑。 8 什么是热阻?如何估算和选择功率器件所用的散热装置? 答:散热条件的优劣常用“热阻”表示,热阻定义如下: RT T1 T2 P 式中 T1 是热源的温度,T2 是环境温度,P 是热源消耗的功率。通 俗地理解,就是热源消耗 1W 的功率,会使它的温度上升多少度。所 以,热阻小,说明散热条件好;热阻大,说明散热条件差。换一句话 说,同样消耗 1W 的功率,热阻小的三极管温升小,热阻大的三极管 温升大。因此,热阻大的三极管不允许耗散太大的功率。 为了减小功率管的热阻,常需要给三极管加装散热片。例如:三 极管 3AD30,不加散热片时允许管耗 10W;加入一定面积的散热片后, 允许管耗可达 30W。因此功率放大管加装散热片是非常必要的。 功率器件所用的散热片估算。 RT T1 T2 P Tj Ta PCM 小功率管不用散热器,等效热阻为: RT Rjc Rca 大功率管加散热器后,等效热阻为: RT Rjc Rcs Rsa TJ 是管子的结温,Ta 是环境温度,PCM 是管耗。Rjc 是管子的结到 外壳的内热阻,Rca 是外壳到空气的热阻,Rcs 是外壳到散热器的热阻, Rsa 是散热器到空气的热阻。一般总有 Rca Rcs Rsa 。 Rsa 与散热器的材料(铝、铜等)及散热面积有关。并且散热器 垂直放置比水平放置散热效果好。 若低频大功率管 3AD1 在环境温度 Ta =25?C 不加散热器时,其最 大允许管耗 PCM =1W,已知 3AD1 的允许结温 TJ =85?C,管子的内热阻 Rjc =3.5 ?C/W,试问若采用 120×120×3mm3 的铝散热器垂直放置时, 允许耗散的功率为多少瓦?当室温升至 50?C 时允许的耗散功率又为 多少瓦?这些问题可以作出如下解析。 根据计算的散热面积 S=120×120=14400mm2=144cm2 查手册可知散热器到空气的热阻为 Rsa = 3.5 ?C/W 设三极管与散热器间不加绝缘片时的热阻 Rcs = 0.5 ?C/W 则三极管的总热阻 RT Rjc Rcs Rsa 3.5 0.5 3.5 7.5C / W 当环境温度为 25?C 时, PCM Tj Ta RT 85 25 7.5 8W 当环境温度升为 50?C 时, PCM Tj Ta RT 85 50 7.5 4.7W 主观检测题 5.2.1 电路如题图 5.2.1 所示。已知电源电压 Vcc=15V,RL=8Ω,VCES≈0, 输入信号是正弦波。试问: (1) 负载可能得到的最大输出功率和能量转换效率最大值分别是多 少? (2) 当输入信号 vi=10sinωt V 时,求此时负载得到的功率和能量转 换效率。 题图 5.2.1 解:(1) Pom Vo2m 2R L VC2C 2RL 14W 78.5% (2) 当输入信号 vi=10sinωt V 时 Pom Vo2m 2R L 102 28 6.25W 两管的管耗 PT 2 PT 1 2 RL VCCVom Vom2 4 2 1510 8 102 4 5.7W Pom Pom 6.25 52.3% PE Pom PT 6.25 5.7 5.2.2 功率放大电路如题图 5.2.2 所示,假设运放为理想器件,电源电 压为±12V 。 题图 5.2.2 (1) 试分析 R2 引入的反馈类型; (2) 试求 AVf =Vo/Vi 的值; (3) 试求 Vi =sinwt V 时的输出功率 Po,电源供给功率 PE 及能量转换效 率 η 的值。 解:(1)电压并联负反馈 (2) Avf Vo Vi R2 R1 10 (3) Vom AVf Vim 10V Po Vo2m 2RL 102 28 6.25W 两管的管耗 PT 2 PT 1 2 RL VCCVom Vom2 4 2 1210 8 102 4 3.3W PE Po PT 6.25 3.3 9.55W Pom Pom 6.25 65.4% PE Pom PT 6.25 3.3 5.3.1 功率放大电路如题图 5.3.1 所示。已知 Vcc =12V ,RL=8Ω, 静态时的输出电压为零,在忽略 VCES 的情况下,试问: (1) 电路的最大输出功率是多少? (2) T1 和 T2 的最大管耗 PT1m 和 PT2m 是多少? (3) 电路的最大效率是多少? (4) T1 和 T2 的耐压|V(BR)CEO|至少应为多少? (5) 二极管 D1 和 D2 的作用是什么? 解:(1) Pom Vo2m 2RL VC2C 2RL 122 28 9W (2) PT1m PT 2m 1 RL ( VCCVom Vo2m 4 ) VCC 2 RL ( 4 4 ) 122 8 ( 4 4 ) 1.23W (3) PE Po PT 9 21.23 11.46W Pom Pom 9 78.5% PE Pom PT 11.46 (4) V(BR)CEO 2VCC 24V (5)静态时给T1 ,T2 提供适当的偏压,使之处于微导通状态,克服 交越失真。 5.3.2 双电源互补推挽功率放大电路如题图 5.3.2 所示。 (1) 试分别标出三极管 T1~T4 的管脚(b、c、e)及其类型(NPN 、PNP); (2) 试说明三极管 T5 的作用。 (3)试问,调节可变电阻 R2 将会改变什么? (4) VCC=12V,RL=8Ω,假设晶体管饱和压降可以忽略,试求 Pom 之值。 题图 5.3.2 图 5.3.2 解:(1)根据电路图中 T1 ~T4 管的连接结构,T1 和 T2 管采用 NPN 型晶体管, T3 和 T4 管采用 PNP 型晶体管组成的复合管,管脚标注 如图 5.3.2 所示。 (2)图中晶体管 T5、电阻 R3 和 R2 构成 VBE 扩大电路,为功率管 提供偏置电压,克服交越失真。 (3)调节可变电阻 R2 会改变 T5 管 C、E 极间电压,从而调节功 率管T1 ,T 4 的偏压值。的偏置电压。 (4) Pom VC2C 2RL 122 28 9W Pom (VCC VCES )2 2(R RL ) RL R RL 122 10 2 (1 10) 1 10 5.95W 题图 5.3.3 5.3.3 某集成电路的输出级如题图 5.3.3 所示。 (1) 为了克服交越失真,采用了由 R1、R2 和 T4 构成的 VBE 扩大电路, 试分析其工作原理。 (2) 为了对输出级进行过载保护,图中接有试说明三极管 T5 、T6 和 R3、R4,试说明进行过流保护的原理。 解:(1)由 R1、R2 和 T4 构成的 VBE 扩大电路,在静态时,为 T2 和 T3 提供小电流偏置,能较好地克服交越失真,改变 R1 或 R2 可以灵 活的调整偏置电压,比用两个二极管构成的偏置电路使用方便。