第5章 功率放大电路

1、2021-10-15第5章功率放大电路15 5功率放大电路功率放大电路引言引言2021-10-15第5章功率放大电路2v功放电路的晶体管是工作在大信号状态，功放电路的晶体管是工作在大信号状态，所以应采用图解分析法。所以应采用图解分析法。v功放电路要求能输出一定的功率，所以功放电路要求能输出一定的功率，所以和以前的分析侧重点又有所不同，主要和以前的分析侧重点又有所不同，主要是分析放大电路的是分析放大电路的输出功率输出功率、效率效率和和非非线性失真线性失真问题。问题。2021-10-15第5章功率放大电路3v在电路方面，主要是介绍在电路方面，主要是介绍互补对称互补对称功放电路功放电路、集成功放实例

2、集成功放实例以及以及功放功放器件的散热器件的散热问题。问题。2021-10-15第5章功率放大电路45.15.1功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题v1.1.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v(1)(1)输出功率要足够大输出功率要足够大v(2)(2)效率要高效率要高v(3)(3)非线性失真要小非线性失真要小v(4)(4)BJT器件一定要解决好散热问题器件一定要解决好散热问题2021-10-15第5章功率放大电路52.2.功率放大电路提高效率的途径功率放大电路提高效率的途径v(1)(1)功放管的工作状态功放管的工作状态va.a.甲类工作状态甲类工作状态(

3、(如图如图5.1.1(a)5.1.1(a)所示所示) )v Q点在输出特性曲线线性区的中点，此时，点在输出特性曲线线性区的中点，此时，晶体晶体 管管 的导通角的导通角2，在信号的，在信号的一个周期一个周期内内iC0。v这类工作状态的特点是：这类工作状态的特点是：耗电量较大耗电量较大，效率效率低低(0。v这类工作状态特点是：这类工作状态特点是：省电省电，效率高效率高( (约为约为78.5%),78.5%),存在交越失真存在交越失真。转转92021-10-15第5章功率放大电路82021-10-15第5章功率放大电路9vc.甲乙类工作状态甲乙类工作状态(如图如图5.1.1(c)所示所示)vQ点在输

4、出特性曲线线性区的下方、截止区点在输出特性曲线线性区的下方、截止区的上方，此时，晶体管的导通角的上方，此时，晶体管的导通角0。v这类工作状态的特点是：这类工作状态的特点是：省电省电，效率高效率高(约为约为78.5%)，交越失真小交越失真小。2021-10-15第5章功率放大电路10d.丙类工作状态丙类工作状态(如图如图5.1.1(d)所示所示)vQ点在输出特性曲线坐标系横轴的下方、截点在输出特性曲线坐标系横轴的下方、截止区的下方，此时，晶体管的导通角止区的下方，此时，晶体管的导通角0。v这类工作状态的特点是：这类工作状态的特点是：省电，效率高省电，效率高(约为约为78.5%)，交越失真大，交越

5、失真大。多用于高频放大电路。多用于高频放大电路中中(本书略本书略)。2021-10-15第5章功率放大电路112021-10-15第5章功率放大电路125.25.2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v5.2.15.2.1电路组成电路组成v如图如图5.2.1 5.2.1 所示。所示。v乙类双电源互补对称功率放大电路实际乙类双电源互补对称功率放大电路实际上是由两个不同类型晶体管构成的射极上是由两个不同类型晶体管构成的射极输出器组成。输出器组成。转转142021-10-15第5章功率放大电路13转转192021-10-15第5章功率放大电路142021-10-15第5章功率

6、放大电路155.2.15.2.1电路分析计算电路分析计算v如图如图5.2.25.2.2所示。所示。v由图由图(a)(a)可知，管子的可知，管子的Q点在坐标系的横点在坐标系的横轴上，把两个管子的输出特性曲线重合轴上，把两个管子的输出特性曲线重合画成一个复合特性曲线如图画成一个复合特性曲线如图(b)(b)所示。所示。2021-10-15第5章功率放大电路162021-10-15第5章功率放大电路172021-10-15第5章功率放大电路18v在晶体管尽限运用状态，在晶体管尽限运用状态，vCE的变化范围为的变化范围为2(VCCVCES)2Vcem2IcmRL，如果忽略管，如果忽略管子的饱和压降子的饱

7、和压降VCES ，则，则VcemIcmRLVCCv1.输出功率的计算输出功率的计算v设输出电压的幅值为设输出电压的幅值为VomPoVo Io2021-10-15第5章功率放大电路19).(LomLomom12521222RVRVV在图在图5.2.1中，中，T1、 T2可以可以 看看 成成 是是 工工 作作 在在 射射极输出器状态，极输出器状态，AV ，当输入信号足够大时，当输入信号足够大时,可使可使Vim Vom Vcem VCCVCESVCC和和IomIcm2021-10-15第5章功率放大电路20可获得最大输出功率可获得最大输出功率).(LCCLceLomom225222222RVRVRV

8、P2.管耗管耗由于两管交替导通，每一只的管耗是相等由于两管交替导通，每一只的管耗是相等的，只需求出一只管子的管耗就行了。设输出的，只需求出一只管子的管耗就行了。设输出信号电压为信号电压为voVomsint，则，则T1的管耗为的管耗为 2021-10-15第5章功率放大电路21)()()sinsin()(sin)sin()()(omomCCLLomLomCCLomomCCLooCCT1422222VVVRtdRtVtRVVtdRtVtVVtdRvvVP2021-10-15第5章功率放大电路22).()(omomCCLT2T1T425422VVVRPPP而两管的功耗为而两管的功耗为3.3.直流电源

9、供给的功率直流电源供给的功率 PVPV 包括负载上得到的信号功率包括负载上得到的信号功率Po和和T1 1、T2 2上消耗的功率上消耗的功率PT两部分。两部分。2021-10-15第5章功率放大电路23当当vi0时，由于时，由于iC1iC20,所以所以,PV 0； 当当vi0时，由式时，由式(5.2.1)、(5.2.4)得：得：).(LomCCTo5252RVVPPPV当输出电压幅值达到最大时，即当输出电压幅值达到最大时，即VomVCC时，时，则得电源供给的最大功率为：则得电源供给的最大功率为：2021-10-15第5章功率放大电路244. .效率效率一般情况下效率为一般情况下效率为).(LCC

10、62522RVPV).(CComo7254VVPPV当当VomVCC时，则时，则2021-10-15第5章功率放大电路25该结论是在假定互补对称功率放大电路工该结论是在假定互补对称功率放大电路工作在乙类、负载电阻为理想值，忽略作在乙类、负载电阻为理想值，忽略VCES和和输入信号足够大输入信号足够大(VimVomVCC)的情况下得来的情况下得来的，实际效率要比该值低一些。的，实际效率要比该值低一些。).(%.8255784PVPo2021-10-15第5章功率放大电路265.2.35.2.3功率晶体管的选择功率晶体管的选择v1.1.最大管耗和最大输出功率的关系最大管耗和最大输出功率的关系v工作在

11、乙类的基本互补对称电路，在静态时，工作在乙类的基本互补对称电路，在静态时，管子几乎不取电流，管耗接近于零，因此，管子几乎不取电流，管耗接近于零，因此，当输入信号较小时，输出功率较小，管耗也当输入信号较小时，输出功率较小，管耗也小，这是容易理解的。小，这是容易理解的。2021-10-15第5章功率放大电路27v但是，当输入信号愈大时，输出功率是否也但是，当输入信号愈大时，输出功率是否也愈大？最大管耗发生在什么情况下呢？由式愈大？最大管耗发生在什么情况下呢？由式(5.2.3)知，管耗知，管耗PT1是输出电压幅值是输出电压幅值Vom的函的函数，因此，可以用求极值的方法通过式数，因此，可以用求极值的方

12、法通过式(5.2.3)求解。由式求解。由式(5.2.3)有：有：2021-10-15第5章功率放大电路28).()()(CComomCComT1omCCLomT192520202故，则令VVVVdVdPVVRdVdP2021-10-15第5章功率放大电路29具有最大管耗。时功放管上式表明，当CCCCom. VVV602所以，可证所以，可证( (式式5.2.10)5.2.10)，每管的最大管耗与，每管的最大管耗与电路最大输出功率的关系为：电路最大输出功率的关系为：).(.oLCCT1m1125202PRVP2021-10-15第5章功率放大电路30v上式说明，每管的最大管耗为最大输出上式说明，每

13、管的最大管耗为最大输出功率的功率的1/51/5，选管时，只要管耗大于该，选管时，只要管耗大于该值即可。值即可。v2. 2. 功率晶体管的选择功率晶体管的选择v(1)(1)每只晶体管的每只晶体管的PCM必须大于必须大于P T1m0.2Po o；2021-10-15第5章功率放大电路31v(2)(2)考虑道当考虑道当T2 2饱和导通时，饱和导通时，vCE20，此时晶体管此时晶体管T1 1承受电压为最大值，且承受电压为最大值，且vCE2 2VCC，选管时，晶体管应选用，选管时，晶体管应选用 V(BR)CEO 2VCC的管子；的管子；v(3)功放管工作时，通过的最大电流为功放管工作时，通过的最大电流为

14、VCCRL，所选晶体管的，所选晶体管的ICM 一般不能一般不能低于此值。低于此值。2021-10-15第5章功率放大电路32v例例5.2.1 (P204205) 功放电路如图功放电路如图5.2.1a所示，所示，设设VCC12V，RL8，BJT的极限参数为的极限参数为ICM2A， V(BR)CEO 30V，PCM5W。试。试求：求：(1)最大输出功率最大输出功率Pom值，并检验所给值，并检验所给BJT是否能安全工作是否能安全工作?v(2)放大电路在放大电路在0.6时的输出功率时的输出功率Po值。值。转转342021-10-15第5章功率放大电路332021-10-15第5章功率放大电路34解：解

15、：(1)(1)求求Pom，并检验，并检验BJT的安全工作情况的安全工作情况由式由式(5.2.2)(5.2.2)可求出可求出W)V(LCCom98212222RVP通过通过BJT的最大集电极电流、的最大集电极电流、BJTc、e极间的极间的最大压降和它的最大管耗分别为最大压降和它的最大管耗分别为2021-10-15第5章功率放大电路35A.VLCCCM51812RVivCEm2VCC24VPT1m0.2Pom0.29W1.8 W所求所求iCM、vCEm和和PTlm，均分别小于极限参数，均分别小于极限参数ICM、 V(BR)CEO 和和PCM，故，故BJT能安全工作能安全工作。2021-10-15第

16、5章功率放大电路36(2)(2)求求0.60.6时的时的Po值值由式由式( (5.2.7) )可求出可求出W.V).().(V.V.LomoomCCom35829221252912460422式得：代入将RVPVVV2021-10-15第5章功率放大电路375.3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v交越失真：对于乙类互补对称功率放大交越失真：对于乙类互补对称功率放大电路，由于无直流偏置，两管交替导通电路，由于无直流偏置，两管交替导通时必须先通过截止区，由此将产生交越时必须先通过截止区，由此将产生交越失真如图失真如图5.3.1(b)(b)所示。所示。2021-10-15第5章功

17、率放大电路382021-10-15第5章功率放大电路39解决方案：给功放管加一小偏置，使功放管解决方案：给功放管加一小偏置，使功放管工作在甲乙类状态，以消除交越失真。工作在甲乙类状态，以消除交越失真。5.3.15.3.1甲乙类双电源互补对称功放电路甲乙类双电源互补对称功放电路v如图如图5.3.2所示。所示。T3为前置放大级，为前置放大级，Rc3为其集为其集电极负载电阻，电极负载电阻，D1、D2为为T1、T2的偏置电路。的偏置电路。由于由于T1、T2处于微偏状态，晶体管工作在甲处于微偏状态，晶体管工作在甲乙类状态，基本可以消除交越失真。乙类状态，基本可以消除交越失真。转转412021-10-15

18、第5章功率放大电路402021-10-15第5章功率放大电路41缺点：缺点：T1 1、T2 2的偏置电压不易调整。的偏置电压不易调整。v图图5.3.3为另一偏置电路。为另一偏置电路。v可证，可证，VCE4 VBE4 (R1R2)/ R2 ，(电路中电路中IR1IB4，这种电路称为，这种电路称为VBE倍增电路倍增电路)，通过，通过调整调整R*1，即可调整，即可调整T1、T2的偏置电压。该电的偏置电压。该电路多用于集成电路中。路多用于集成电路中。转转432021-10-15第5章功率放大电路422021-10-15第5章功率放大电路43v图图5.3.3为分离元件电路常用电路。该电为分离元件电路常用

19、电路。该电路调整路调整Rp即可改变即可改变T1、T2的偏置电压，的偏置电压，使之工作在甲乙类状态，这类电路通常使之工作在甲乙类状态，这类电路通常称为甲乙类称为甲乙类OTL电路电路转452021-10-15第5章功率放大电路442021-10-15第5章功率放大电路455.3.25.3.2甲乙类单电源互补对称电路甲乙类单电源互补对称电路v1.1.基本电路基本电路v如图如图5.3.4所示。所示。v该电路是采用一个电源供电的互补对称型该电路是采用一个电源供电的互补对称型电路，该电路每一只管子的供电电源为电路，该电路每一只管子的供电电源为VCC / 2，K点电位静态时为点电位静态时为VCC / 2。可

20、通过调整。可通过调整R2来实现。来实现。转转472021-10-15第5章功率放大电路462021-10-15第5章功率放大电路47v输出电容输出电容C在在T1工作时，对工作时，对C进行充电，当进行充电，当T1 截止截止T2导通时，导通时，C上的充电电压作为上的充电电压作为T2的供的供电电源，给电电源，给T2提供能量。提供能量。T3为前置放大级，为前置放大级，它组成的是分压式电流负反馈偏置电路，具它组成的是分压式电流负反馈偏置电路，具有稳定静态工作点的功能。有稳定静态工作点的功能。2021-10-15第5章功率放大电路48v2.工作原理工作原理va. vi的负半周，的负半周，T1正偏导通，正偏

21、导通，T2反偏截止，反偏截止，电流电流iC1经：经：VCCT1c极极T1e极极KCRL地地(通过电源内部通过电源内部)VCC形成回路形成回路，v如图如图5.3.4(a)5.3.4(a)所示。所示。转转502021-10-15第5章功率放大电路492021-10-15第5章功率放大电路50v对负载输出正半周信号，负载电流的方向为对负载输出正半周信号，负载电流的方向为自上而下，同时对电容自上而下，同时对电容C进行充电；进行充电；vb.b.vi的正半周，的正半周，T1反偏截止，反偏截止，T2正偏导通，正偏导通，电流电流iC2经：经：K点点T2e极极T2c极极地地RLCK点形成回路点形成回路v如图如图

22、5.3.4(b)5.3.4(b)所示。所示。2021-10-15第5章功率放大电路512021-10-15第5章功率放大电路52v对负载输出负半周信号，负载电流的方向为对负载输出负半周信号，负载电流的方向为自下而上，同时电容通过回路进行放电。自下而上，同时电容通过回路进行放电。v由于输出电容由于输出电容C的容量较大，无论是充电或的容量较大，无论是充电或是放电，其两端的电压基本保持在是放电，其两端的电压基本保持在VCC/ /2不不变。变。2021-10-15第5章功率放大电路53v3.3.该电路存在的问题该电路存在的问题v当当T1正偏导通，给输出电容正偏导通，给输出电容C充电，使充电，使K点电点电位向位向VCC接近时，接近时， T1的基极电流将受到限的基极电流将受到限制而使制而使T1不能充分导通，一致使输出信号的不能充分导通，一致使输出信号的正半周不能达到理想的最大值。致使正半周不能达到理想的最大值。致使Vom明显明显小于小于VCC / 2。2021-10-15第5章功率放大电路54v解决方法解决方法：v当当T1正偏导通时，随着正偏导通时，随着iC1的增加电路的增加电路自动提高自动提高D点的电位，使点的电位，使VD VCC，以保证以保证T1能充分导通能充分导通,从而使从而使Vom接近于接近于VCC / 2。2021-10-15第