第九章 低频功率放大电路

1、第九章 低频功率放大电路第九章第九章 低频功率放大电路低频功率放大电路9.1 低频功率放大电路概述低频功率放大电路概述 9.2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路 9.3 集成功率放大器集成功率放大器 第九章 低频功率放大电路9.1 低频功率放大电路概述低频功率放大电路概述 9.1.1 分类分类 (a) 甲类(b) 乙类(c) 甲乙类iBOOOOOOiCiCiCiCiCiCiBiBiBiBiBttttttOOO图图 9 1 甲类、乙类、甲乙类功率放大电路的工作状态示意图甲类、乙类、甲乙类功率放大电路的工作状态示意图 第九章 低频功率放大电路9.1.2 功率放大器的特点功率放大器的特点 1

2、. 输出功率要足够大输出功率要足够大 如输入信号是某一频率的正弦信号, 则输出功率表达式为oooUIP 式中, Io、Uo均为有效值。如用振幅值表示, , 代入公式(9 - 1), 则（9-1）2/2/omoomoUUIIomomoUIP21第九章 低频功率放大电路2. 效率要高效率要高 %100EoPP 放大器实质上是一个能量转换器, 它是将电源供给的直流能量转换成交流信号的能量输送给负载, 因此, 要求转换效率高。为定量反映放大电路效率的高低, 引入参数, 它的定义为式中, Po为信号输出功率, PE是直流电源向电路提供的功率。在直流电源提供相同直流功率的条件下, 输出信号功率愈大, 电路

3、的效率愈高。 (9-3)第九章 低频功率放大电路 3. 非线性失真要小非线性失真要小 为使输出功率大, 由式(9 - 2)可知Iom、Uom也应大, 故功率放大器采用的三极管均应工作在大信号状态下。由于三极管是非线性器件, 在大信号工作状态下, 器件本身的非线性问题十分突出, 因此, 输出信号不可避免地会产生一定的非线性失真。当输入是单一频率的正弦信号时, 输出将会存在一定数量的谐波。谐波成分愈大,表明非线性失真愈大, 通常用非线性失真系数表示, 它等于谐波总量和基波成分之比 通常情况下, 输出功率愈大, 非线性失真就愈严重。 第九章 低频功率放大电路9.1.3 提高输出功率的方法提高输出功率

4、的方法 1. 提高电源电压提高电源电压 maxceCEOUBUmaxccmIImaxccmPP第九章 低频功率放大电路2. 改善器件的散热条件改善器件的散热条件 普通功率三极管的外壳较小, 散热效果差, 所以允许的耗散功率低。当加上散热片, 使得器件的热量及时散热后, 则输出功率可以提高很多。例如低频大功率管3AD6在不加 散 热 片 时 , 允 许 的 最 大 功 耗 Pc m仅 为 1 W, 加 了120mm120 mm4 mm的散热片后, 其Pcm可达到10 W。 在实际功率放大电路中,为了提高输出信号功率, 在功放管一般加有散热片。 第九章 低频功率放大电路9.1.4 提高效率的方法提

5、高效率的方法 QMOAMNUCEQUCCUcemuCEBiCIcmICQ图图 9 2 功放的图解法功放的图解法(甲类放大状态甲类放大状态) 第九章 低频功率放大电路CCCQoUIP21即为MMQ的面积。 电源提供的直流功率为CQCCEIUP 即为 OMBA的面积值, 故效率 放大电路输出功率为 面积OMBAMQMPPEo第九章 低频功率放大电路1. 改变功放管的工作状态改变功放管的工作状态 QUcemuCEiCIcmO图 9 3 乙类放大状态 第九章 低频功率放大电路2. 选择最佳负载选择最佳负载 CABOMUCCuCEiCPcm图 9 4 最佳负载的确定 第九章 低频功率放大电路9.2 互补

6、对称功率放大电路互补对称功率放大电路 9.2.1 双电源互补对称电路双电源互补对称电路 (OCL电路电路) UCCOtui UEEV1V2uiuoRLtOuottO(a) 电路图RLuiuo UCCV1RLV2uiuo UEE(b) 正半周(c) 负半周O1ci2ci2ci1ci1ci2ci图图9 5 双电源互补对称电路双电源互补对称电路 第九章 低频功率放大电路 设两管的门限电压均等于零。当输入信号ui=0, 则ICQ=0, 两管均处于截止状态, 故输出uo=0。当输入端加一正弦信号, 在正半周时, 由于ui0, 因此V1导通、V2截止, ic1流过负载电阻RL; 在负半周时, 由于ui0,

7、 因此V1截止、V2导通, 电流ic2通过负载电阻RL, 但方向与正半周相反。 即V1、V2管交替工作, 流过RL的电流为一完整的正弦波信号, 波形如图9 - 2所示。由于该电路中两个管子导电特性互为补充, 电路对称, 因此该电路称为互补对称功率放大电路。 第九章 低频功率放大电路2. 指标计算指标计算 O波形QUCCUcemuCEIcmUcesUCE波形波形Icm2IcmOUcesUcem2UcemABOuCEUcesQiBL1R(a)(b)1ci2ci1ci1ci1Bi1Bi图图9 6 双电源互补对称电路的图解分析双电源互补对称电路的图解分析 第九章 低频功率放大电路(1) 输出功率输出功

8、率Po: LcemcemcmcmcemoRUUIIUP2212122当考虑饱和压降Uces时, 输出的最大电压幅值为 cescccemUUU 一般情况下, 输出电压的幅值Ucem总是小于电源电压UCC值, 故引入电源利用系数CCcemUU(9-6)(9-4)第九章 低频功率放大电路LCComRUP221LCCLcemoRURUP2222121将(9 - 6)式代入(9 - 4)式得 当忽略饱和压降Uces时, 即=1, 输出功率Pom可按下式估算: 第九章 低频功率放大电路O1PomPo图9 - 7Po与关系曲线 第九章 低频功率放大电路 (2) 效率: 由(9 - 3)式确定。为此应先求出电

9、源供给功PE。 IcmticO图9 8 集电极电流ic波形 第九章 低频功率放大电路cmcmcavIttdItdiI1)(sin21)(2101201因此, 直流电源UCC供给的功率为 LCCCCLcemCCcmCCavERUURUUIUIP21111LCCEERUPP2122因考虑是正负两组直流电源, 故总的直流电源的供给功率为 第九章 低频功率放大电路O1PEmPE4221222LCCLCCEoRURUPP当=1时, 效率最高, 即 %5 .784max图图9 9 PE与与的关系曲线的关系曲线第九章 低频功率放大电路(3) 集电极功率损耗Pc: 22212LCCoEcRUPPPO1Pc m

10、axPc2图9 - 10Pc与的关系曲线 (9-14)第九章 低频功率放大电路022LCCcRUddP636. 02LCCcRUP22max2omomcPPP4 . 042max第九章 低频功率放大电路omccPPP2 . 021maxmax1omcmCCceoomcmIIUBUPP22 . 0第九章 低频功率放大电路3. 存在问题存在问题 (1) 交越失真。 OuBEOttuiio , uo交越失真O11CB,ii22CB,ii图图9 11 互补对称功率放大电路的交越失真互补对称功率放大电路的交越失真 第九章 低频功率放大电路(a) UCCC1R1RcRbV3V2V1uiuoRL UEE(b

11、) UCCRcRbV2V1uiuoRL UEE(c) UCCRcRbV2V1uiuoRL UEEVD1VD2V3R1R2V3V4图图9 12 克服交越失真的几种电路克服交越失真的几种电路 1321RIUUQCEBBE 图9 - 12(a)是利用V3管的静态电流IC3Q在电阻R1上的压降来提供V1、V2管所需的偏压, 即第九章 低频功率放大电路 图9 - 12(b)是利用二极管的正向压降为V1、V2提供所需的偏压, 即2121DDEBBEUUUU 图9-12(c)是利用UBE倍压电路向V1、V2管提供所需的偏压, 其关系推导如下: )(213212212EBBEBBBEUURRRURRRU所以3

12、321)1 (21221BEBEEBBEURRURRRUU第九章 低频功率放大电路(2) 用复合管组成互补对称电路 1bI1bI1b21Ibce12(a)1bI1b1I1b21Ibce12(b)1bI1bI1b21Ibce12(c)1bI1b1I1b21Ibce(d)12图9 13 复合管的几种接法 2112bcII第九章 低频功率放大电路V1V3V2V4V5 UCCRcRbuiuoRL UEER1VD1VD2图9 14 复合管互补对称级 第九章 低频功率放大电路V1V3V2V5 UCCRcRbuiuoRL UEER1VD1VD2V4图9 15 准互补对称电路 第九章 低频功率放大电路9.2.

13、2 单电源互补对称电路单电源互补对称电路 (OTL电路电路) V1V3 UCCuiuoRLRVD1VD2V4V21bR1eR2bRC2V1A2cR图9 16 单电源互补对称电路 第九章 低频功率放大电路9.2.3 实际功率放大电路举例实际功率放大电路举例 3DG452V1V3V2V5V4V6V8V10V6V7V9Uo3eRC1C2C3C4Ui1bR*3DG452CP1023DG453CG73DD153DD153DG123CG53DG6680 150 220 10eR0.5 5cR330 4cR*220 0.5 150 2.2 k10 kRfR1R210 RL8 2bR620 C547 F120

14、 F120 pF120 pF0.033 FBX2A24 V24 V22.7 V9eR7eRVD1VD25eR1cR4eR8eR0V图图9 17 OCL准互补对称功率放大电路准互补对称功率放大电路 第九章 低频功率放大电路12 18 V12 18 VV1V3V2V482 kR322 kR182 kR210 kR5240 R90.5 R110.5 R10240 R722 R822 R610 kR4VD1VD2VD312 F / 25 V5 F / 25 Vui图9-18 集成运放作为前置级的OCL电路 第九章 低频功率放大电路9.3 集成功率放大器集成功率放大器 9.3.1 内部电路组成简介内部电

15、路组成简介 图 9 - 19 中虚线框内为DG4100系列单片集成功放内部电路。它由三级直接耦合放大电路和一级互补对称放大电路构成,并由单电源供电, 输入及输出均通过耦合电容与信号源和负载相连, 是OTL互补对称功率放大电路。 第九章 低频功率放大电路V1V3V2V5V4V6V7V8V9V11V10V12V13V14R1RfR3R2R4R5R6R11R7R12R12R9R10R8C1C2C3C4C7CfC8C6C9uoui6891012131412345C4C5 UCC图图 9-19 DG4100集成功放集成功放与外接元件总与外接元件总电路图电路图 第九章 低频功率放大电路 因为反馈由输出端直接引至输入端, 且放大器的开环增益很高(三级电压放大), 整个放大电路为深度负反馈放大器, 所以, 放大器的闭环电压增益约为1/F, 即 当信号ui正半周输入时, V2输出也为正半周, 经两级中间放大后, V7输出仍为正半周, 因此V12、V13复合管导通, V8、V14管截