项目二音频放大器之第五课功率放大器

1、第第5课课第第2章章 音频放大器音频放大器5.1 互补对称功率放大电路原理互补对称功率放大电路原理5.2 无输出电容无输出电容(OCL)的互补对称功放电路的互补对称功放电路5.3 无输出变压器无输出变压器(OTL)(OTL)的互补对称功放电路的互补对称功放电路5. 功率放大电路功率放大电路(教材教材P112)例例1： 扩音系统扩音系统执行机构执行机构 功率放大器的作用：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，以驱动驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、 仪仪表指针偏转等。表指针偏转等。 功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号

2、提提取取例例2：温度控制温度控制R1-R3:标准电阻标准电阻Ua : 基准电压基准电压Rt :热敏电阻热敏电阻A：电压放大器：电压放大器RtTUO室温室温T 温度调节温度调节过程过程UbUO1uoR1aR2VCC+R3Rt 功率放大功率放大b温控室温控室A+-uo1加热元件加热元件例例3：典型的收音机电路典型的收音机电路变频变频低频低频中放中放功放功放Ic=0.5mAIc=2mAIc=20mAEc=6VPo=30mW电源供给的功率：电源供给的功率：PDC=EcIc=120mW25%100%PPDCo转换效率：转换效率：电源供给的能量大多数以管耗的形式消耗掉，通常功放电电源供给的能量大多数以管耗

3、的形式消耗掉，通常功放电路中的工作管必须加散热片。路中的工作管必须加散热片。检波检波5 无本质的区别，都是能量的控制与转换。不同之处在于，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。转换效率。 思考题：思考题：如：企业与学校，都有“产品”，目标不同电压放大器与功率放大器的区别：电压放大器与功率放大器的区别：1. 1. 任务不同任务不同： 电压放大电压放大不失真地提高输入信号的幅度，

4、以驱不失真地提高输入信号的幅度，以驱动后面的功率放大级，通常动后面的功率放大级，通常工作在小信号状态工作在小信号状态。 功率放大功率放大信号不失真或轻度失真的条件下提高信号不失真或轻度失真的条件下提高输出功率，通常输出功率，通常工作在大信号状态工作在大信号状态。2 2. . 分析方法分析方法： 电压放大电压放大采用小信号模型分析法和图解法采用小信号模型分析法和图解法 功率放大功率放大图解法图解法 共射放大器 共集放大器 共基放大器 有电压放大 无电压放大 有电压放大 有电流放大 有电流放大 无电流放大 无论是功率放大电路、电压放大电路，还是电流放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电流和功率，

5、上述称呼上的区别只不过是它们各自强调的输出量不同而已。5.1 互补对称功率放大电路原理互补对称功率放大电路原理1. 功率放大电路的主要特点功率放大电路的主要特点 功率放大电路是以输出较大功率输出较大功率为目的的放大电路。 为了获得尽可能大的输出功率，必须使 输出信号电压大输出信号电压大 输出信号电流大输出信号电流大 放大电路的输出电阻与负载匹配放大电路的输出电阻与负载匹配 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。直接耦合直接耦合的功率放的功率放大电路大电路2. 功率放大电路中的一些特殊问题功率放大电路中的一些特殊问题(1) 要求要求尽可能大的输出功率尽可能大的输出功率。管子工作

6、在极限工作状态。管子工作在极限工作状态。(2) 效率效率 =负载得到的有用信号功率负载得到的有用信号功率Po电源供给的直流功率电源供给的直流功率PDC (3) 非线性失真要小非线性失真要小。 在大信号状态工作必然引起信号失真，这就存在增大在大信号状态工作必然引起信号失真，这就存在增大输出功率和信号失真之间的矛盾，这就要求在电路结构上输出功率和信号失真之间的矛盾，这就要求在电路结构上进行改进，尽可能地提高输出功率并减小非线性失真。进行改进，尽可能地提高输出功率并减小非线性失真。(4) 半导体三极管散热的问题半导体三极管散热的问题3. 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

7、低静态功耗，即减小静态电流。非线性失真非线性失真 非线性失真：非线性失真： 由元器件非线性特性由元器件非线性特性引起的失真。如图引起的失真。如图1 1 所示。所示。 O uo t O ui t 图图 1 放大的非线性失真放大的非线性失真 Back放大电路的非线性失真放大电路的非线性失真Next 饱和失真与截止失真饱和失真与截止失真 饱和失真饱和失真截止失真截止失真 由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为顶部失真。 由晶体管特性曲线的非线性引起的输出信号失真，称为由晶体管特性曲线的非线性引起的输出信号失真，称为非线性失真，主要有饱和失真和截止失真

8、。非线性失真，主要有饱和失真和截止失真。 由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为底部失真。放大电路的非线性失真放大电路的非线性失真BackNext(a)饱和失真饱和失真(b)截止失真截止失真Back3 功率放大电路要功率放大电路要解决的问题解决的问题 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（3）管子工作在接近极限状态。）管子工作在接近极限状态。有时是双重保护，也保护使用者。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）在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的输出功率（大的输出功率（P0大时，效率影响大

9、）；大时，效率影响大）； （2）工作于大信号状态容易产生非线）工作于大信号状态容易产生非线性失真。性失真。分析功放电路应注意的问题分析功放电路应注意的问题(1) 功放电路中电流、电压要求都比较大，功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管的极必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。 ICMPCMUCEMIcuce(2) 电流、电压信号比较大，必须注意防止电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。波形失真。(3) 电源提供的能量尽可能转换给负载，减少电源提供的能量尽可能转换给负载，减少 晶体管及线路上的损失。即注意提高电路晶体管及线

10、路上的损失。即注意提高电路的效率（的效率（ ）。）。Pomax : 负载上得到的交流信号功率。负载上得到的交流信号功率。PE ： 电源提供的直流功率。电源提供的直流功率。%100maxEoPP2. 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 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。三种三种工作状态工作状态 根据正弦信号整个周期根据正弦信号整个周期内三极管的导通情况划分内三极管的导通情况划分乙类：乙类：导通角等于导通角等于180甲类：甲类：一个周期内均导通一个周期内均导通甲乙类：甲乙类：导通角大于导通角大于180 三极管根据正弦信号整三极管根据正弦信号整个周

11、期内的导通情况，可个周期内的导通情况，可分为几个工作状态：分为几个工作状态：乙类：乙类： = 180甲类：甲类： = 360甲乙类：甲乙类：180 0VT1导通，导通，T2截止截止iL= ic1 ;vi-VCCT1T2vo+VccRLiLiL=ic2注意：注意：T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作。两个晶体管都只在半个周期内工作。基本OCL电路工作状态总结输入电压的正半周：输入电压的正半周： VCCT1RL地地输入电压的负半周：输入电压的负半周： 地地RL T2 VCCT1，T2交替工作，正负电源交替供电，电路实现双向跟。交替工作，正负电源交替供电，电路实现双向跟。随。由于信号的正负半周均

12、为随。由于信号的正负半周均为射极输出器射极输出器形式，所以形式，所以输输出电阻小，带负载能力强。出电阻小，带负载能力强。2CESCComUVU静态时，静态时，UEQ UBQ0。UECS为管子的饱和压降，为管子的饱和压降，UOM为输出电压的幅值为输出电压的幅值ui-VCCT1T2vo+VCCRLiL输入输出波形图输入输出波形图vivovovo 交越失真交越失真死区电压死区电压教材教材P114正到一正到一定程度定程度的时候的时候负到一负到一定程度定程度的时候的时候ui-VCCT1T2vo+VCCRLiL(1) 静态电流静态电流 ICQ、IBQ等于零；等于零；(2) 每管导通时间为半个周期每管导通时

13、间为半个周期 ； (3) 存在交越失真。存在交越失真。 特点：特点：只有当信号为零时，三只有当信号为零时，三极管工作在极管工作在临界导通临界导通状状态或微导通状态，才可态或微导通状态，才可能消除交越失真，因此，能消除交越失真，因此，必须必须设置合适的静态工设置合适的静态工作点。作点。三、电路分析三、电路分析图解法图解法负载上的负载上的最大不失真电压最大不失真电压为为Vom=VCC- VCES（1）最大不失真输出功率）最大不失真输出功率PomaxL2CCL2CESCCL2CESCComax22)()2(=RVRVVRVVP 实际输出功率实际输出功率PoL2omLomomooo222=RVRVVI

14、VP 图解分析图解分析演示图演示图三、分析计算三、分析计算教材教材P115单个管子在半个周期内的管耗单个管子在半个周期内的管耗)(d )(21=0LooCCT1tRvvVP （2）管耗）管耗PT两管管耗两管管耗)d( sin)sin(210LomomCCtRtVtVV )d( )sinsin(2102L2omLomCCttRVtRVV )4(12omomCCLVVVR T2T1T=PPP)4(22omomCCLVVVR （3）电源供给的功率）电源供给的功率PVToV=PPPLomCC2RVV 当当时，时， CComVV 2L2CCVmRVP （4）效率）效率 CComVo4=VVPP 时，时，

15、 CComVV % 78.54 )4(22omomCCLVVVRPTL2omLomomooo222=RVRVVIVP 四三极管的最大管耗四三极管的最大管耗 )4VVV(R1) td(RtsinV) tsinVV(21=P2omomCCLLom0omCCT1oML2CCT1maxP2 . 0R2V2 . 0P问：问：Vom=？ PT1最大最大, PT1max=？用用PT1对对Vom求导得出：求导得出：PT1max发生在发生在Vom=0.64VCC处。处。将将Vom=0.64VCC代入代入PT1表达式表达式：教材教材P116选管条件选管条件PCM PT1max =0.2PoM2集射级反向击穿电压集

16、射级反向击穿电压VBR(CEO)CCCEOBRVV2)(L2CCoMR2VPLCCCMRVI1功率管的最大允许管耗功率管的最大允许管耗PCM3集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM tvo交越失真交越失真vi t+VCC-VCCviiLRLT1T2A存在交越失真存在交越失真OCL电路电路乙类互补对称功放的缺点乙类互补对称功放的缺点如何消除交如何消除交越失真？越失真？设置合适的静态工作点。设置合适的静态工作点。 克服交越失真的办法就是给电路提供一定的直流克服交越失真的办法就是给电路提供一定的直流偏置，将电路改换成偏置，将电路改换成甲乙类甲乙类互补对称放大电路互补对称放大电路。静态偏静态偏置

17、电路置电路四、交越失真及其消除四、交越失真及其消除直流通路直流通路1，VT1，VT2提供一个较小的静态电流，提供一个较小的静态电流，即偏置电压略大于两管的导通电压之和。即偏置电压略大于两管的导通电压之和。处于临界导通状态。处于临界导通状态。2 2，交流输入时，由于，交流输入时，由于VT1，VT2有较小的有较小的偏置电压，无需等待太久，两管交替工作。偏置电压，无需等待太久，两管交替工作。方法一：利用二极管提供方法一：利用二极管提供偏置偏置方法二：利方法二：利用用u uBEBE扩大电路提供偏置扩大电路提供偏置UB1 B2 = UR1 + UR2 = UBE4 + UBE4(R2/R1) = = U

18、BE4(1+R2/R1)UBE4UB1UB25.1.4 无输出变压器的互补对称功放电路无输出变压器的互补对称功放电路一、特点一、特点1. 单电源供电；单电源供电；2. 输出加有大电容，电容器与负载耦合。输出加有大电容，电容器与负载耦合。二、静态分析二、静态分析则则 T1、T2 特性对称，特性对称，,2SCAUU2SCCUU2SCiUu 令：令：USC/2RLuiT1T2+USCCAUL+-UCOTL电路电路三、动态分析三、动态分析若输出电容足够大，其上电若输出电容足够大，其上电压基本保持不变，则负载上压基本保持不变，则负载上得到的交流信号正负半周对得到的交流信号正负半周对称，但存在交越失真。称，但存在交越失真。ic1ic2交越失真交越失真（UC相当于电源）相当于电源）RLuiT1T2+USCCAUL+-时，时，T1导通、导通、T2截止；截止；2SCiUu 时，时，2SCiUu T1截止、截止、 T2导通。导通。设输入端在设输入端在0.5USC直流电平基础上加入正弦信号直流电平基础上加入正弦信号四、输出功率及效率四、输出功率及效率若忽略交越失真的影响，且若忽略交越失真的影响，且 ui 幅度足够大