《功率放大电路》PPT课件.ppt

2019/8/4,1,8.1 功率放大电路的一般问题,8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路,8.4 甲乙类互补对称功率放大电路,8.2 射极输出器甲类放大的实例,功率放大电路,2019/8/4,2,2,本章主要讲述功率放大电路的基本原理和基本分析方法。重点掌握功率放大电路的有关基本概念：晶体管的甲类、乙类和甲乙类工作状态，最大输出功率，转换效率，交越失真等；掌握OCL的工作原理，并估算最大输出功率和效率；正确理解功率放大电路的组成原则，了解功放管的选择方法。,内容简介,2019/8/4,3,8.1 功率放大电路的一般问题,2. 功率放大电路提高效率的主要途径,1. 功率放大电路的特点及主要研究对象,2019/8/4,4,1. 功率放大电路的特点及主要研究对象,(1) 功率放大电路的主要特点,功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。因此，要求同时输出较大的电压和电流。管子工作在接近极限状态。,(2) 要解决的问题,提高效率,减小失真,管子的保护,一般直接驱动负载，带载能力要强。,4,（3）管子工作在接近极限状态。有时是双重保护，也保护使用者。,（1）在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的输出功率（P0大时，效率影响大）；,（2）工作于大信号状态容易产生非线性失真。,2019/8/4,5,5,无本质的区别，都是能量的控制与转换。不同之处在于，各自追求的指标不同：电压放大电路追求不失真的电压放大倍数；功率放大电路追求尽可能大的不失真输出功率和转换效率。,主要技术指标,（1）最大输出功率Pom ：在电路参数确定的情况下负载可能获得的最大交流功率。,分析方法,工作于大信号状态，功放管的非线性不可忽略，宜采用图解分析法。,（2）转换效率 ：最大输出功率与电源提供的功率之比，即,思考题：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？,指标,如：企业与学校，都有“产品”，目标不同,2019/8/4,6,2. 功率放大电路提高效率的主要途径,降低静态功耗，即减小静态电流。,四种工作状态,根据正弦信号整个周期内三极管的导通情况划分,乙类：导通角等于180,甲类：一个周期内均导通,甲乙类：导通角大于180,丙类：导通角小于180,2019/8/4,7,2019/8/4,7,三极管根据正弦信号整个周期内的导通情况，可分为几个工作状态：,乙类： = 180,甲类： = 360,甲乙类：180 360,丙类： 180,思考题：功率放大电路中电源的功率除了提供给负载外，其余的消耗在什么地方？,思考题：功放中的功放管采用哪种工作状态最合适？,提高功放效率的根本途径是减小有源器件（功放管）的静态功耗。,2. 晶体管的工作状态,采用甲乙类工作状态最合适，因为甲类效率太低，丙类失真太大，乙类会产生交越失真。,有时用半导通角,工作状态分析,消耗在功放管的静态功耗。,2019/8/4,8,8,复习：R的电源供给功率图-耗能元件,2019/8/4,9,9,复习：L 的电源供给功率图-P=0，储能元件,2019/8/4,10,10,10,图 功率放大器工作状态的分类 （a） 甲类; （b） 乙类; （c） 甲乙类,本质： 静态工作点不同，-偏置不同,甲、乙类、甲乙类示意图,2019/8/4,11,11,甲乙丙状态的转移特性,甲类的输出特性,思考：图中那些曲线应该用虚线表示,乙类： = 180,甲类： = 360,甲乙类：180 360,丙类： 180,2019/8/4,12,12,12,输出波形示意图,不同状态本质：静态工作点不同，-静态偏置不同,2019/8/4,13,13,(b)乙类 class-B amplifier,(c)甲乙类 class-AB amplifier,(d)丙类 class-C amplifier,4. 分类,(a)甲类 class-A amplifier,四类电路的效率示意图,由图知：黄色为电源输出平均功率，四类电路 静态（平均）功耗逐步减小，效率提高。,2019/8/4,14,14,14,几类放大器的特点,甲类放大器的工作点设置在放大区的中间, 这种电路的优点是在输入信号的整个周期内三极管都处于导通状态, 输出信号失真较小（前面讨论的电压放大器都工作在这种状态）, 缺点是三极管有较大的静态电流ICQ , 这时管耗PC大, 电路能量转换效率低。 乙类放大器的工作点设置在截止区, 这时, 由于三极管的静态电流ICQ =0, 所以能量转换效率高, 它的缺点是只能对半个周期的输入信号进行放大, 非线性失真大。 甲乙类放大电路的工作点设在放大区但接近截止区, 即三极管处于微导通状态, 这样可以有效克服乙类放大电路的失真问题, 且能量转换效率也较高, 目前使用较广泛。,2019/8/4,15,8.2 射极输出器甲类放大的实例,简化电路,带电流源详图的电路图,2019/8/4,16,电压与输入电压的关系,设T1的饱和压VCES0.2V,vO正向振幅最大值,vO负向振幅最大值,若T1首先截止,若T3首先出现饱和,8.2 射极输出器甲类放大的实例,2019/8/4,17,8.2 射极输出器甲类放大的实例,VBIAS=0.6V,当,放大器的效率,效率低，最高为50%,分子为最大输出功率，分母为VCC和VEE的功耗，详细见书P385,2019/8/4,18,2019/8/4,18,18,由上式可知，功率放大器工作在甲类状态时，其电源供给的功率PU与输出信号电流 iC无关，仅与电源电压UCC及静态电流ICQ有关（见R示意图）。也就是说，无论有无信号输入输出，电源供给的功率是固定不变的。由此也可得出，这类功放电路的输出功率越大，电路的效率就越高(已知P=IV)。当电路输出最大不失真功率时效率最高，（此时，静态工作点在正中，输出信号I与U的最大值就是UCC与ICQ，所以最大不失真功率为0.5 UCCICQ ），其值为 -m= 此式说明-甲类功率放大器的最高效率为50%，实际效率要低得多。 2、如果要增大输出功率, 在回路等效总电阻不变的情况下：需增大Ic1m；如果要提高效率, 需增大Ic1m或减小IC0(减小IC0即减小集电极功耗, 通过降低静态工作点获得）,甲类放大小结（效率),PU=P0+PC,2019/8/4,19,8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路,8.3.2 分析计算,8.3.1 电路组成,8.3.3 功率BJT的选择,8.3.4 具体功率放大电路,2019/8/4,20,20,20,原因： 在甲类放大中，静态电流ICQ是造成管耗高、效率低的主要原因。降低静态电流， 使管子工作于乙类状态，可以减少管耗、提高效率，但这样会使输出波形被削掉一半，出现严重失真。若采用工作于乙类的推挽功率放大器，既可提高效率， 同时又能减少波形失真,2019/8/4,21,8.3.1 电路组成,由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成，采用正、负双电源供电。这种电路也称为OCL互补功率放大电路。,1. 电路组成,2. 工作原理,两个三极管在信号正、负半周轮流导通，使负载得到一个完整的波形。,2019/8/4,22,8.3.2 分析计算,图解分析,2019/8/4,23,23,乙类输出波形示意图,2019/8/4,24,24,在甲类工作状态时, 最高效率为50%。 在乙类工作状态时, 集电极电流是在半个周期内导通的尖顶余弦脉冲, 可以用傅氏级数展开为: iC=IC0+Ic1mcos 0t+Ic2mcos20t+,=,其中ICm是尖顶余弦脉冲的高度, 即集电极电流最大值。 由此 可求得在Ucm=VCC时的最高效率(P0/PD),=,乙类效率分析,2019/8/4,25,1. 最大不失真输出功率Pomax,实际输出功率,8.3.2 分析计算,忽略VCES时,2019/8/4,26,8.3.2 分析计算,单个管子在半个周期内的管耗,2. 管耗PT,两管管耗,2019/8/4,27,3. 电源供给的功率PV,当,4. 效率,当,8.3.2 分析计算,2019/8/4,28,1. 最大管耗和最大输出功率的关系,因为,8.3.3 功率BJT的选择,当 0.6VCC 时具有最大管耗,0.2Pom,选管依据之一,2019/8/4,29,功率与输出幅度的关系,8.3.3 功率BJT的选择,2. 功率BJT的选择 （自学）,end,2019/8/4,30,30,无输出电容（OCL）乙类互补对称功率放大电路,优点：直接耦合，频率特性好。,缺点：双电源供电。,1. 电路组成及工作原理 双电源乙类互补功率放大电路。 这类电路又称无输出电容的功率放大电路, 简称OCL电路。V1为NPN型管,V2为PNP型管,两管参数对称。,Output Capacitor Less的缩写，意为无输出电容,8.3.4 具体功率放大电路,2019/8/4,31,31,31,OCL电路工作过程分析,1） 静态分析 当输入信号ui=0时, 两三极管都工作在截止区, 此时IBQ、 ICQ、 IEQ均为零, 负载上无电流通过, 输出电压uo=0。 2） 动态分析 （1） 当输入信号为正半周时, ui0, 三极管V1导通, V2截止, V1管的射极电流ie1经CC自上而下流过负载, 在RL上形成正半周输出电压, uo0。 （2） 当输入信号为负半周时, ui0, 三极管V2导通, V1截止, V2管的射极电流ie2经CC自下而上流过负载, 在RL上形成负半周输出电压, uo0。,2019/8/4,32,2019/8/4,32,32,图 双电源乙类互补对称功率放大器,OCL电路工作示意图,2019/8/4,33,8.4 甲乙类互补对称功率放大电路,8.4.2 甲乙类单电源互补对称电路,8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路,2019/8/4,34,8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路,乙类互补对称电路存在的问题,2019/8/4,35,2019/8/4,35,35,演示 演示电路如（a）图, 在放大器的输入端加入一个1000 Hz正弦信号, 用示波器观察输出端的信号波形, 发现输出波形在正、 负半周的交界处发生了失真, 观察到的输出波形如图 (b)所示。,交越失真现象演示,2019/8/4,36,36,36,产生交越失真的原因,为了解决交越失真, 可给三极管加适当的基极偏置电压, 使之工作在甲乙类工作状态, 如图所示。,在乙类互补对称功率放大电路中, 没有施加偏置电压, 静态工作点设置在零点, UBEQ=0, IBQ=0, ICQ=0, 三极管工作在截止区。 由于三极管存在死区电压, 当输入信号小于死区电压时, 三极管V1、 V2仍不导通, 输出电压uo为零, 这样在输入信号正、 负半周的交界处, 无输出信号, 使输出波形失真, 这种失真叫交越失真。,2019/8/4,37,37,甲乙类OCL功率放大电路的组成及工作原理,因为在ui 为0时，晶体管已经处于微导通状态，其导通角大于180o，所以晶体管处于甲乙类工作状态。,思考题： ui可以从A或B点接入吗？,8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路1,2019/8/4,38,8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路,1. 静态偏置,可克服交越失真,2. 动态工作情况,二极管等效为恒压模型,设T3已有合适 的静态工作点,交流相当于短路,2019/8/4,39,39,39,图 甲乙类互补对称功率放大电路 2,8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路2,2019/8/4,40,VBE4可认为是定值,R1、R2不变时，VCE4也是定值，可看作是一个直流电源。,8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路3,2019/8/4,41,8.4.2 甲乙类单电源互补对称电路4,静态时，偏置电路使 VKVCVCC/2（电容C充电达到稳态）。,当有信号vi时 负半周T1导通，有电流通过负载RL，同时向C充电,正半周T2导通，则已充电的电容C通过负载RL放电。,只要满足RLC T信，电容C就可充当原来的VCC。,计算Po、PT、PV和PTm的公式必须加以修正，以VCC/2代替原来公式中的VCC。,2019/8/4,42,42,OTL乙类互补对称功率放大电路,优点：单电源供电。,缺点：低频特性差。,静态时：基极电位为Vcc/2（分析见书P393），由于电容C 的容量足够大，若初始电压为0，则基极电压通过T1管发射结向电容C充电，直至近似为Vcc/2为止。 输入信号正半周电源Vcc向T1管供电；输入信号负半周，电容C上存储的电压Vcc/2向T2管供电。,OutputTransformerLessAmplifier 无输出变压器（书P393）,2019/8/4,43,43,本讲主要掌握以下内容： 功率放大电路的特点和组成原则：输出尽可能大的不失真信号功率和具有尽可能大的转换效率； 晶体管的工作状态：甲类、乙类和甲乙类；工作状态的本质是什么？理想效率的计算（50%，78%，65%）。 OCL电路的定义，工作原理、交越失真和解决，优缺。 了解OTL电路的定义，工作原理，优缺.,小结,2019/8/4,44,44,无本质的区别，都是能量的控制与转换。不同之处在于，各自追求的指标不同：电压放大电路追求不失真的电压放大倍数；功率放大电路追求尽可能大的不失真输出功率和转换效率。,主要技术指标,（1）最大输出功率Pom ：在电路参数确定的情况下负载可能获得的最大交流功率。,分析方法,工作于大信号状态，功放管的非线性不可忽略，宜采用图解分析法。,（2）转换效率 ：最大输出功率与电源提供的功率之比，即,思考题：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？,指标,如：企业与学校，都有“产品”，目标不同,2019/8/4,45,1. 功率放大电路的特点及主要研究对象,(1) 功率放大电路的主要特点,功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。因此，要求同时输出较大的电压和电流。管子工作在接近极限状态。,(2) 要解决的问题,提高效率,减小失真,管子的保护,一般直接驱动负载，带载能力要强。,45,（3）管子工作在接近极限状态。有时是双重保护，也保护使用者。,（1）在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的输出功率（P0大时，效率影响大）；,（2）工作于大信号状态容易产生非线性失真。,2019/8/4,46,功率放大电路提高效率的主要途径,降低静态功耗，即减小静态电流。,四种工作状态,根据正弦信号整个周期内三极管的导通情况划分,乙类：导通角等于180,甲类：一个周期内均导通,甲乙类：导通角大于180,丙类：导通角小于180,2019/8/4,47,47,(b)乙类 class-B amplifier,(c)甲乙类 class-AB amplifier,(d)丙类 class-C amplifier,4. 分类,(a)甲类 class-A amplifier,四类电路的效率示意图,由图知：黄色为电源输出平均功率，四类电路 静态（平均）功耗逐步减小，效率提高。,2019/8/4,48,48,48,几类放大器的特点,甲类放大器的工作点设置在放大区的中间, 这种电路的优点是在输入信号的整个周期内三极管都处于导通状态, 输出信号失真较小（前面讨论的电压放大器都工作在这种状态）, 缺点是三极管有较大的静态电流ICQ , 这时管耗PC大, 电路能量转换效率低。 乙类放大器的工作点设置在截止区, 这时, 由于三极管的静态电流ICQ =0, 所以能量转换效率高, 它的缺点是只能对半个周期的输入信号进行放大, 非线性失真大。 用互补电路弥补。 甲乙类放大电路的工作点设在放大区但接近截止区, 即三极管处于微导通状态, 这样可以有效克服乙类放大电路的交越失真问题, 且能量转换效率也较高, 目前使用较广泛。,2019/8/4,49,四类电路分析： a与b比静态（平均）功耗减小，输出功率不变，效率提高 c与d比静态（平均）功耗不变，输出功率提高，效率提高,2019/8/4,50,乙类电路组成,由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成，采用正、负双电源供电。这种电路也称为OCL互补功率放大电路。,1. 电路组成,2. 工作原理,两个三极管在信号正、负半周轮流导通，使负载得到一个完整的波形。,正半周,负半周,2019/8/4,51,51,乙类输出波形示意图-两管轮流导通，合成完整波形,2019/8/4,52,52,无输出电容（OCL）乙类互补对称功率放大电路,优点：直接耦合，频率特性好。,缺点：双电源供电。,电路组成及工作原理 双电源乙类