川大学模拟电子技术课件

1、川大学模拟电子技术课件8 8 功率放大电路功率放大电路8.1 功率放大电路的一般问题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甲乙类互补对称功率放大电路*8.5 集成功率放大器集成功率放大器8.2 射极输出器射极输出器甲类放大的实例甲类放大的实例川大学模拟电子技术课件8.1 功率放大电路的一般问题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功率放大电路的特点及主要研究对象川大学模拟电子技术课件例例1： 扩音系统扩音系统功率放大器的作

2、用：功率放大器的作用： 用作放大电路的用作放大电路的输出级输出级，以驱，以驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、 仪表仪表指针偏转等。指针偏转等。 执行机构执行机构功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取川大学模拟电子技术课件例例2：温度控制温度控制R1-R3:标准电阻标准电阻Va : 基准电压基准电压Rt : 热敏电阻热敏电阻(负）负）A：电压放大器：电压放大器 温度调节温度调节过程过程VbvoRtT室温室温TVO1VOR1aR2Vcc+R3Rt 功功 放放b温控室温控室A+-vo1加热元件加热元件川大学模拟电子技术课件1. 功率放大电路的

3、特点及主要研究对象功率放大电路的特点及主要研究对象(1) 功率放大电路功率放大电路 功率放大电路是一种以输出较大功率为目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，的的放大电路。因此，要求同时输出较大的电要求同时输出较大的电压和电流。压和电流。管子工作在接近极限状态。管子工作在接近极限状态。 一般直接驱动负载，带载能力要强。一般直接驱动负载，带载能力要强。 没有，都是能量转换。（直流电源的直流电没有，都是能量转换。（直流电源的直流电能转化为信号控制的交流电能）电压放大电路使负载能转化为信号控制的交流电能）电压放大电路使负载得到尽可能大的不失真的电压信号，功率放大获得尽得到尽可能大的

4、不失真的电压信号，功率放大获得尽可能大的不失真输出功率。可能大的不失真输出功率。川大学模拟电子技术课件（2）功率放大电路的特点：）功率放大电路的特点：要求输出功率尽可能大要求输出功率尽可能大：输出信号电压和电流大，使放大管工作在极限状态，因此必须保证放大管的安使放大管工作在极限状态，因此必须保证放大管的安全工作。全工作。要求效率高要求效率高： 效率效率负载得到的有用信号功率与负载得到的有用信号功率与电源提供的直流功率之比。电源提供的直流功率之比。要求非线性失真小要求非线性失真小：由于功率放大电路是大信号运由于功率放大电路是大信号运用，接近晶体管的截止区和饱和区，容易产生非线用，接近晶体管的截止

5、区和饱和区，容易产生非线性失真。性失真。 可见，输出功率与非线性失真是功率放大可见，输出功率与非线性失真是功率放大电路的一对主要矛盾。电路的一对主要矛盾。功放管的散热功放管的散热:有相当大的功率消耗在管子上，引起有相当大的功率消耗在管子上，引起温升温升川大学模拟电子技术课件(3) 要解决的问题要解决的问题 提高效率提高效率 减小失真减小失真 管子的保护管子的保护讨论对象讨论对象：大信号：大信号分析方法分析方法：图解法。图解法。(4) 提高效率的途径提高效率的途径降低静态功耗，即减小静态电流。降低静态功耗，即减小静态电流。川大学模拟电子技术课件 三极管根据正弦信号整三极管根据正弦信号整个周期内的

6、导通情况，可个周期内的导通情况，可分为四个工作状态：分为四个工作状态：乙类：导通角等于乙类：导通角等于180180甲类：一个周期内均导通甲类：一个周期内均导通甲乙类：导通角大于甲乙类：导通角大于180180丙类：导通角小于丙类：导通角小于180180（5）功率放大电路的分类）功率放大电路的分类川大学模拟电子技术课件甲类放大：甲类放大：三极管三极管360导电。输入信号在整个周期内都导电。输入信号在整个周期内都有电流流过放大器件。电压放大器一般工作在甲类。其输出有电流流过放大器件。电压放大器一般工作在甲类。其输出功率由功率三角形确定。电源始终不断输送功率，在没有交功率由功率三角形确定。电源始终不断

7、输送功率，在没有交流信号输入时（也意味着没有交流信号输出），没有流信号输入时（也意味着没有交流信号输出），没有信号输信号输出功率出功率，电源提供的功率电源提供的功率全部消耗在管子（电阻）上全部消耗在管子（电阻）上（管（管耗）耗），并转化为热量散发出去；当有信号输入时，其中有一，并转化为热量散发出去；当有信号输入时，其中有一部分转化为有用的信号输出功率。甲类放大的效率不高，理部分转化为有用的信号输出功率。甲类放大的效率不高，理论上不超过论上不超过50%。川大学模拟电子技术课件乙类放大乙类放大：三极管三极管180导电。功率放大电路必须考虑效导电。功率放大电路必须考虑效率问题。静态电流是造成管耗的主

8、要原因。为了降低静态时率问题。静态电流是造成管耗的主要原因。为了降低静态时的工作电流，三极管从甲类工作状态改为乙类工作状态。一的工作电流，三极管从甲类工作状态改为乙类工作状态。一周期内只有半个周期周期内只有半个周期iC0。没有输入信号时，信号输出功率。没有输入信号时，信号输出功率为零，电源供给的功率为零，管耗为零。信号增大，电源供为零，电源供给的功率为零，管耗为零。信号增大，电源供给的功率增大，输出功率增大。但输出出现了严重的失真。给的功率增大，输出功率增大。但输出出现了严重的失真。川大学模拟电子技术课件甲乙类放大：甲乙类放大： 导通角大于导通角大于180。一周期内有半个周期以。一周期内有半个

9、周期以上上iC0。降低了静态工作电流。降低了静态工作电流 。电压放大电路电压放大电路BJT工作在工作在甲类，乙类和甲乙类放大甲类，乙类和甲乙类放大主要用于功率放大电路。主要用于功率放大电路。 甲乙类和乙类放大虽降低了静态工作电流，但又产生了甲乙类和乙类放大虽降低了静态工作电流，但又产生了失真问题。如果不能解决乙类状态下的失真问题，乙类工作失真问题。如果不能解决乙类状态下的失真问题，乙类工作状态在功率放大电路中就不能采用。状态在功率放大电路中就不能采用。推挽电路或互补对称电推挽电路或互补对称电路路较好地解决了乙类工作状态下的失真问题。较好地解决了乙类工作状态下的失真问题。川大学模拟电子技术课件丁

10、类（丁类（D类）类）开关状态半周期：饱和导通半周期：截止丁丙乙甲乙甲川大学模拟电子技术课件（6） 性能指标性能指标 输出功率 ：op 效率 ：%100PPVo直流电源供给集电极和偏置电路等直流功率之和 非线性失真 集电极效率：%100PPVoC电源供给集电极的直流功率L2o00ORVIVP 川大学模拟电子技术课件8.2 射极输出器射极输出器甲类放大的实例甲类放大的实例2. 功率及效率的计算功率及效率的计算1. 电路结构及工作原理电路结构及工作原理川大学模拟电子技术课件 射极输出器的输射极输出器的输出电阻低，带负载能出电阻低，带负载能力强，但做功放不适力强，但做功放不适合。合。 Rbvo VCC

11、viibRE射极输出器能否做功率放大射极输出器能否做功率放大？RbvoVCCviRE射极输出器效率的估算：射极输出器效率的估算：(设设RL=RE)votvoibQicvceVCCECCRV川大学模拟电子技术课件若忽略晶体管的饱和若忽略晶体管的饱和压降和截止区，输出压降和截止区，输出信号信号v vo o的峰值最大只的峰值最大只能为：能为：vCEv vo o的取的取值范围值范围Q Qi ic cV VCCCCECCRV直流负直流负载线载线交流负交流负载线载线VCEQ = 0.5VCC 静态工作点：静态工作点：ECCCQRVI5.0=CCmaxoV5 . 0V 为得到较大的输出信号，假设将射极输出器

12、的静为得到较大的输出信号，假设将射极输出器的静态工作点（态工作点（Q Q）设置在负载线的中部，令信号波形正）设置在负载线的中部，令信号波形正负半周均不失真负半周均不失真 ，如下图所示。，如下图所示。川大学模拟电子技术课件 TCCCVdtiVTP01L2CCL2CCL2omOR8VR2V50R2VP .maxmax%25maxmax VOPP )sin(tIIiIicmCQcCQCLCCCQCCTCCCTCCCVRVIVdtiTVdtiVTP21200 1. 1. 直流电源输出的功率直流电源输出的功率2. 2. 最大负载功率最大负载功率3. 3. 最大效率最大效率( (R RL L= =R RE

13、 E时时) )川大学模拟电子技术课件如何解决效率低的问题？如何解决效率低的问题？办法：办法：降低降低Q点。点。既降低既降低Q点又不会引起截止失真的办法：点又不会引起截止失真的办法：采用采用推挽输出电路，推挽输出电路，或或互补对称射极输出器。互补对称射极输出器。缺点：缺点：会引起截止失真。会引起截止失真。川大学模拟电子技术课件8.3 乙类双电源互补对称乙类双电源互补对称功率放大电路功率放大电路8.3.2 分析计算分析计算8.3.1 电路组成电路组成8.3.3 功率功率BJT的选择的选择川大学模拟电子技术课件8.3.1 电路组成电路组成 由一对由一对NPNNPN、PNPPNP特性相同的互补三极管组

14、成，特性相同的互补三极管组成，采用正、负双电源供电。采用正、负双电源供电。可看成两个可看成两个射随器射随器组合而成组合而成（AV=1 ），这种电路也称为这种电路也称为OCLOCL （无输出电容器）互（无输出电容器）互补功率放大电路。补功率放大电路。川大学模拟电子技术课件工作原理工作原理 当输入信号处于正半周时，且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，此幅度远大于三极管的开启电压，此时时NPN型三极管导电，有电流通过型三极管导电，有电流通过负载负载RL，按图中方向由上到下，与，按图中方向由上到下，与假设正方向相同。假设正方向相同。 当输入信号为负半周时，且幅度远当输入信号为负半周

15、时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时大于三极管的开启电压，此时PNP型型三极管导电，有电流通过负三极管导电，有电流通过负 载载RL，按图中方向由下到上，与假设正方向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，相反。于是两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电，一个负半周轮流导电，在负载上将正在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个半周和负半周合成在一起，得到一个完整的波形。完整的波形。两个管子都工作在乙类放大状态，两个管子都工作在乙类放大状态，没有直流偏置。没有直流偏置。解决了输出失真解决了输出失真和效率的矛盾。和效率的矛盾。川大学模拟电子技术课件交越失真交越失真 严

16、格说，输入信号严格说，输入信号很小时，达不到三极管很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不的开启电压，三极管不导电。导电。因此在正、负半因此在正、负半周交替过零处会出现一周交替过零处会出现一些非线性失真，这个失些非线性失真，这个失真称为交越失真。真称为交越失真。川大学模拟电子技术课件8.3.2 分析计算分析计算图解分析图解分析动画川大学模拟电子技术课件1. 最大不失真输出功率最大不失真输出功率Pomax设输入为正弦波，输出功率设输入为正弦波，输出功率Po为输出电压有效值和输出电流为输出电压有效值和输出电流有效值的乘积。有效值的乘积。 VVoom2实际输出功率实际输出功率PoL2omLomomo

17、oo222=RVRVVIVP ABQSIV212I2VIVP cmomcmomooo=川大学模拟电子技术课件1. 最大不失真输出功率最大不失真输出功率PomaxL2CCL2CESCCL2CESCComax22)()2(=RVRVVRVVP 忽略三极管的饱和压降，负载上的最大不失真功率为：忽略三极管的饱和压降，负载上的最大不失真功率为：川大学模拟电子技术课件2. 电源供给的功率电源供给的功率PV当当时，时， CComVV 2L2CCVmRVP 直流电源提供的功率为半个正弦波的平均功率，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。信号越大，电流越大，电源功率也越大

18、。LomCCLomCComCCCCV)d(sin)d(sin22=RVV2ttRV22VttI22VdtiVP00c0 川大学模拟电子技术课件3.3.管耗管耗P PT T 电源输入的直流功率，有一部分通过三极管转换为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。显然的管耗。显然L2omLomCCoVT22=RVRVVPPP静态时，静态时， V Vomom=0=0 ， P PT T=0=0动态时，动态时，V Vomom越大？越大？P PT T越大？越大？两管管耗两管管耗T2T1TPP=PT2T1

19、PP)4VVV(R12omomCCL川大学模拟电子技术课件4. 效率效率 CComVo4=VVPP 当当时，时， CComVV % 78.54 L2omoR2VP CComVo4=VVPP LomCCoV=RVV2PP L2omLomCCoVT22=RVRVVPPP记忆方法：记忆方法：川大学模拟电子技术课件 将将PT、P0、PV画成曲线，画成曲线，如图如图 所示所示,图中画阴影线图中画阴影线的部分即代表管耗。的部分即代表管耗。乙类互补功放电路的管耗乙类互补功放电路的管耗L2m0L200R2VRVP LomCCV=RVV2P 每只每只BJTBJT的最大允许管耗的最大允许管耗P PCMCM必须大于

20、必须大于P PT1MT1M0.2P0.2POMOM；LomLomCCoVT=R2VRVV2PPP2 8.3.3 功率功率BJT的选择的选择川大学模拟电子技术课件 显然，显然，PT与与Vom呈非线性关系，有一个最大值。呈非线性关系，有一个最大值。可用可用PT对对Vom求导的办法找出这个最大值。求导的办法找出这个最大值。PTmax发发生在生在Vom=0.64VCC处，将处，将Vom=0.64VCC代入代入PT表达式，表达式，可得可得PTmax为为omaxomaxomaxLCCLCCCCLomLomCCTmax.).(.=P40P40P80R2V640RV640V2R2VRVV2P22 omaxTm

21、ax2 .0PP对一只三极管对一只三极管最大管耗与最大输出功率的关系最大管耗与最大输出功率的关系选管依据之一选管依据之一川大学模拟电子技术课件 考虑到当考虑到当T2导通时，导通时，-vCE20,此时此时vCE1具有最大值，具有最大值，且等于且等于2VCC。因此，应选用。因此，应选用|V（BR）CEO|2VCC 通过通过BJT的最大集电极电流为的最大集电极电流为VCC/RL，所选，所选BJT的的ICM一般不宜低于此值。一般不宜低于此值。 功率BJT的选择（1） 最大允许管耗PCM0.2Pom（2） 反向击穿电压V（BR）CEO2VCC（3） 集电极最大允许电流ICMVCC/RL川大学模拟电子技术

22、课件8.4 甲乙类互补对称功率甲乙类互补对称功率放大电路放大电路8.4.2 甲乙类单电源互补对称电路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甲乙类双电源互补对称电路8.4.3 带自举电路的单电源功放带自举电路的单电源功放川大学模拟电子技术课件乙类互补对称电路存在的问题乙类互补对称电路存在的问题川大学模拟电子技术课件乙类互补对称电路存在的问题乙类互补对称电路存在的问题实际测试波形实际测试波形川大学模拟电子技术课件 为解决交越失真，可给三极管稍稍加一点偏为解决交越失真，可给三极管稍稍加一点偏置，使之工作在甲乙类。置，使之工作在甲乙类。静态时静态时D1（R1）、）、D2（R2）为

23、）为T1、T2提供一个适当的偏压，提供一个适当的偏压，使使T1、T2微导通，由于电路对称，微导通，由于电路对称，VK = 0。偏置电压可通过。偏置电压可通过R1、R2调整。调整。川大学模拟电子技术课件1. 静态偏置静态偏置可克服交越失真可克服交越失真2. 动态工作情况动态工作情况二极管等效为恒压模型二极管等效为恒压模型设设T3已有合适已有合适的静态工作点的静态工作点交流相当于短路交流相当于短路8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路甲乙类双电源互补对称电路川大学模拟电子技术课件BE4221CE4VRRRV VBE4可认为是定值可认为是定值 R1、R2不变时，不变时，VCE4也是定值，可看作也是定值

24、，可看作是一个直流电源。是一个直流电源。调节R1、R2的比值，可以改变偏压值。 甲乙类双电源互补对称功率放大电路功率输出部甲乙类双电源互补对称功率放大电路功率输出部分的计算与乙类双电源互补对称功率放大电路的计算分的计算与乙类双电源互补对称功率放大电路的计算相同。相同。动画川大学模拟电子技术课件8.4.2 甲乙类单电源互补对称电路甲乙类单电源互补对称电路 单电源互补功率放大单电源互补功率放大电路当电路对称时，输出电路当电路对称时，输出端的静态电位等于端的静态电位等于VK=VCC /2。为了使负载上仅获得。为了使负载上仅获得交流信号，用一个大电容交流信号，用一个大电容器器C串联在负载与输出端串联在负载与输出端之间。这种功率放大电路之间。这种功率放大电路也称为也称为OTL（无输出变压（无输出变压器）互补功率放大电路。器）互补功率放大电路。川大学模拟电子技术课件静态时，偏置电路使静态时，偏置电路使VKVCVCC/2（电容（电容C充电达到充电达到稳态）。稳态）。当有信号当有信号vi时时负半周负半周T1导