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第9章 功率电路及系统,91 功率放大器92 整流器和直流稳压电源93 功率器件94 高精度基准电压源,一、概述,1.功率放大电路研究的问题（1）性能指标：输出功率和效率。若已知Uom，则可得Pom。,最大输出功率与电源损耗的平均功率之比为效率。（2）分析方法：因大信号作用，故应采用图解法。（3）晶体管的选用：根据极限参数选择晶体管。在功放中，晶体管通过的最大集电极或射极电流接近最大集电极电流，承受的最大管压降接近c-e反向击穿电压，消耗的最大功率接近集电极最大耗散功率。称为工作在尽限状态。,2.对功率放大电路的要求,（1）甲类方式：晶体管在信号的整个周期内均处于导通状态（2）乙类方式：晶体管仅在信号的半个周期处于导通状态（3）甲乙类方式：晶体管在信号的多半个周期处于导通状态,（1）在电源电压一定的情况下，最大不失真输出电压最大，即输出功率尽可能大。（2）效率尽可能高，因而电路损耗的直流功率尽可能小，静态时功放管的集电极电流近似为0。,3、晶体管的工作方式,91 功率放大器,911功率放大器的特点及工作状态分类 一、特点(1)给负载提供足够大的功率。(2)大信号工作。(3)分析方法以图解法为主。(4)非线性失真矛盾突出。(5)提高效率成为重要的关注点。(6)功率器件的安全问题必须考虑。,二、工作状态分类 根据直流工作点的位置不同，放大器的工作状态可分为A类(甲类)、B类(乙类)、C类(丙类)等，如图91所示。图(a)中，工作点Q较高(ICQ大)，信号在360内变化，管子均导通，称之为A类工作状态。图(b)中，工作点Q选在截止点，管子只有半周导通，另外半周截止，称之为B类工作状态。而图(c)中，工作点Q选在截止点下面，信号导通角小于180，称之为C类工作状态。,图91放大器的工作状态分类(a)A类(导通角为360);(b)B类(导通角为180);(c)C类(导通角180),图91放大器的工作状态分类(a)A类(导通角为360);(b)B类(导通角为180);(c)C类(导通角180),图91放大器的工作状态分类(a)A类(导通角为360);(b)B类(导通角为180);(c)C类(导通角180),分析结果表明，A类工作时非线性失真虽小，但效率太低，且没有收到信号时，电源仍供给功率(ICQ0)，这些功率将转化为无用的管耗。B类工作时非线性失真虽大(波形只有半周)，但效率却很高，只要我们在电路结构上加以弥补，非线性失真是可以减小的，所以，在功率放大器中大多采用B类工作。C类工作主要用于高频功率放大器中，这里不予讨论。,912甲类(A类)功率放大器 一、电路 功率放大器的负载是各种各样的。若负载RL很小，则负载线很陡，电流摆幅大，而电压摆幅小，所得交流功率与电压、电流振幅乘积有关，所以不可能使功率最大；反之，若RL很大，则电压摆幅大，电流摆幅小，功率也不可能大。如图92(a)所示。图中，变压器初级接到功率管集电极回路，次级接负载RL。若变压比为n，则初级等效交流负载RL为,式中，n=N1/N2。若RL太小，则要求RLRL，n1，变压器为降压变压器；反之，若RL太大，而要求RLRL,n1,则采用升压变压器。已知RL和最佳RL，即可确定变压比n的值。图92中RB为偏置电阻，其值决定了Q点的ICQ及IBQ。如果变压器是理想的，则直流工作点电压UCEQ=UCC，直流负载线为一垂直线，而交流负载线通过Q点，其斜率为(-1/RL)，如图92(b)所示。,(91),图92甲类功放电路及交、直流负载线(a)电路；(b)交、直流负载线,图92甲类功放电路及交、直流负载线(a)电路；(b)交、直流负载线,二、功率与效率的计算1.电源供出功率PE,可见，PE是一个固定不变的值，与信号的有无或大小均无关。,2.负载得到的交流功率PL 设变压器效率T=1,则PL=PRL=PRL，即,(93),式中UC和IC分别为集电极交流电压和电流的振幅，信号越大，UC、IC越大，输出功率也将增大。在最佳负载和工作点的情况下，最大交流振幅为,(94),3.管子功耗PC 当信号为零时，PL=0，PCm=PE，电源功率全部变为管耗；而当信号增大时，部分电源直流功率转换为有用的交流功率，管耗反而下降。,此时，最大输出功率PLm为,(95),(96),4.转换能量的效率,(97),当信号最强，UCm=UCC,ICm=ICQ时，效率达到最高：,(98),可见，A类放大器无信号时，效率为零，而信号最强时最大效率也只有50%。这是A类放大器的致命弱点，也是晶体管功率放大器极少采用A类放大器的原因。,913 互补跟随乙类(B类)功率放大器 一、双电源互补跟随乙类功率放大器(OTL电路)1.电路 此类功率放大器的电路如图93所示，其电路形式和集成运放的输出级是相同的。其中二极管是为克服交越失真而设置的，ICO为前置级放大器有源集电极负载电流源。该电路由VD1、VD2和V1、V2构成跨导线性环，是电流模电路。根据第八章的分析，当负载电流ILICO时，输出管V1、V2均工作在B类，它们轮流导，通以给负载提供电流。,图93 互补跟随乙类功率放大器(OTL电路),2.功率与效率的计算 在B类工作时，静态工作点Q接近截止点，V1、V2都是半周导通，其电流iC1(或iC2)为半波正弦。画出该电路的负载线和工作点位置如图94所示。根据图94的波形，我们可以计算该电路的功率和效率。,图94互补跟随乙类功放负载线及工作点(a)单管负载线；(b)双管负载线,图94互补跟随乙类功放负载线及工作点(a)单管负载线；(b)双管负载线,1)输出交流功率PL V1、V2为半周工作，但负载电流却是完整的正弦波。,令，称之为电压利用系数，那么式(9-9)可改写为,(99),(910),信号越大，Uo增大，电压利用率也增大。若忽略集电极饱和电压，则最大=1，故最大输出功率PLm为,(911),2)电源提供的功率 当信号为零时，工作点接近于截止点，ICQ=0，电源不提供功率；而随着信号的增大，iC1增大，电源提供的功率也将随之增大。这点与A类功放有本质的差别。PE=UCC(iC1的直流分量)+|UEE|(iC2的直流分量),当信号最大时，UomUCC，所以电源输出的最大功率为,(913),(912),3)每管转换能量的效率,(914),当信号最大，=1时，效率达到最高：,可见，B类工作的效率远比A类的高。,4)每个管子损耗PC,可见，每个管子的损耗PC是输出信号振幅的函数。将PC对Uo求导，可得出最大管耗PCm。令,得出，当 时，每管的损耗最大：,那么，我们可以得出一个重要结论，即PCm与最大输出功率的关系为,(918),式(918)提供了选择功率管功耗的依据。例如，负载要求的最大功率PLm=10W，那么只要选一个功耗PCm大于0.2PLm=2W的功率管就行了。,3.选择功率管 为保证晶体功率管的安全和输出功率的要求，电源及输出功率管参数的选择原则如下：(1)已知PLm及RL，选UCC，则,(919),(2)已知PLm，选择管子允许的最大功耗PCM。管子允许的最大功耗,(920),(3)管子的击穿电压U(BR)CEO。当信号最大时，一管趋于饱和，而另一管趋于截止，截止管承受的最大反压为UCC+|UEE|=2UCC，所以,(4)管子允许的最大电流ICM。,(921),(922),二、单电源互补跟随乙类功率放大器 单电源互补跟随乙类功率放大器电路如图95所示。由图可见，静态时，a点电位，那么电容C的直流电位也为UCC/2，当V1导通、V2截止时，V1给负载RL提供电流；而当V1截止、V2导通时，电容C充当V2的电源，只要C足够大，在信号变化一周内，电容电压可以保持基本恒定UCC/2。负载得到的交流电压振幅的最大值为,图9-5 单电源互补跟随乙类功放电路,故，该电路负载得到的最大交流功率PLm为,为保证功率放大器良好的低频响应，电容C必须满足,(923),(924),式中fL为放大器所要求的下限频率。有关放大器的其它指标，请读者自行分析。,三、复合管及准互补乙类功率放大器(OCL电路)在功率放大器中，输出功率大，输出电流也大。如要求输出功率PLm=10W，负载电阻为10，那么，功率管的电流峰值ICm=1.414A。若功率管的=30，则要求基极驱动电流IBm=41.1mA。前级晶体管放大器或运算放大器，若输不出这样大的电流来驱动后级功率管，则需要引入复合管。复合管又称达林顿电路。复合管的总值为,(925),等效值的增大，意味着前级供给的电流可以减少。组成复合管的原则有以下几点：(1)电流流向要一致。(2)各极电压必须保证所有管子工作在放大区，即保证e结正偏，c结反偏。(3)因为复合管的基极电流iB等于第一个管子的iB1，所以复合管的性质取决于第一个晶体管的性质。若第一个管子为PNP，则复合管也为PNP,反之为NPN。正确的复合管连接方式有四种，如图96所示。,图96复合管的组成(a)等效为NPN管；(b)等效为PNP管；(c)等效为PNP管；(d)等效为NPN管,图96复合管的组成(a)等效为NPN管；(b)等效为PNP管；(c)等效为PNP管；(d)等效为NPN管,图96复合管的组成(a)等效为NPN管；(b)等效为PNP管；(c)等效为PNP管；(d)等效为NPN管,图96复合管的组成(a)等效为NPN管；(b)等效为PNP管；(c)等效为PNP管；(d)等效为NPN管,互补乙类功率放大器要求输出管V1(NPN)和V2(PNP)性能对称匹配。所以，用复合管构成V1和V2管时，希望输出管都用NPN管，因为NPN管的性能一般比PNP管好。用复合管组成的互补跟随乙类功放如图97所示，其中NPN管采用图96(a)电路，PNP管采用图96(c)电路。这样，承受大电流的管子均用大功率NPN管，此类电路称之为准互补乙类功率放大器，简称OCL电路。图中R1和R2是为了分流反向饱和电流而加的电阻，目的是提高功放的温度稳定性。,图97 准互补乙类功率放大器电路,几种电路的比较,变压器耦合乙类推挽：单电源供电，笨重，效率低，低频特性差。OTL电路：单电源供电，低频特性差。OCL电路：双电源供电，效率高，低频特性好。BTL电路：单电源供电，低频特性好；双端输入双端输出。,914集成功率放大器 一、集成功率放大器 1.SHM1150型双极晶体管与MOS管混合的音频集成功率放大器 集成化是功率放大器的发展必然，目前集成功率放大器大都工作在音频段。集成功率放大器的型号很多，在此仅举例说明之。图98(a)给出集成音频功率放大器SHM1150型的内部简化电路图。这是一个由双极型晶体管和VMOS组成的功率放大器，允许电源电压为12V50V，电路最大输出功率可达150W，使用十分方便，其外部接线如图98(b)所示。,图98SHM1150型BiMOS集成功率放大器(a)内部电路；(b)外部接线图,由图98(a)可见，输入级为带恒流源的双极型晶体管差分放大器(V1、V2)，双端输出。第二级为单端输出的差分电路(由PNP管V4、V5组成)，恒流源I2为其有源负载电流。,2.桥式功率放大器 由两个功率放大器构成的桥式功放可以增大输出功率。如图99所示.负载(扬声器)RL跨接在A1和A2的输出端，故负载得到的交流输出功率PL为,可见，桥式功放使输出功率增大到单个功放的四倍。A1和A2的同相端都加2.5V的偏压，以保证A1、A2正常工作。,(926),图99 桥式集成功放LM4860及其外部电路,92 整流器和直流稳压电源,流稳压电源是所有电子设备的重要组成部分，它的基本任务是将电力网交流电压变换为电子设备所需要的稳定的直流电源电压。直流电源的一般组成如图910所示。其中变压器是将电网电压(220V、50Hz)变换为所需的交流电压；整流是将变压器次级交流转换为单向脉动直流；滤波是将整流后的波纹滤除。,图910 直流稳压电源的基本框图,921整流滤波电路 一、整流滤波电路 利用二极管的单向导电性能可实现整流。常用的整流电路有半波整流、全波整流、桥式整流和倍压整流，如图911所示。,图911常用整流电路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)桥式整流；(d)倍压整流,图911常用整流电路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)桥式整流；(d)倍压整流,图911常用整流电路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)桥式整流；(d)倍压整流,图911常用整流电路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)桥式整流；(d)倍压整流,图912 常用滤波电路(a)电容滤波；(b)电感电容型滤波；(c)电阻电容型滤波,二、整流滤波电路的工作原理及主要性能 1.工作原理 如图913所示，全波整流的变压器有中心抽头，且要求次级两绕组十分对称，整流管V1、V2接于变压器次级两端和负载之间，采用简单电容滤波。设滤波电容电压初始值uC(0)=0,当ui为正半周时，V1导通，V截止，ui给C充电。由于二极管内阻较小，充电时常数较小，uC上升快。当uC上升到等于ui(t1)时，V1、V2均截止，电容C通过负载RL放电，uo下降。,图913全波整流电路及电压电流波形(a)电路；(b)管子流过的电流及输入输出电压波形,图913全波整流电路及电压电流波形(a)电路；(b)管子流过的电流及输入输出电压波形,图913全波整流电路及电压电流波形(c)计算机仿真波形(为看清输出波纹，故意将滤波电容值取得很小，实际上要加几百几千F),2.主要性能1)输出直流电压Uo不接滤波电容(C=0)时:,当接入滤波电容(C0)，且负载RL=时，输出电压可充电至输入电压峰值：,一般情况下(RL,C0)，Uo的估算值为,(927),(928),(929),式中Ui为变压器次级单边交流电压有效值，Uim为交流振幅。根据式(928)，可以由Uo算出Ui，从而算出变压比,2)滤波电容估算值 滤波电容的选择要满足下式，即,此时，波纹电压峰峰值Urpp约为,(930),(931),式中：T为交流电网信号周期；IL为负载电流。,3)整流管的选择(1)整流管最大允许电流(2)整流管反向击穿电压UBR2Uim。半波整流只有一个整流管，所以IMIL，且波纹大，所以一般用得不多。,图914 用“硅桥”实现正、负两路直流输出的全波整流电路,922串联反馈型线性稳压电源的工作原理 一、电路 常用稳压电路有串联反馈型稳压电路和开关型稳压电路。首先，我们介绍最常用的串联型稳压电源。串联型稳压电源的框图如图915所示。图中“调整环节”就是一个射极输出器。取样环节是将输出电压的变化样品取来，加到一个误差比较放大器的反相输入端，与同相输入端的基准电压相比较。,图915 串联型稳压电源框图,二、主要参数 1.主要指标 1)稳压系数S S表示输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比，即,(932),2)输出电阻Ro Ro表示负载变化(IL变化)对输出电压的影响，即,(933),一般稳压器的Ro为m数量级。,3)温度系数STST表示温度变化对输出电压的影响，其表达式为,(934),2.调整管参数(1)调整管最大允许电流ICM必须大于负载最大电流ILM。(2)调整管最大允许功耗PCM必须大于调整管的实际最大功耗。当输入电压最大，而输出电压最小、负载电流最大时，调整管的实际功耗是最大的。(3)调整管必须工作在线性放大区，其管压降一般不能小于34V。(4)如果单管基极电流不够，则采用复合管；若单管输出电流不能满足负载电流的需要，则可使用多管并联。(5)电路必须具有过热保护、过流保护等措施，以免调整管损坏。,3.电路输出电压调节(1)大波段调节依靠改变整流器变压器抽头。(2)波段内调节靠电位器RW，如图915所示。对于误差比较放大器，有,(935),调节R1和R2的比例，即可调节输出电压值。,三、集成三端稳压器 集成三端稳压器是集成串联型稳压电源，用途十分广泛，而且非常方便。集成三端稳压器有78系列(输出正电压)和79系列(输出负电压)，后面两位数表示输出电压值，如7812，即表示输出直流电压为+12V。图中，C1可以防止由于输入引线较长而带来的电感效应而产生的自激。C2用来减小由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。C3为容量较大的电解电容，用来进一步减小输出脉动和低频干扰。,图916三端集成稳压电源的典型接法(a)78系列典型接法；(b)79系列典型接法；(c)三端稳压器外形图,图916三端集成稳压电源的典型接法(a)78系列典型接法；(b)79系列典型接法；(c)三端稳压器外形图,三端稳压电源的功能可以扩展。图917给出几个功能扩展电路。图917(a)是一个扩流电路。图中V为扩流晶体管，输出总电流Io=Io+IC。图917(b)电路是一个扩大输出电压的电路，该电路输出电压。式中，IQ为稳压器静态工作电流，通常比较小；UR1是稳压器输出电压Uo。所以,(936),图917(c)电路是一个输出电压可调电路。只不过在三端稳压器和可调电位器之间加了隔离运放电路。所以，输出电压表达式同式(936)。调节RW的中心抽头位置即可调节输出电压Uo值。,图917三端稳压器功能的扩展(a)扩流电路；(b)扩压电路；(c)输出电压可调电路,图917三端稳压器功能的扩展(a)扩流电路；(b)扩压电路；(c)输出电压可调电路,图917三端稳压器功能的扩展(a)扩流电路；(b)扩压电路；(c)输出电压可调电路,923开关型稳压电源 串联型反馈式稳压电源用途广泛，但存在以下两个问题：(1)调整管总工作在线性放大状态，管压降大，流过的电流也大(大于负载电流)，所以功耗很大，效率较低(一般为40%60%)，且需要庞大的散热装置。(2)电源变压器的工作频率为50Hz，频率低而使得变压器体积大、重量重。,开关稳压电源正是基于上述改革思路而发明的新型稳压电源。目前，开关稳压电源已广泛应用于计算机、电视机及其它电子设备中。开关稳压电源的电路形式很多，我们仅以下面的例子对其工作原理加以简要说明。开关稳压电源的一般框图如图918所示。,图918 开关稳压电源框图,电网电压不稳使输出直流电压Uo增大，经光耦合器隔离，误差放大器反相输入端电压增大，其输出减小。该电压(UC+)与UC-的三角波比较结果，会使其输出电压(UG)的占空比减小，如图919虚线所示，从而使VMOS导通时间减小，截止时间增加。经二次整流后取出方波的平均值(Uo)将随之减小。这就是开关电源稳压的原理。图920给出一个实际的开关稳压电源的电原理图。,图919 脉宽调制器的各点波形,图920 一个实际的开关稳压电源电路,图920中，VMOS源极电阻R9为过流采样电阻。当过流时，UR9增大，经R10送至UC3842的3端，以实现过流保护的目的。C8、VD3、R11、R12、VD2和C9构成两级吸收回路，用以吸收尖峰干扰。VD1VD3采用快恢复的二极管FR305。VD4为输出整流管，采用D80-004型肖特基二极管，以满足高频、大电流整流的需要。该电路采用自馈绕组反馈，而不是像图918所示的从输出电压经光耦合反馈，一般用于固定负载的情况。,图921 脉宽调制器UC3842框图,93 功率器件,931双极型大功率晶体管(BJT)在低频功率放大器和串联型稳压电源中，我们都曾提到，功率管的最大工作电流必须小于该功率管的最大允许电流ICM；最大工作反压必须小于允许的击穿电压U(BR)CEO；功率管的功耗要小于允许的最大功耗PCM。这里有两个问题还需加以说明：一是散热与最大功耗的关系，二是有关二次击穿和安全工作区。,一、散热与最大功耗PCM的关系 我们知道，电源供给的功率，一部分转换为负载的有用功率，另一部分则消耗在功率管的集电结，变为热能而使管芯的结温上升。如果晶体管管芯的温度超过管芯材料的最大允许结温TjM(锗管TjM约为75100,硅管TjM约为150200)，则晶体管将永久损坏。我们把这个界限称为晶体管的最大允许功耗PCM。,描述热传导阻力大小的物理量称为热阻RT。RT的量纲为/W，它表示每消耗1W功率结温上升的度数。为减小散热阻力，改善散热条件，通常采用加散热器的方法。图922(a)给出一种铝型材散热器的示意图。加散热器后，热传导阻力等效通路如图922(b)所示。图中：RTj内热阻，表示管芯到管壳的热阻；RTfo管壳到空间的热交换阻力；RTc管壳到散热器之间的接触热阻，与管壳和散热器之间的接触状况有关；RTf散热器到空间的热交换阻力，与散热器的形状、材料以及面积有关。,图922散热器和热传导阻力等效通路(a)铝型材散热器示意图；(b)热传导阻力等效通路(热阻计算),由图922可见，不加散热器时，总热阻RTo为 由于管壳散热面积很小，RTfo是很大的。加散热器后，由于(RTc+RTf)RTfo，所以，总热阻RT为 显然，RTRTo。功率管的最大允许功耗PCM与总热阻RT、最高允许结温TjM和环境温度To有关，其关系式为,(937),(938),(939),二、二次击穿现象与安全工作区 功率管在实际应用中，常发现功耗并未超额，管子也不发烫，但却突然失效。这种损坏不少是由于“二次击穿”所致。所谓二次击穿现象可由图923(a)来说明。当集电极电压uCE增大时，首先可能出现一次击穿(图中AB段)。这种击穿是正常的雪崩击穿。二次击穿的起点与iB大小有关。通常将其起、始点连线称为二次击穿临界线，如图923(b)所示。,图923功率管的二次击穿现象(a)二次击穿现象；(b)二次击穿临界线,为保证功率管安全可靠地工作，除保证电流小于ICM、功耗小于PCM、工作反压小于一次击穿电压U(BR)CEO外，还应避免进入二次击穿区。所以，功率管的安全工作区如图924所示。,图924 双极型功率管的安全工作区,932 功率MOS器件 有许多适合大功率运行的MOS器件，其中突出的代表是VMOS管和双扩散MOS管。VMOS管的结构剖面图如图925所示。,图925 VMOS管的结构剖面图,与BJT管比较，VMOS具有许多优点：(1)输入阻抗大，所需驱动电流小，功率增益高。(2)温度稳定性好，漏极电阻为正温度系数，当器件温度上升时，电流受到限制，不可能产生热击穿，也不可能产生二次击穿。(3)没有BJT管的少子存贮问题，加之极间电容小，所以开关速度快，适合高频工作(工作频率达几百kHz甚至于几MHz)。在VMOS基础上加以改进，目前又出现了双扩散MOS管(简称DMOS)。此类管子在承受高电压、大电流，速度快等性能方面又有不少提高。,933绝缘栅双极型功率管(IGBT)及功率模块 一、IGBT的等效电路及符号 IGBT的等效电路和符号如图926所示。它综合了MOS管输入阻抗大、驱动电流小和双极型管导通电阻小、高电压、大电流的优点。当MOS管栅压大于开启电压后，出现漏极电流。该电流就是双极型晶体管的基极电流，从而使BJT管导通，且趋向饱和(管压降很低，电位很大)。当MOS管栅压减小使沟道消失时，ID=0，IB=0,管子截止。IGBT具有许多优点，但工作频率不太高，一般小于50kHz左右。,图926绝缘栅双极型功率管(IGBT)(a)等效电路；(b)符号,二、功率模块 功率模块有许多，有达林顿电路模块、各种MOS管或BiFET组件等。图927(a)给出一种高速大功率CMOS器件(TC4420/29系列)，其脉冲峰值电流高达6A，开关速度高达25ns，使用十分方便，而且能带动大电容负载(CL1000pF)。图927(b)是由两块TC4420组成的桥式电路，驱动电机或陀螺正、反向转动。,图927 高速大功率CMOS器件(a)内部电路；(b)由TC4420组成的桥式功率电路,目前，还出现了许多高速大功率运算放大器(PowerOperationalAmplifiers)，如OPA2544、3583等。OPA2544的最大输出电流为2A，电源电压范围10V35V，压摆率为8V/s，其封装和引脚图如图928所示。而OPA3583的电源电压高达70V150V，输出电流为75mA，压摆率达30V/s。OPA2544和OPA3583的输入级为场效应管，输出级为互补跟随器。,图928功率运算放大器OPA2544的外形图及 管脚图(a)外形图；(b)管脚图,934 功率管的保护 为保证功率管的正常运行，要附加一些保护电路，包括安全区保护、过流保护、过热保护等等。例如，在VMOS的栅极加限流、限压电阻和反接二极管，在感性负载上并联电容和二极管，以限制过压或过流。又如，在功率管的c、e间并联稳压二极管，以吸收瞬时过压等等。,94 高精度基准电压源,在集成电路或电子设备中，常需要基准电压源(UREF)。该类基准电压源要求精度高，温度稳定性好(0.210-62010-6左右)，噪声电压低，长期稳定度好等，但其输出电流并不大，一般为几毫安十几毫安。实现此类电压基准功能的电路和器件有两种，简要介绍如下。,941能隙基准电压源 一、能隙基准电压源的工作原理 如图929所示，UBE为负温度系数，UT发生器乘以系数K为负温度系数，二者经相加器相加后得到基准电压UREF：,又知，结电压U随温度上升而下降，即有,(940),(941a),(941b),(942),图929 能隙基准电压源的工作原理,式中，Ug0为半导体材料在绝对零度下(0K)的带隙(BandGap)电压，即禁带宽度。硅材料的Ug0为1.205V，锗材料的Ug0为0.72V。该值是一个固定不变的电压值。如式(942)所示，若调整K值使第二项与第三项相抵消，则,(943),二、能隙基准电压源电路 图930给出一个能隙基准电压源的电路例子。设运算放大器是理想的，且RA=RB 因此有,(944),(945),图930 能隙基准电压源电路,运放输出电压即基准电压UREF为,(946),式中，,调节R1和R2的值，使KUT=CT，那么,(947),若R4固定，则改变R3,即可得到不同的基准电压值。美国AD公司的AD580、AD581、AD584、AD680系列电压基准的原理电路与图930相同。例如，AD581的基准电压UREF=10V0.005V，温度系数ST为510-6/，长期稳定度为2510-6/1000h，输出噪声电压的峰峰值小于40V。,942 以埋层齐纳管为参考的超高精度基准电压源 能隙基准电压源的ST310-6/，噪声电压UNpp20V。对于高分辨率的A/D、D/A(16位以上)，仍感不足。以埋层齐纳管为参考的基准电压源的精度和稳定度有望更高。普通齐纳管的击穿机理发生在硅晶体表面，如图931(a)所示，表面存在更多的杂质，易受机械压力和晶格错位等因素影响，导致击穿噪声大，长期稳定性不好。,图931 普通齐纳管和埋层齐纳管的击穿部位(a)普通齐纳管；(b)埋层齐纳管,稳压电源,二、稳压管稳压电路,稳定电压 UZ：稳压管的击穿电压稳定电流 IZ：使稳压管工作在稳压状态的最小电流最大耗散功率 PZM：允许的最大功率，PZM=IZM UZ动态电阻 rz：工作在稳压状态时，rzU/I,1.稳压管的伏安特性和主要参数,2.稳压管稳压电路的工作原理,3.稳压管稳压电路的主要指标,（1）输出电压 UOUZ（2）输出电流 IZmax IZmin IZM IZ（3）稳压系数,（4）输出电阻,简单易行，稳压性能好。适用于输出电压固定、输出电流变化范围较小的场合。,4.特点,5.稳压管稳压电路的设计,（1）UI的选择 UI（23）UZ（2）稳压管的选择 UZUO IZMIZ ILmax ILmin（3）限流电阻的选择 保证稳压管既稳压又不损坏。,电网电压最低且负载电流最大时，稳压管的电流最小。,电网电压最高且负载电流最小时，稳压管的电流最大。,若求得RminRmax，怎么办？,讨论一：稳压管稳压电路的设计,依次选择稳压管、UI、R、C、U2、二极管1.输出电压、负载电流稳压管2.输出电压UI3.输出电压、负载电流、稳压管电流、UI R4.UI、R 滤波电路的等效负载电阻C5.UI U26.U2、R中电流整流二极管,已知输出电压为6V，负载电流为030mA。试求图示电路的参数。,三、串联型稳压电路,1.基本调整管稳压电路,为了使稳压管稳压电路输出大电流，需要加晶体管放大。,稳压原理：电路引入电压负反馈，稳定输出电压。,调整管的作用及如何提高稳压性能,不管什么原因引起UO变化，都将通过UCE的调节使UO稳定，故称晶体管为调整管。,若要提高电路的稳压性能，则应加深电路的负反馈，即提高放大电路的放大倍数。,2.具有放大环节的串联型稳压电路,（1）稳压原理：若由于某种原因使UO增大,（2）输出电压的调节范围,同相比例运算电路,则 UO UN UB UO,（3）串联型稳压电路的基本组成及其作用,调整管,取样电阻,调整管：是电路的核心，UCE随UI和负载产生变化以稳定UO。,比较放大,基准电压,基准电压：是UO的参考电压。,取样电阻：对UO 的取样，与基准电压共同决定UO。,比较放大：将UO 的取样电压与基准电压比较后放大，决定电路的稳压性能。,（4）串联型稳压电源中调整管的选择,IEmaxIR1ILmax ILmax ICMUCEmaxUImax UOmin U(BR)CEO PTmax IEmax UCEmax PCM,根据极限参数ICM、U(BR)CEO、PCM 选择调整管！,应考虑电网电压的波动和负载电流的变化！,讨论二：对于基本串联型稳压电源的讨论,3.若电网电压波动10，UI为28V，UO为10V20V；晶体管的电流放大系数为50，PCM5W，ICM1A；集成运放最大输出电流为10mA，则最大负载电流约为多少？,1.若UO为10V20V，R1R31k，则R3和UZ各为多少？2.若电网电压波动10，UO为10V20V，UCES3V，UI至少选取多少伏？,讨论三：关于实用串联型稳压电源的讨论,1.标出集成运放的同相输入端和反相输入端；2.电路由哪些部分组成？3.UI21V，R1 R2 R3300，UZ6V，UCES3V，UO？4.如何选取R和R？,输出电流取样电阻,讨论三：关于实用串联型稳压电源的讨论,5.取样电阻的取值应大些还是小些，为什么？它们有上限值吗？6.若电路输出纹波电压很大，则其原因最大的可能性是什么？7.根据图中过流保护电路的原理组成一种限流型过流保护电路。,四、集成稳压器（三端稳压器）,输出电压：5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V输出电流：1.5A（W7800）、0.5A（W78M00）、0.1A（W78L00）,1.W7800系列（1）简介,（2）基本应用,消除高频噪声,使Co不通过稳压器放电,抵销长线电感效应，消除自激振荡,将输入端接整流滤波电路的输出，将输出端接负载电阻，构成串类型稳压电路。,（3）输出电流扩展电路,为使负载电流大于三端稳压器的输出电流，可采用射极输出器进行电流放大。,很小,三端稳压器的输出电压,若UBE=UD，则,二极管的作用：消除UBE对UO的影响。,（4）输出电压扩展电路,IW为几mA，UO与三端稳压器参数有关。,隔离作用,基准电压,电路复杂,2.基准电压源三端稳压器 W117,输出电压UREF1.25V，调整端电流只有几微安。,减小纹波电压,讨论四：W117的应用,1.R1的上限值为多少？2.UO可能的最大值为多少？3.输出电压最小值为多少？4.UOmax30V，选取R1、R2；5.已知电网电压波动10，输出电压最大值为30V，UI至少取多少伏？,决定于IOmin,两种情况：1.已知UI 2.自己选取UI,决定于W117的输出,输入电压最低、输出电压最高时，UIUO3V。,根据输出电压表达式,讨论五：集成稳压器的应用,1.基准电压为多少？2.UO的表达式？3.为使W7812不因输入端和输出端之间电压太大而损坏，可采用什么方法？,五、开关型稳压电路 1.开关型稳压电源的特点,线性稳压电源：结构简单，调节方便，输出电压稳定性强，纹波电压小。缺点是调整管工作在甲类状态，因而功耗大，效率低（2049）；需加散热器，因而设备体积大，笨重，成本高。若调整管工作在开关状态，则势必大大减小功耗，提高效率，开关型稳压电源的效率可达7095。体积小，重量轻。适于固定的大负载电流、输出电压小范围调节的场合。,构成开关型稳压电源的基本思路,将交流电经变压器、整流滤波 得到直流电压 控制调整管按一定频率开关，得到矩形波 滤波，得到直流电压,引入负反馈，控制占空比，使输出电压稳定。,2.串联开关型稳压电路（1）基本电路 电路组成及工作原理,T截止，D导通，uE UD；L 释放能量，C 放电。,T、D 均工作在开关状态。,T饱和导通，D截止，uE UI；L 储能，C 充电。,uBUH时,uBUL时,波形分析及输出电压平均值,关键技术：大功率高频管，高质量磁性材料稳压原理：若某种原因使输出电压升高，则应减小占空比。,稳压原理,脉冲宽度调制式：PWM电路作用：UO Ton UO,其它控制方式：脉冲频率调制式：UO T（脉宽不变）UO 混合调制式：UO T Ton UO,在串联开关型稳压电路中 UO UI，故为降压型电路。,脉宽调制电路的基本原理,比较放大电路,电压比较器,调整管,UO UN1 UO1(UP2)uB1的占空比 UO,UO UN1 UO1(UP2)uB1的占空比UO,uP2与uB1占空比的关系,UP2,稳压原理：,3.并联开关型稳压电路（升压型）（1）工作原理,T截止，L产生感生电动势，D导通；UI与L所产生的感生电动势相加对C 充电。,T饱和导通，L 储能，D截止，C 对负载放电。,uBUH时,uBUL时,要研究调整管在饱和导通和截止状态下电路的工作情况。,（2）输出电压,只有L足够大，才能升压；只有C足够大，输出电压交流分量才足够小!,在周期不变的情况下，uB占空比越大，输出电压平均值越高。,（3）稳压原理,脉宽调制式：UO Ton（频率不变）UO,