电容自举电路电路图大全(六款电容自举电路设计原理图详解)

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电容自举电路电路图大全(六款电容自举电路设计原理图详解)

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自举电路是指用电容器使放大电路中某部分产生自举现象,从而达到提高电路的增益和扩展电路的输出动态范围,使电容放电电压和电源电压叠加,从而使电压升高.有的电路升高的电压能达到数倍电源电压。

工作原理

图1是一个简单的电路,由欧姆定律可知,电阻R上流过电流为I=Va/R,如果我们在图1这个电路的基础上增加一级射极跟随电路,如图2所示,由于射极跟随电路的电压放大倍数小于1,但又非常接近于1,假设射极跟随电路的电压放大倍数为0.95,则三极管的Ve=0.95VB,由于电容C对交流而言,相当于短路,所以B点的电压VB等于发射极电压,即VB=VE,而点A的电压就是VB,所以此时流过电阻R的电流为:

电容自举电路电路图大全(六款电容自举电路设计原理图详解)

从以上可见,由于电容C的作用,流过电阻R的电流仅为原来的1/20.对局部电路而言,也就是相当于大怒R增大了20倍,从而实现了电路参数的自举。所以能自举,是由于电容C的加入。结论就是:电路的自举就是利用电路中不同节点的电位差,通过电容的反馈作用来改变电路某一点的点位,使电路中的电位发生改变,从而减少流过电阻中的电流,使得电阻两端的等效电阻值变大,达到提高电路增益的目的,若从反馈的角度来看自举,实质上是一种特殊形式的正反馈。

电容自举电路电路图(一)

电容自举电路电路图大全(六款电容自举电路设计原理图详解)

在图中,当vI =0时,vD=VD=VCC-Ic3R3 ,而vK=VK=VCC/2,因此电容C3两端电压被充电到VC3=VCC/2-Ic3R3。

当时间常数R3C3足够大时,vC3(电容C3两端电压)将基本为常数(vC3 »VC3),不随vi而改变。这样,当vi为负时,T1导电,vK将由VCC/2向更正方向变化,考虑到vD=vC3+vK=VC3+vK ,显然,随着K点电位升高,D点电位vD也自动升高。因而,即使输出电压幅度升得很高,也有足够的电流iB1,使T1充分导电。这种工作方式称为自举,意思是电路本身把vD提高了。

电容自举电路电路图(二)

对JFET放大器的衬底进行自举的减小又JFET输入电容的非线性引起的失真,在这个电路中,第二反馈分压器使U1的衬底自举,当R1=500KM(源阻抗)时,在10KHz上的总谐波失真(THD)减小了个数量级。

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电容自举电路电路图(三)

OTL功率放大器中要设自举电路,图3所示是自举电路。电路中的C1,R1和R2构成自举电路。C1为自举电容,R1O 隔离电阻,R2将自举电压加到VT2基极。B140-13-F VT1集电极信号为正半周期间VT2导通、放大,当输入VT2基极的信号比较大时,VT2基极信号电压大,由于VT2发射极电压跟随基极电压,VT2发射极电压接近直流工作电压+V,造成VT2集电极与发射极之间的直流工作电压减小,VT2容易进入饱和区,使三极管基极电流不能有效地控制集电极电流。

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图3

(1)换句话讲,三极管集电极与发射极之间直流工作电压减小后,基极电流增大许多才能使三极管集电极电流有一些增大,显然使正半周大信号输出受到抑制,造成正半周大信号的输出不足,必须采取自举电路来加以补偿。自举电路实质是在放大器的局部引入正反馈。

(2)自举电路静态分析。静态时,直流工作电压+V经Rl对Cl充电,使Cl上充有上正下负的电压UC1,这样电路中B点的直流电压等于A点的直流电压加上UC1,B点的直流电压高于A点电压。

(3)自举过程分析。加入自举电路后,由于Cl容量很大,它的放电回路时间常数很大,使Cl上的电压Uci基本不变。正半周大信号出现时,A患电压升高导致B点电压也随之升高。电路中,B点升高的电压经R2加到VT2基极,使VT2基极上的信号电压更高(正反馈过程),有更大的基极信号电流激励VT2,使VT2发射极输出信号电流更大,补偿VT2集电极与发射极之间直流工作电压下降而造成的输出信号电流不足。

(4)隔离电阻作用。自举电路中,Rl用来将B点的直流电压与直流工作电压+V隔离,使B点直流电压有可能在某瞬间超过+ Vo当VT2中正半周信号幅度很大时,A点电压接近+V,B点直流电压更大,并超过+V,此时B点电流经Rl流向电源+V(对直流电源+V充电)。如果没有电阻Rl的隔离作用(分析视Rl短接),则B点直流电压最高为+V,而不可能超过+V,此时无自举作用。可见设置隔离电阻Rl后,大信号时的自举作用更好。

电容自举电路电路图(四)

(1)存在问题

上述情况是理想的。实际上,图1的输出电压幅值达不到Vom= Vom/2,这是因为当vi为负半周时,T1导电,因而iB1增加,由于RC3上的压降和VBE1的存在,当K点电位向+VCC接近时,T1的基流将受限制而不能增加很多,因而也就限制了T1输向负载的电流,使RL两端得不到足够的电压变化量,致使Vom明显小于VCC/2。

2)改进办法

如果把图1中D点电位升高, 使VD>+VCC, 例如将图中D点与+VCC的连线切断,VD由另一电源供给,则问题即可以得到解决。通常的办法是在电路中引人R3、C3等元件组成的所谓自举电路,如图1所示。

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(3)自举电路的作用

静态时

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当R3C3足够大时,VC3不随vi变化,可认为基本不变。这样,当vi为负时,T1导电, vK将由VCC/2向更正方向变化, 考虑到vD=vC3+vK= VC3+vK,显然,随着K点电位升高,D点电位vD也自动升高。 因而,即使输出电压幅度升得很高,也有足够的电流iB1,使T1充分导电。这种工作方式称为自举,意思是电路本身把vD提高了。

电容自举电路电路图(五)

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工作情况分析

电容自举电路电路图大全(六款电容自举电路设计原理图详解)

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电容自举电路电路图(六)

本项目的IPM型号选用IGCM20F60GA。图2是IPM自举电路原理图。由图2可知,自举元件一端接电路的输入部分,另一端接到同相位的输出电路部分,借输入、输出的同相变化,把自己抬举起来,即自举元件引入的是正极性的反馈。

电容自举电路电路图大全(六款电容自举电路设计原理图详解)

对原理图中第一路自举电路进行分析。IPM模块自举电路仅由自举电阻R62、自举二极管D9和自举电容E1组成,因此简单可靠。其电路基本工作过程为:当VS因为下桥臂功率器件导通被拉低到接近地电位GND时,控制电源VCC会通过R62和D9给自举电容E1充电。当上桥臂导通,VS上升到直流母线电压后,自举二极管D9反向截止,从而将直流母线电压与VCC隔离,以防止直流母线侧的高压串到控制电源低压侧而烧坏元器件。此时E1放电,给上桥臂功率器件的门极提供驱动电压。当VS再次被拉低时,E1将再次通过VCC充电以补充上桥臂导通期间E1上损失的电压。这种自举供电方式就是利用VS端的电平在高低电平之间不停地摆动来实现的。如图2所示,自举电路给E1充电,E1的电压基于上桥臂输出晶体管源极电压上下浮动。

由于运行过程中反复地对自举电容进行充放电,因此必须选择适当的参数,保证自举电容上的电压在电机运行时保持高于欠压锁定电平。

由上述分析可知,要保证E1的跌落电压能够得到及时、完全的补充,自举电路对下桥臂最小导通时间有一定的要求。但是若能正确选择各元器件参数,自举电路对下桥臂最小导通时间的限制将会大大降低。

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