模拟电子技术基础课件 第5章 功率放大电路

1、第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路电气与电子工程学院第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路例：例： 扩音系统扩音系统实际负载实际负载什么是功率放大器？什么是功率放大器？ 在电子系统中，模拟信号被放大后，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。能输出较大功率的放大器称为往往要去推动一个实际的负载。能输出较大功率的放大器称为功率放大器。功率放大器。功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路温度控制温度控制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RtTUOT 温度

2、调节温度调节过程过程UbUO1R1aR2uoUsc+R3Rt 功功 放放b温控室温控室A+-uo1加热元件加热元件第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路电压放大电路和功率放大电路都是利用三极管的放大电压放大电路和功率放大电路都是利用三极管的放大作用将信号放大，前者工作在小信号状态，目的是输出足作用将信号放大，前者工作在小信号状态，目的是输出足够大的电压信号，而功率放大电路则是工作在大信号状态。够大的电压信号，而功率放大电路则是工作在大信号状态。 第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路1. 根据负载要求，提供所需要的输出功率。根据负载要求，提供所需要的输出功率。cmcemcmcemom212

3、2IUIUP 最大输最大输出功率出功率2. 具有较高的效率具有较高的效率VOPP 输出功率输出功率直流电源直流电源提供功率提供功率3. 尽量减小非线性失真。尽量减小非线性失真。分析方法分析方法：图解法：图解法功放的电路形式功放的电路形式：互补对称式电路：互补对称式电路4 4注意功率输出管的散热问题。注意功率输出管的散热问题。 第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路 分类如下：分类如下： 功率放大电路按照放大信号的频率分为低频功率放大功率放大电路按照放大信号的频率分为低频功率放大电路（几十电路（几十Hz几十几十KHz）和高频功率放大电路（几）和高频功率放大电路（几百百KHz几十几十MHz）。）

4、。 功率放大电路按输出端与负载的功率放大电路按输出端与负载的耦合方式耦合方式的不同，分的不同，分 为为变压器耦合方式变压器耦合方式、无输出变压器（无输出变压器（OTLOTL）方式和方式和无输无输出电容（出电容（OCLOCL）方式。方式。 第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路（a a）甲类）甲类 （b b）甲乙类）甲乙类 （c c）乙类）乙类图图5.1.1 5.1.1 放大电路的工作状态放大电路的工作状态 功率放大电路按照其三极管功率放大电路按照其三极管静态工作点静态工作点设置的不同常分设置的不同常分为为甲类功率甲类功率放大电路、放大电路、乙类功率乙类功率放大电路和放大电路和甲乙类功率甲乙类

5、功率放大放大电路等。电路等。第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路5.2.3 5.2.3 甲乙类甲乙类OCLOCL互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路5.2.2 5.2.2 甲乙类甲乙类OTLOTL互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路 5.2.4 5.2.4 采用复合管的互补对称功率放大电路采用复合管的互补对称功率放大电路 第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路1.1.电路组成电路组成图图5.2.1 OTL5.2.1 OTL乙类互补对称放大电路乙类互补对称放大电路第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路2.工作原理工作原理 在静态时，由于电路上下的对在静态时，由于电路上下的对称性，

6、称性，A点的电位为点的电位为VCC /2 ，静态，静态时，负载上无电流流过，也就没时，负载上无电流流过，也就没有压降，即输出耦合电容有压降，即输出耦合电容C上的上的电压即为电压即为A点对点对“地地”的电位差，的电位差，也等于也等于VCC/2。 静态时，输入端静态时，输入端 u i=0，直流值为，直流值为VCC/2，故两管，故两管IB=0，工作于工作于乙类乙类工作状态，仅有穿透电流工作状态，仅有穿透电流ICEO通过。通过。 第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路 在在ui正半周，电流的通路为：正半周，电流的通路为：电源电源VCC的正极的正极VT1的集电极的集电极VT1发射极发射极C负载上端负载

7、上端负载下端负载下端电源负极电源负极“地地”。在在负载上得到负载上得到上正下负上正下负的正半周信号。的正半周信号。 在在ui负半周，同理负半周，同理VT1截止，截止，VT2导通，此时电流通路为：导通，此时电流通路为：电容电容C左端左端VT2发射极发射极“地地”负载下端负载下端负载上端负载上端C右端。右端。在在RL上得到上得到上负下正上负下正的负半周信号。的负半周信号。 推挽电路推挽电路第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路图图5.2.2 OTL5.2.2 OTL乙类互补对称电路的图解法乙类互补对称电路的图解法3.3.主要参数的估算主要参数的估算 第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路Icm

8、1 = Icm2 Icm，Ucem1 = Ucem2 = Ucem，CESCCcem2UVU CCCC2CCCCcmcm0LL1sind()22omEVV UVVIPIttRR %5 .78Vom PP 2CC22CEScemCComcemcmLLL()111122228VUUVPUIRRR（1 1）最大输出功率）最大输出功率 第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路（3）功率管的极限参数）功率管的极限参数 集电极最大允许电流集电极最大允许电流Icm LCCCMRVI2集电极最大允许反向电压集电极最大允许反向电压UBR(CEO) CCCEOBRVU)(第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路2

9、T10omom02CComomL1d()211sin =(sin)d()221()24CE CCCLPuitUtVUttRV UUR问问：Uom=？ PT1最大最大, PT1max=？用用PT1对对Uom求导，并令导数求导，并令导数=0，得出：，得出：PT1max发生在发生在Uom=0.3VCC处。处。将将Uom=0.3VCC代入代入PT1表达式表达式：集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率PCM 220.24CCTmomLVPPR第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路4 4交越失真交越失真 图图5.2.3 OTL5.2.3 OTL乙类互补对称电路的波形图乙类互补对称电路的波形图 第第

10、5 5章章 功率放大电路功率放大电路R、VD1、VD2 为两管提为两管提供一小的静态偏置电压，使供一小的静态偏置电压，使得在输入信号等于零时，管得在输入信号等于零时，管子微导通，以克服交越失真。子微导通，以克服交越失真。OTL 互补电路波形图互补电路波形图tuIOtiC1OtiC2OtuOO5.2.2 5.2.2 甲乙类甲乙类OTLOTL互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路 参数计算参数计算 同乙类同乙类OTLOTL第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路带自举的带自举的OTL甲乙类互补对称电路甲乙类互补对称电路 图图5.2.6 5.2.6 带自举的带自举的 OTLOTL甲乙类互补对称电路

11、甲乙类互补对称电路CCKVU2133RIVUcCCD33332121RCCcCCCUVRIVU第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路OCL 互补对称电路互补对称电路5.2.3 5.2.3 甲乙类甲乙类OCLOCL互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路1.1.电路组成电路组成 2.2.工作原理工作原理 第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路Ucem = VCC - - UCESL2CCL2CESCCLcem2om22)(21RVRUVRUP CC2CCcmCCcm0L221sind()EVVIPVIttR %5 .784Vom PP 3.3.主要参数的估算主要参数的估算 （1 1）最大输出

12、功率）最大输出功率 （2 2）效率）效率 第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路（3 3）功率管的极限参数）功率管的极限参数 集电极最大允许电流集电极最大允许电流I ICMCM 集电极最大允许反向电压集电极最大允许反向电压U UBR(CEO)BR(CEO) LCCCMRVICCCEOBRVU2)(第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路)4(1)d(sin)sin(21=2omomCCLom0omT1UUVRtRtUtUVPLCC 问：问：Uom=？ PT1最大最大, PT1max=？用用PT1对对Uom求导，并令导数求导，并令导数=0，得出：，得出：PT1max发生在发生在Uom=0.64

13、VCC处。处。将将Uom=0.64VCC代入代入PT1表达式表达式：omL2CCT1max2 . 022 . 0PRVP 集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率P PCMCM 第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路大功率三极管输出特性曲线的分区大功率三极管输出特性曲线的分区 在大功率三极管的输出特性中，除了与普通三极管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度还分有 过电流区过电流区 过电压区过电压区 过损耗区过损耗区 图图 三极管的极限工作区三极管的极限工作区 过电流区是由最大

14、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V(BR)CEO所决定。过损耗区由集电极功耗PCm所决定。第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路1) PCM PT1max =0.2PoM2)CCCEOBRVU2)( L2CCoM2RVP uuVCCVCCoiLR第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路互补对称功放电路设置适当的静态工作偏流的方法很多，互补对称功放电路设置适当的静态工作偏流的方法很多，如图如图5.2.95.2.9所示电路为利用所示电路为利用U UBEBE 扩大电路扩大电路进行偏置的进行偏置的OCLOCL互补对称电路。互补对称电路。 1244122142

15、()(1)BECERRBEUUUURRRRUR 合理选择合理选择R1、R2，b2、b3间可间可得到得到 UBE4 任意倍的电压。任意倍的电压。第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路实际的功率放大电路实际的功率放大电路1. OTL 音频功率放大电路音频功率放大电路中中间间级级前前置置放放大大级级功功率率放放大大级级第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路2. OTL 高保真功率放大电路高保真功率放大电路高保真高保真 OTL 功率放大电路功率放大电路第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路增加复合管的目的：增加复合管的目的：扩大电流的驱动能力。扩大电流的驱动能力。 1 2晶体管的类型由复合管中的

16、第一支管子决定。晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。复合复合NPN型型复合复合PNP型型cebCibieiT12TbcebiTiCeicbeibTTe1C2iibecieiiCTb5.2.4 5.2.4 采用复合管的互补对称功率放大电路采用复合管的互补对称功率放大电路 第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路1 1复合管的接法复合管的接法 复合管有四种连接方法。复合管有四种连接方法。 第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路优点优点可以获得很高的电流放大系数可以获得很高的电流放大系数 ；提高中间级的输入电阻；提高中间级的输入电阻；提高了集成运放总的电压放大倍数。提高了集成运放总的电压放大倍

17、数。复合管的构成：复合管的构成：+uBEiBiB1iC2iCiEiE1 = iB2VT1bVT2eciC1由两个或两个以上三极管组成。由两个或两个以上三极管组成。复合管共射电流放大系数复合管共射电流放大系数 值值BC ii 因因为为由图可见由图可见2B21B12C1CCiiiii 1B11E2B)1(iii 1BBii 第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路C1B12B11212B1(1)()iiii +uBEiBiB1iC2iCiEiE1 = iB2VT1bVT2eciC1则则212121 BCii所所以以三极管输入电阻三极管输入电阻 rbe2be11beBBEbe)1(rriur 其中其

18、中)1(2be11be1B2be2B1be1BBErriririu 所以所以显然，显然， 、rbe 均比一个管子均比一个管子 1、rbe1 提高了很多倍。提高了很多倍。图图 4. 2.19第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路构成复合管时注意构成复合管时注意1) 前后两个三极管连接关系上，应保证前级输出电前后两个三极管连接关系上，应保证前级输出电流与后级输入电流实际方向一致。流与后级输入电流实际方向一致。2)外加电压的极性应保证前后两个管子均为发射结外加电压的极性应保证前后两个管子均为发射结正偏，集电结反偏，使管子工作在放大区。正偏，集电结反偏，使管子工作在放大区。复合管的接法复合管的接法V

19、T1bVT2ec VT2VT1bec( (a) ) NPN 型型( (b) ) PNP 型型复合管的接法复合管的接法第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路( (c) ) NPN 型型 cVT1bVT2e( (d) ) PNP 型型 VT2VT1bec复合管的接法复合管的接法第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路21211)1 (bebebeberrrr1beberr（1 1）任意两只三极管适当连接可以等效为一只三极管，）任意两只三极管适当连接可以等效为一只三极管，其等效后的型号与其等效后的型号与第一只管子第一只管子的型号相同；的型号相同；（2 2）等效管子的电流放大系数近似为两只管子放大系

20、）等效管子的电流放大系数近似为两只管子放大系数的乘积，即数的乘积，即 1 12 2（3 3）等效管子的输入电阻为）等效管子的输入电阻为同型号的两只管子复合时，同型号的两只管子复合时， 不同型号的两只管子复合时，不同型号的两只管子复合时， 结结 论论(4) 在集成运放中，复合管不仅用于中间级，也常用在集成运放中，复合管不仅用于中间级，也常用 于输入级和输出级。于输入级和输出级。第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路由互补对称电路由互补对称电路R1R2uoRuI+VCCVT2RL VCCNPNVD1VD2VT1NPNVT3PNPPNPVT4准互补对称电路准互补对称电路R1R2uoRuI+VCCV

21、T2RL VCCVD1VD2VT1VT3VT4Rc1Rc2改进：改进：缺点：由于缺点：由于 VT3、VT4 类型不同，互补性差。类型不同，互补性差。2 2复合管组成的互补对称功率放大电路复合管组成的互补对称功率放大电路 第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路图图5.2.11 5.2.11 复合管组成的互补对称功率放大电路复合管组成的互补对称功率放大电路第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路图图5.2.12 5.2.12 复合管组成的准互补对称功率放大电路复合管组成的准互补对称功率放大电路第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路带复合管的带复合管的OCL互补输出功放电路：互补输出功放电路：

22、T1：电压推动级（前置级）电压推动级（前置级） T2、R1、R2：UBE扩大电路扩大电路 T3、T4、T5、T6：复合管构成互补对称功放复合管构成互补对称功放 输出级中的输出级中的T4、T6均为均为NPN型晶体管，型晶体管，两者特性容易对称。两者特性容易对称。 合理选择合理选择R1、R2，b3、b5间间可得到可得到 UBE2 任意倍的电压。任意倍的电压。22122RRRUUBECE uuLRT3TT65oT41T2Ti3RR12R第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路5.3 5.3 集成功率放大电路集成功率放大电路5.3.1 LM3865.3.1 LM386通用型集成功率放大电路通用型集成功

23、率放大电路 5.3.2 5.3.2 专用型集成功率放大电路专用型集成功率放大电路XG4140XG4140 5.3.3 5.3.3 音频集成功率放大电路音频集成功率放大电路CD4100CD4100 第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路5.3 5.3 集成功率放大电路集成功率放大电路 集成功率放大器由于不仅具有集成功率放大器由于不仅具有体积小、重量轻、成体积小、重量轻、成本低、外围元件少，安装调试简单，使用方便本低、外围元件少，安装调试简单，使用方便等优点等优点, ,而而且在性能上也优于分立元件，例如温度稳定性好，功耗小、且在性能上也优于分立元件，例如温度稳定性好，功耗小、失真小。失真小。特别

24、是集成功率放大器内部还设置有过热、过电特别是集成功率放大器内部还设置有过热、过电流、过电压等自动保护功能的电路对电路自行进行保护。流、过电压等自动保护功能的电路对电路自行进行保护。 第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路 1 1LM386LM386内部电路内部电路 LM386LM386内部电路原理图如图内部电路原理图如图5.3.15.3.1所示。与通用型集成运所示。与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路放相类似，它是一个三级放大电路。图5.3.1 LM386内部原理电路第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路图5.3.2 LM386的外部引线图 电路单电源供电，如在电路单电源供电，如在

25、、间接一个可调电阻电容间接一个可调电阻电容串联网络，就可改变功放的增益，其可调范围为串联网络，就可改变功放的增益，其可调范围为2020200200倍。倍。 LM386LM386供电电压为供电电压为4 412V12V，在，在V Vcccc=6V=6V时可驱动时可驱动44负载，负载，9V9V时可驱动时可驱动88负载。负载。 外部引线图如图外部引线图如图5.3.25.3.2所示。所示。 第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路2 2LM386LM386组成组成OTLOTL电路电路 如果在如果在1和和8之间之间断开断开时，电路增益为时，电路增益为20；如果在如果在1和和8之间之间外接外接10uF的电容

26、器的电容器C1时，电路增益为时，电路增益为200；如果在如果在1和和8之间接入之间接入1.2K电阻电阻R1和和10uF的电容器的电容器C1时，时，则电路增益为则电路增益为50；调节；调节电阻电阻R1的大小，其功放的增益可调的大小，其功放的增益可调范围为范围为20200倍。倍。 第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路图5.3.4 由LM386组成的简单OTL音频放大电路 若增益只需若增益只需2020倍，且电路无自激，则增益调节网络、倍，且电路无自激，则增益调节网络、相位补偿网络及电源退耦网络都可消去，可变成简单的相位补偿网络及电源退耦网络都可消去，可变成简单的外围应用电路，如图外围应用电路，如

27、图5.3.45.3.4所示。所示。 第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路3 3LM386LM386组成组成BTLBTL电路电路 桥式推挽功率放大电路（也称为桥式推挽功率放大电路（也称为平衡式无输出变压平衡式无输出变压器电路器电路），简称为），简称为BTL(BridgeBTL(Bridge-Tied-load)-Tied-load)电路电路。其主。其主要特点是在同样电源电压和负载电阻条件下，它可得到要特点是在同样电源电压和负载电阻条件下，它可得到比比OCLOCL或或OTLOTL电路大几倍的输出功率，其工作原理图如图电路大几倍的输出功率，其工作原理图如图5.3.55.3.5所示。所示。 图5.3.5 BTL原理电路第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路图图5.3.6 5.3.6 由由LM386LM