模拟电子技术第23讲.ppt

在多级放大电路中，输出的信号往往是送去驱动 一定的装置。如，收音机的扬声器线圈、电动机的控 制线圈等。多级放大电路除了应有电压放大外，还要 求有一个能输出一定信号功率的输出级。,主要向负载提供一定大小的功率为目的的放大电 路称为功率放大电路。,例： 扩音系统,功率放大,电压放大,信号提取,1,8.1 功率放大电路的一般问题,1. 功放电路与普通放大电路的比较,都是能量转换电路，把直流能量转换为信号能量。,(1) 共同点：,(2) 不同点：,普通放大电路：,要求负载得到不失真电压信号，不要求输出功率；电路工作在小信号状态，研究的问题是电压放大倍数、输入和输出电阻、带宽等。,要求负载得到一定的不失真或失真较小的输出功率；电路工作在大信号状态，研究的问题是提高输出功率和效率。,电压放大电路可用微变等效电路法和图解法分析 而功率放大电路只能用图解法。,2,2.功放电路研究的主要问题,要求输出功率尽可能大;,即要求输出电流和电压都大，管子运行在极限状态。,8.1 功率放大电路的一般问题,效率是指负载得到的有用信号功率与电源供给的直流功率之比，比值越大效率越高。,功率与失真是一对矛盾，一般输出功率越大失真越严重。,功放电路中很大一部分功率被集电结消耗掉，使结温上升，为充分利用允许的管耗输出足够大的功率，散热非常重要。,为输出足够大的功率，管子承受的电压很高，通过的电流很大，管子较容易损坏。,3,8.1 功率放大电路的一般问题,.功率放大电路的类型,功率放大电路按其静态工作点在负载线上所处 位置不同，或按输入正弦信号在一个周期内功放管 的导通角来分，可分为甲类、乙类和甲乙类等类型.,输入正弦信号在一个周期内功放管均导通，或 静态工作点设置在直流负载线的中间部分，功放管 的导通角为;失真小，但效率低。,4,输入正弦信号在一个周期内功放管仅导通半个周 期，或静态工作点设置在截止区的边缘，功放管导通 角为;效率高，但严重失真。,5,输入正弦信号在一个周期内功放管导通半个多 周期，静态工作点设置在放大区但靠近截止区，导 通角为 。效率高，可以消除交越失真。,动 画,6,射极输出器 的特点：,1.电压放大倍数接近1但永远小于1;,2.输入电阻高，适合做多级放大电路的输入级;,3.输出电阻低，带负载能力强， 适合做多级放大电路的输出级;,8.2 射极输出器甲类功率放大电路实例,7,2.射极输出器作功放 电路的原理图,T：工作在放大状态 VBE=0.6V,vi：为正弦信号， 幅度比较大,v0：为输出信号， v0= vi-0.6,VOm+ = VCC - 0.2,8,8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路,8.3.1. 电路组成,T1和 T2分别为NPN 管和 PNP 管构成互补对称电路。,静态时两个管子均不取电流, 有信号时两个管子轮流导电, 各向负载提供半个周期的输出波形，从而形成一种推拉式输出结构。,+UCC和-UCC为两个电源,T1和 T2两个射极输出器组成的基本互补对称电路,vi的正半周,vi的负半周,9,8.3.2 工作原理(设ui为正弦波),1.静态分析,ui=0vic1、ic2均为0（乙类 工作状态）uo=0v,当ui 0V时,T1截止，T2导通,当ui 0V时,T1导通，T2截止,iL= ic1 ;,iL=ic2,两管交替工作得到完整的正弦波,动 画,8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路,10,(1) 静态电流 ICQ、IBQ等于零； (2) 每管导通时间为半个周期 ； (3) 存在交越失真。,特点：,交越失真：在乙类互补对称功放电路中，在两功放 管轮流导通的交接班期间出现的非线性失真。,交越失真,动 画,三极管存在着死区电压。,11,8.3.2 分析计算,ic的变化范围：Icm ，vCE的变化范围： (VCC-VCES),若忽略管子的饱和压降VCES，则Vcem=IcmRLVCC,8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路,12,当输入信号足够大时:,获得最大输出功率：,功率三角形：,13,若图T9.1所示电路中晶体管饱和管压降的数值为UCES， 则最大输出功率POM 。,14,设输出电压为：v0=Vomsint,两只管子平均管耗：,P=2PT1=2PT2,15,16,当输出电压幅度达到最大，即 Vom VCC 时，则得电源供给的最大功率为：,17,当Vom VCC 时，则效率最高：,18,例: (北方交通大学2000年研究生入学试题) 若要设计一个输出功率为10W的乙类功率放大器，则应 选择PCM至少为_W的功率管两只管子。,解：乙类功率放大器最大管耗与电路的最大输出功率的 关系是 PT1m = 0.2 Po,要求输出功率为10W,要用两个额 定管耗大于2W的管子。,19,例.如图，设BJT的100，VBE=0.7V，VCES=0.5V，ICEO=0，电容C对交流视为短路。输入信号vi为正弦波。(1) 计算电路可能达到的最大不失真输出功率Pom；(2)此时Rb应调节到什么数值？(3)此时电路的效率？试与工作在乙类的互补对称电路比较。,解.(1),v0(t)=V0+Vmsint，V0为直流分量， Vm为交流振幅,故. V0+VmVCES,故. 2VmVCC -VCES,于是Vm的有效值：,最大不失真功率：,20,例.如图，设BJT的100，VBE=0.7V，VCES=0.5V，ICEO=0，电容C对交流视为短路。输入信号vi为正弦波。(1) 计算电路可能达到的最大不失真输出功率Pom；(2)此时Rb应调节到什么数值？(3)此时电路的效率？试与工作在乙类的互补对称电路比较。,解.(2),此时临近T饱和,21,例.如图，设BJT的100，VBE=0.7V，VCES=0.5V，ICEO=0，电容C对交流视为短路。输入信号vi为正弦波。(1) 计算电路可能达到的最大不失真输出功率Pom；(2)此时Rb应调节到什么数值？(3)此时电路的效率？试与工作在乙类的互补对称电路比较。,解.(3),远远小于乙类功率放大的78.5,22,例.如图，已知VCC=12V，RL=16，vi为正弦波，(1) 在BJT的饱和压降可以忽略不计的情况下，负载上可能得到的最大输出功率Pom， (2)每只管子允许的管耗PCM至少应为多少？(3)每个管子的耐压应为多大？,解.(1),(2)每只管子允许的管耗PCM至少应为多少,(3)每个管子的耐压应为多大？,23,1.功率管集电极的最大允许功耗,8.3.3 功率BJT的选择,如果要求输出功率为10W，则只要用两个额定 管耗大于2W的管子就可以了。,8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路,2.功率管的最大耐压,3.功率管的最大集电极电流,24,8.3.3 功率BJT的选择,8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路,例. 如图,设VCC=12V,RL=8，BJT的极限ICM=2A，V(BR)CEO=30V PCM=5W，(1)求POm指出BJT是否安全。(2)=0.6时的PO。,解.1） POm,BJT是否安全要看实际iCM和vCEM是否超过极限参数,BJT是安全的,25,8.3.3 功率BJT的选择,8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路,例. 如图,设VCC=12V,RL=8，BJT的极限ICM=2A，V(BR)CEO=30V PCM=5W，(1)求POm指出BJT是否安全。(2)=0.6时的PO。,解.2）,根据,26,8.4甲乙类互补对称功率放大电路,为了克服乙类互补对称功放电路中出现的交越失 真，需要给两只功放管一个静态偏置小电流，使两只 功放管静态时处于微导通状态，其静态工作点设置在 放大区但靠近截止区。,电路一,利用二极管提供偏置电压,T3：前置电压放大级,预功放级,静态时，在D1、D2上产生的压降为T1、T2提供一个合适的偏压，使之处于微导通状态。但因电路对称使ic1=ic2，iL=0，v0=0,27,利用三极管恒压源提供偏置,T1：前置电压放大级,预功放级,Rc1、R1 、R2 、T4组成偏置电路，给T2、T3提供适当偏压，使之静态时工作在微导通状态,8.4甲乙类互补对称功率放大电路,28,8.4甲乙类互补对称功率放大电路,8.4.1甲乙类双电源互补对称电路,例: 某互补对称电路如图所示，已知三极管T1 、T2的饱和压降为VCES =1V, VCC=18V,RL= 8. (1)计算电路的最大不失真输出功率Pomax； (2)计算电路的效率； (3)求每个三极管的最大管耗PT； (4)为保证电路正常工作， 所选三极管U(BR)CEO和 CM应为多大；,29,解.,30,8.4甲乙类互补对称功率放大电路,8.4.1甲乙类双电源互补对称电路,例: 某互补对称电路如图所示，已知三极管T1 、T2的饱和压降为VCES =1V, VCC=18V,RL= 8. (3)求每个三极管的最大管耗PT； (4)为保证电路正常工作，所选三极管 U(BR)CEO和CM应为多大；,(4)当一个管子处于饱和状态，另一个管子 c、e间承受的电压接近2VCC所以，,解.,31,8.4.2甲乙类单电源互补对称电路(OTL),1.电原理图,T1、T2：,两支互补对称管；,R1、R2、R3、D1、D2：,组成偏置电路，静态时使功放管处于微导通状态，消除交越失真；,为容量较大的电容器： 用来作为T2导通时的电源。,C：,8.4甲乙类互补对称功率放大电路,32,静态分析,因电路对称，静态时两个晶体管发射极连接点电位为电源电压的一半，负载中没有电流。,电容C两端的电压:,33,动态分析,ui0T1导通，T2截止在负载上有正半周的电流通过。,ui0T1截止，T2导通在负载上有负半周的电流通过。,IB1,IB2,34,将双电源该为单电源后， 应将VCC改为VCC/2。,如：,35,例: (北京邮电大学1999年研究生入学试题) OTL互补对称功放如 图所示，设电容 C足够大，三极管的饱和电压降VCES=1V,RL=8问：,(1)按功放分类，T1, T2的工作方式为那种； (2)电阻R1和D1、D2的作用； (3)电位器RW的作用； (4)负载RL得到的最大不失真输出功率Pomax。,甲乙类,解.(1),(2)为T1、T2管提供静态偏置电压，动态情况下可消除 Ui幅度较小时由于三极管的死区而引起的交越失真。,(3)调节电位器使三极管T1、T2的基极B1、B2间有一合适的电流D和压降VB1B2,压降确保T1、T2 管在静态时处于导通状态。,(4),36,集成功率放大器广泛用于音响、电视和小电机的驱动方面。集成功放是在集成运算放大器的电压互补输出级后，加入互补功率输出级而构成的。大多数集成功率放大器实际上也就是一个具有直接耦合特点的运算放大器。它的使用方法原则上与集成运算放大器相同。,8.5集成功率放大电路,37,8.5.1 功率器件的散热问题,集成功放使用时不能超过规定的极限参数，极限参数主要有功耗和最大允许电源电压。集成功放要加有足够大的散热器，保证在额定功耗下温度不超过允许值。,8.5集成功率放大电路,2.通常的散热措施是给功放管加装散热片。,3.散热片（板）是铜、铝等导热性能良好的金属材料制成的，尺寸越大散热能力越强，使用时可根据散热要求的不同来选配。,38,为了适用大功率的要求，开发了一种V形开槽 的纵向MOS，称VMOS；随后又出现了一种更新的 双扩散MOS，称DMOS。,39,2.DMOS,40,2.VMOS和DMOS器件的优点,(1)与MOS器件一样是电压控制电流器件，输入阻抗极 高，因此所需驱动电流极小，功率增益高；,(2)VMOS不会出现热击穿，温度稳定性好；,(3)高频特性好；,(4)导通电阻rDS小；,41,8.5.3 以MOS功率管作输出级的甲乙类功率放大器,SHM1150II BiMOS集成功率放大器,v01,v02,v02,v01-v02,8.5集成功率放大电路,42,12V 50V,POmax 150W,43,=22V,8.5.4 BJT集成功率放大器举例,LM380 集成音频功率放大器,8.5集成功率放大电路,44,=22V,8.5.4 BJT集成功率放大器举例,LM380 集成音频功率放大器,8.5集成功率放大电路,45,1功率放大器的特点：工作在大信号状态下，输出电压和输出电流都很大。要求在允许的失真条件下，尽可能提高输出功率和效率。,2为了提高效率，在功率放大器中，BJT常工作在乙类和甲乙类状态下，并用互补对称结构使其基本不失真。这种功率放大器理论上的最大输出效率可以达到78.5。,3互补对称功率放大器的几种主要结构： OCL（双电源）乙类、甲乙类。 OTL（单电源）乙类、甲乙类。,小 结,46,例1互补对称功放电路如图，VCC=-VEE=20V ,RL=8，T1与T2管的VCES=2V 1)当T3输出信号VO3=10V有效值时，计算 电路的输出功率、管耗、直流电源供给功 率和效率。 2)该电路不失真的最大输出功率、效率和 所需VO3有效值是多少？,解 1) T3的输出VO3也就是OCL的输入信号,10v,输出功率:,直流电源供给功率:,每支管子的管耗:,效率:,47,例1互补对称功放电路如图，VCC=-VEE=20V ,RL=8，T1与T2管的VCES=2V 1)