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9 1概述 9 2甲类功率放大器 9 4甲乙类功率放大器电路 9 5甲乙类单电源功率放大器 第九章功率放大电路 9 3乙类功率放大器 例 扩音系统 什么是功率放大电路 在电子系统中 模拟信号被放大后 往往要去推动一个实际的负载 如使扬声器发声 继电器动作 仪表指针偏转等 推动一个实际负载需要的功率很大 以输出较大功率为目的的放大电路称为功率放大电路 9 1概述 功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路 为了获得大的输出功率 必须使 输出信号电压大 输出信号电流大 放大电路的输出电阻与负载匹配 一 功放电路的特点和要求 1 输出功率尽可能大 在大功率三极管的输出特性中 除了与普通三极管一样分有放大区 饱和区 截止区外 从使用和安全角度还分有过电流区过电压区过损耗区它们的位置如图所示 过电流区是由最大允许集电极电流确定的 超过此值 将明显下降 过电压区由c e间的击穿电压U BR CEO所决定 过损耗区由集电极功耗PCM所决定 三极管的极限工作区 2 非线性失真要小 3 效率要高 4 功放管散热和保护问题不可忽视 5 分析方法 放大电路输出给负载的功率是由直流电源提供的 若效率不高 则能量浪费 管子温度升高 减短管子的寿命 二 分类 甲类功放 在一个信号周期内都有电流流过晶体管管子的导通角为360o静态电流大于0 管耗大 效率低 乙类功放 管子只有半个周期内导通管子的导通角为180o静态电流等于0 效率高 甲乙类功放 管子的导通时间大于半个周期但是小于一个周期 比半个周期稍多些 丙类功放 管子导通时间小于半个周期 9 2甲类功率放大器 可获得的最大交流功率为 RL选择很重要 实际RL都偏小要得到合适RL 就需要进行阻抗匹配 变压器可实现 直流电源提供的直流功率 集电极电阻RC的功率损耗 晶体管集电极耗散功率 变压器耦合功率放大器 结论 输入信号越大 输出功率越大 输出功率 电源提供的功率 结论 有无信号时电源供给的功率都相同 因此输出功率小时 管耗大 无信号时 有信号时 效率 静态时管耗最大 即 最高效率 功放管的选择 三极管的极限工作区 小结 1 输入信号越大 Po 越大 2 Po越小 管耗越大 静态管耗最大 等于电源供给功率 3 甲类功放最高效率为50 4 要管子安全工作的重要参数是PCM ICM和U BR CEO 5 效率低的主要原因是静态损耗大 甲类功率放大器存在的缺点 输出功率小静态功率大 效率低 9 3乙类功率放大器 一 电路组成 结构特点 互补对称 电路中采用两个晶体管 NPN PNP各一支 两管特性一致 组成互补对称式射极输出器 互补推挽电路 无输出电容乙类互补功率放大电路 OCL电路 P168及486 二 工作原理 设ui为正弦波 静态时 ui 0V ic1 ic2均 0 乙类工作状态 uo 0V 动态时 ui 0V T1截止 T2导通 ui 0V T1导通 T2截止 iL ic1 iL ic2 T1 T2两个管子交替工作 在负载上得到完整的正弦波 u u V CC V CC o i L R 当输入信号处于正半周时 且幅度远大于三极管的开启电压 此时NPN型三极管导电 有电流通过负载RL 按图中方向由上到下 与假设正方向相同 当输入信号为负半周时 且幅度远大于三极管的开启电压 此时PNP型三极管导电 有电流通过负载RL 按图中方向由下到上 与假设正方向相反 于是两个三极管一个正半周 一个负半周轮流导电 在负载上将正半周和负半周合成在一起 得到一个完整的不失真波形 三 分析计算 P488 Icm2 ic的最大变化范围为 uCE的最大变化范围为 1 输出功率 2 电源功率PV 直流电源提供的功率为半个正弦波的平均功率 信号越大 电流越大 电源功率也越大 即PV Uom 当Uom趋近VCC时 显然PV近似与电源电压的平方成比例 乙类互补功放电路的管耗 3 三极管的管耗PT电源输入的直流功率 有一部分通过三极管转换为输出功率 剩余的部分则消耗在三极管上 形成三极管的管耗 显然 将PT画成曲线 如图所示 一个管子的管耗 两管管耗 u u V CC V CC o i L R 三极管的最大管耗 问 Uom PT1最大 PT1max 用PT1对Uom求导 并令导数 0 得出 PT1max发生在Uom 0 64VCC处 将Uom 0 64VCC代入PT1表达式 4 效率 最高效率 max 选功率管的原则 1 每只管子的最大允许管耗必须大于0 2倍的最大输出功率 2 三极管的极限工作区 3 即 小结 1 乙类功放两管轮流工作 2 3 当IB 0时 严格说 输入信号很小时 达不到三极管的开启电压 三极管不导电 因此在正 负半周交替过零处会出现一些非线性失真 这个失真称为交越失真 乙类互补对称功放的缺点 输入输出波形图 死区电压 u u V CC V CC o i L R 存在交越失真 消除交越失真的OCL电路 静态时 T1 T2两管发射结电压分别为二极管D1 D2的正向导通压降 致使两管均处于微弱导通状态 甲乙类工作状态 动态时 设ui加入正弦信号 正半周T2截止 T1基极电位进一步提高 进入良好的导通状态 负半周T1截止 T2基极电位进一步降低 进入良好的导通状态 1 基本原理 9 4甲乙类功率放大器电路 一 甲乙类双电源互补对称电路 电路中增加R1 R2 D1 D2 R3支路 波形关系 特点 存在较小的静态电流ICQ IBQ 每管导通时间大于半个周期 基本不失真 利用uBE扩大电路进行偏置的互补对称电路 二 复合管互补功率放大电路 1 复合管 P123 IB IE IC1 IC2 IE1 IB2 推动管 输出管 IC 增加复合管的目的 扩大电流的驱动能力 1 2 晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定 复合NPN型 复合PNP型 复合管的特点 复合管的 是两个管 1 2的乘积 复合管的管型取决于推动管 使用复合管时 要注意的问题是 输出管的输入电流应与推动管的输出电流一致 2 带复合管的OCL互补输出功放电路 T1 电压推动级 前置级 T2 R1 R2 UBE扩大电路 T3 T4 T5 T6 复合管构成互补对称功放 输出级中的T4 T6均为NPN型晶体管 两者特性容易对称 合理选择R1 R2 b3 b5间可得到UBE2任意倍的电压 v v L R T 3 T T 6 5 o T 4 1 T 2 T i 3 R R 1 2 R 9 5甲乙类单电源功率放大器 一 单电源OTL互补功率放大电路 P485 它由一对NPN PNP特性相同的互补三极管组成 这种电路也称为OTL互补功率放大电路 1 电路组成 2 工作原理 动态时 当输入信号处于正半周时 T1导通 T2截止 ie1流过负载 产生uo 同时对电容充电 当输入信号为负半周时 T1截止 T2导通 电容放电 产生电流ie2通过负载RL 按图中方向由下到上 与假设正方向相反 UB UA 静态时 UB UA VCC 2 T1 T2截止 即处于乙类工作状态 电容两端的电压为VCC 2 于是两个三极管一个正半周 一个负半周轮流导电 在负载上将正半周和负半周合成在一起 得到一个完整的不失真波形 例题 在OTL和OCL电路中 VCC均为15V RL 10 UCES 1V 分别求两电路最大不失真输出时的最大输出功率 电源提供的功率 效率 解 在OTL电路中 最大不失真输出时最大输出功率为 电源提供的功率和效率为 在OCL电路中 最大不失真输出时最大输出功率为 电源提供的功率和效率为 1 结构特点 单电源供电 输出加有大电容 2 基本原理 二 甲乙类单电源互补对称电路 调整RW阻值的大小 可使 此时电容上电压 u u T T 1 3 2 4 T T C 8 R V CC 1 R 2 R R L R 5 R 6 W R U P i O 1 静态偏置 2 动态分析 电容起到了负电源的作用 ui负半周时 T1导通 T2截止 ui正半周时 T1截止 T2导通 u u T T 1 3 2 4 T T C 8 R V CC 1 R 2 R R L R 5 R 6 W R U P i O 3 输出功率及效率 vo 若忽略交越失真的影响 则 例题 如图所示电路中 已知Vcc 15V 输入电压为正弦波 晶体管的饱和管压降V