第10章功率放大电路

1、第第10章章 功率放大电路功率放大电路10.1 功率放大电路的特殊问题及其分类功率放大电路的特殊问题及其分类10.2互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路10.3集成功率放大器集成功率放大器10.4功率管的散热与二次击穿功率管的散热与二次击穿本节重点本节重点: :1 1、正确理解乙类互补对称功率放大电路放大电路的、正确理解乙类互补对称功率放大电路放大电路的分析方法；分析方法；2 2、掌握乙类互补对称功率放大电路性能指标的计算。、掌握乙类互补对称功率放大电路性能指标的计算。例：例： 扩音系统扩音系统什么是功率放大电路？什么是功率放大电路？ 在电子系统中，模拟信号被放在电子系统中，模拟信号被放大

2、后，往往要去推动一个实际的负载。如使扬声器发声、继大后，往往要去推动一个实际的负载。如使扬声器发声、继电器动作、电器动作、 仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率很大。能够输出较大功率的放大电路称为很大。能够输出较大功率的放大电路称为功率放大电路功率放大电路。电电压压放放大大功功率率放放大大信信号号提提取取10.1 功率放大电路的特殊问题及其分类功率放大电路的特殊问题及其分类10.1.1 功率放大电路的特殊问题功率放大电路的特殊问题10.1.2 功率放大电路的分类功率放大电路的分类1、安全的提供尽可能大的输出功率、安全的提供尽可能大的输出功率10.

3、1.1 功率放大电路的特殊问题功率放大电路的特殊问题MomMomMoMoMo)()(21)()()(IUIUP2、提供尽可能高的功率转换效率、提供尽可能高的功率转换效率CCVoPP例如，某放大电路的效率例如，某放大电路的效率=50%，说明电源提供的功率只，说明电源提供的功率只有一半转换成输出功率传给了负载，另一半消耗在电路内有一半转换成输出功率传给了负载，另一半消耗在电路内部。部。 最大输出功率最大输出功率是指在正弦输入信号下，输出波形不超过规定是指在正弦输入信号下，输出波形不超过规定的非线性失真指标时，放大电路最大输出电压和最大输出电的非线性失真指标时，放大电路最大输出电压和最大输出电流有效

4、值的乘积流有效值的乘积。3、允许一定非线性失真、允许一定非线性失真4、分析方法采用图解法、分析方法采用图解法5、功率管的散热和保护问题、功率管的散热和保护问题6、负载匹配问题、负载匹配问题 功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真。输出功率和非线性失真是一对矛盾，但产生非线性失真。输出功率和非线性失真是一对矛盾，但可以根据应用场合的不同来调和这对矛盾。可以根据应用场合的不同来调和这对矛盾。 功率放大电路工作在大信号状态，不采用微变等效电路功率放大电路工作在大信号状态，不采用微变等效电路法。法。 相当大的功率消耗在管子上，为了保证

5、功率管的安全工相当大的功率消耗在管子上，为了保证功率管的安全工作，常常要给大功率管加装散热片，必要时还可采用风冷、作，常常要给大功率管加装散热片，必要时还可采用风冷、水冷、油冷等方式来散热。水冷、油冷等方式来散热。 为了获得较大的输出功率和效率，功率放大电路与负为了获得较大的输出功率和效率，功率放大电路与负载要匹配。载要匹配。 1按放大信号频率分类按放大信号频率分类低频功率放大电路：音频几十低频功率放大电路：音频几十Hz 几十几十kHz高频功率放大电路高频功率放大电路 ：射频几百：射频几百kHz 几十几十MHz2按晶体管导通时间分类按晶体管导通时间分类10.1.2 功率放大电路的分类功率放大电

6、路的分类甲类放大电路甲类放大电路 = 360 特点：特点：波形失真小，静态电流大，管耗大，效率低。波形失真小，静态电流大，管耗大，效率低。乙类放大电路乙类放大电路 = 180 特点：特点：波形失真大，静态电流为零波形失真大，静态电流为零 ，管耗小，效率高。，管耗小，效率高。甲乙类放大电路甲乙类放大电路180 0 V1 导通，导通，V2 截止截止iC1io = iE1 = iC1, uO = iC1RLui 0 VT1 微导通微导通 充分充分导通导通VT2 微导通微导通 截止截止当当 ui 0 VT2 微导通微导通 充分导通充分导通VT1 微导通微导通 截止截止动态时动态时甲乙类互补对称功率放大

7、电路的甲乙类互补对称功率放大电路的参数计算公式同乙类互参数计算公式同乙类互补对称功率放大电路。补对称功率放大电路。采用二极管进行偏置的缺点是偏置电压是固定的，不易调整。采用二极管进行偏置的缺点是偏置电压是固定的，不易调整。 利用利用UBE扩大电路进行偏置的互补对称电路扩大电路进行偏置的互补对称电路 BE421CE4/1URRU只要适当调节只要适当调节R1、R2的比值，就可改变的比值，就可改变VT1、VT2的偏压值。的偏压值。 【例例10-5】 在图所示电路中，已知在图所示电路中，已知VCC=15V，输入电压为正弦波，晶，输入电压为正弦波，晶体管的饱和压降体管的饱和压降|UCES|=3V，电压，

8、电压放大倍数约为放大倍数约为l，负载电阻，负载电阻RL=4。 （1）求解负载上可能获得的最）求解负载上可能获得的最大功率和效率。大功率和效率。 （2）若输入电压最大有效值为）若输入电压最大有效值为8V，则负载上能够获得的最大功，则负载上能够获得的最大功率为多少？率为多少？（3）若）若VT1管的集电极和发射极管的集电极和发射极短路，则将产生什么现象短路，则将产生什么现象?【例例10-5】 （1）求解负载上可能获得的）求解负载上可能获得的 最大功率和效率。最大功率和效率。 V12)V315()(CESCCMomUVUW18W4212)(21)(2L2MomMoRUP%8 .6215124)(4CC

9、MomMVU【例例10-5】 （2）若输入电压最大有效值为）若输入电压最大有效值为8V，则负载上能够获得的最大功率为多则负载上能够获得的最大功率为多少？少？iouu V8)()(MiMo UUW16W48)()(2L2MoMoRUP【例例10-5】 （3）若）若VT1管的集电极和发射极短路，管的集电极和发射极短路，则将产生什么现象则将产生什么现象?CC32CCbeVTVRVCQ2BQ2IIVT2功耗过大而损坏功耗过大而损坏 【例例10-6】OCL互补对称电路及元件参数如图，已测得互补对称电路及元件参数如图，已测得VT1和和VT2管的饱和压降管的饱和压降|UCES|=1V 。（1）ui的幅值的幅

10、值Uim为多大时，为多大时，RL上可达到最大不失真输出电上可达到最大不失真输出电压压(Uom)M？（2）应如何选择晶体管）应如何选择晶体管VT1、VT2的参数的参数ICM，U(BR)CEO？ 7V1)V118()(CESCCMomUVUiii1Fo611060011UUURRUV279. 0V611761)()(MomMimUU解：（解：（1）RL上的最大不失真输出电压为上的最大不失真输出电压为 A25. 2A818LCCCMRVIV36V1822CC(BR)CEO VU（2）晶体管）晶体管VT1、VT2的参数为的参数为 2. OTL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CCK2

11、1VU 当输出当输出uo达到正半周最大幅值时，要求达到正半周最大幅值时，要求K点点电位电位UK接近于接近于+VCC。而实际上从电源。而实际上从电源VCC经过经过RC1、UBE2的降压后，的降压后，UK不可能为不可能为+VCC。 在在ui正半周，正半周，iC2逐渐增大，逐渐增大，iC3逐渐减逐渐减小，小，VT3截止；在负半周，截止；在负半周，iC3逐渐增逐渐增大，大，iC2逐渐减小，逐渐减小，VT2截止。截止。 VKVB1 IB1IC1 VC1VK采用负反馈稳定采用负反馈稳定VKD1 、 D2使使b1和和b2之间的电位差等于之间的电位差等于2个二极管个二极管正向压降，克服交越失真正向压降，克服交

12、越失真。3. 具有自举电路的具有自举电路的OTL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 具有自举电路的OTL电路 KCCKC2KC2G21uVuUuuuCCCCCCKGC22121VVVUUUCCCC21VVuK在 之间变化 UG随输出电压上升而自动抬高，以增加正半周输出幅度。随输出电压上升而自动抬高，以增加正半周输出幅度。即使输出电压幅度升得很高，也有足够电流iB2使VT2充分导通，使Uom接近CC21V 10.2.4 OCL准互补对称功率放大电路准互补对称功率放大电路 接有泄放电阻的复合管接有泄放电阻的复合管 甲、乙类互补对称功率放大电路的另一个缺点：对称甲、乙类互补对称功率

13、放大电路的另一个缺点：对称管难以匹配的问题。管难以匹配的问题。准互补准互补OCL电路电路 只要选择合适的电路参数R1和R2，就可以获得UBE任意倍数的直流偏压，从而适应不同功率放大电路对偏压的不同要求。 10.3 集成功率放大器集成功率放大器10.3.1 LM386集成功率放大器集成功率放大器10.3.2 其它集成功率放大器其它集成功率放大器集成功率放大器组成：集成功率放大器组成：前置级、中间级、输出级、偏置电路前置级、中间级、输出级、偏置电路集成功率放大器特点：集成功率放大器特点：输出功率大、效率高输出功率大、效率高有过流、过压、过热保护有过流、过压、过热保护1电路组成电路组成 10.3.1

14、 LM386集成功率放大器集成功率放大器1. 8 开路时，开路时， Au = 20( (负反馈最强负反馈最强) )1. 8 交流短路交流短路 Au = 200( (负反馈最弱负反馈最弱) )1. 8接接电阻电容电阻电容时，时， Au = 50 2LM386的引脚图及特性的引脚图及特性 特性：特性： 静态功耗低，约为静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电；可用于电池供电； 工作电压范围宽，工作电压范围宽，4-12V 或或 5-18V；外围元件少；外围元件少；电压增益可调，电压增益可调，20-200；低失真度；低失真度；当电源电压为当电源电压为12V时，在时，在8的负载情况下，可提供的负载情况下，

15、可提供几百几百mW的功率；的功率；典型输入阻抗为典型输入阻抗为50k。 （1）LM386电压增益最小的接法电压增益最小的接法3LM386在实际电路中的应用在实际电路中的应用 静态时输出电容上电压为静态时输出电容上电压为VCC2，LM386的最大不失真的最大不失真输出电压的峰输出电压的峰-峰值约为电源电压峰值约为电源电压VCC。设负载电阻为。设负载电阻为RL，最大输出功率表达式为最大输出功率表达式为L2CCL2CCMo822/)(RVRVP（2）LM386电压增益最大的接法电压增益最大的接法（3）LM386的一般接法的一般接法 10.3.2 其它集成功率放大器其它集成功率放大器1SHM1150型

16、集成功率放大器型集成功率放大器2LM4860桥式集成功率放大器桥式集成功率放大器 3D2002小功率通用型集成功率放大器小功率通用型集成功率放大器 (a) D2002外型及管脚外型及管脚 (b) D2002应用电路应用电路10.4 功率管的散热与二次击穿功率管的散热与二次击穿10.4.1 功率管的散热功率管的散热10.4.2 功率管的二次击穿功率管的二次击穿10.4.1 功率管的散热功率管的散热1.热阻：热阻：阻碍热的传导的阻力阻碍热的传导的阻力 。sacsjcRRRR2. 晶体管的散热计算晶体管的散热计算 (a) 齿轮形齿轮形 (b) 指状形指状形 (c) 板条形板条形图图10-27 散热器

17、的几种形状散热器的几种形状 当集电极中产生的热量与传输到周围环境中的热量达到动当集电极中产生的热量与传输到周围环境中的热量达到动态平衡时，结温就不再上升，其值态平衡时，结温就不再上升，其值满足下列热平衡方程满足下列热平衡方程 CajRPTT R为热阻，为热阻，Ta为环境温度，为环境温度，PC为功率管集电极耗散功率为功率管集电极耗散功率 当晶体管结温功耗达到最大允许值当晶体管结温功耗达到最大允许值TjM RTTPajMCMTa常取常取25 C为基准，晶体管手册中给出的为基准，晶体管手册中给出的PCM是在采用指定是在采用指定尺寸的散热器并规定尺寸的散热器并规定Ta取取25 C时的数值。也就是说管子

18、的时的数值。也就是说管子的型号一旦确定，则型号一旦确定，则TjM随之确定。随之确定。 10.4.2 功率管的二次击穿功率管的二次击穿1. 二次击穿现象二次击穿现象2. 二次击穿产生的原因二次击穿产生的原因管内的结构缺陷，例如结面不均匀，晶格缺陷。管内的结构缺陷，例如结面不均匀，晶格缺陷。3. 防止二次击穿的措施防止二次击穿的措施（1）在设计电路时，要设法使晶体管工作在安全区以内，）在设计电路时，要设法使晶体管工作在安全区以内，而且还要留有余地。而且还要留有余地。（2）使用时要尽量避免产生过压和过流的可能性，不要将）使用时要尽量避免产生过压和过流的可能性，不要将负载开路或短路，不要突然加强信号，

19、同时不允许电源电负载开路或短路，不要突然加强信号，同时不允许电源电压有很大波动。压有很大波动。（3）采取适当的措施。）采取适当的措施。1. 功率放大电路的主要任务是在非线性失真允许的范围内，功率放大电路的主要任务是在非线性失真允许的范围内，高效地获得尽可能大的输出功率。其主要功能是向负载提供高效地获得尽可能大的输出功率。其主要功能是向负载提供交流功率，带动一定装置执行动作。交流功率，带动一定装置执行动作。2. 功率放大电路的特点是信号的电流和电压动态范围大，工功率放大电路的特点是信号的电流和电压动态范围大，工作时易接近功率管的极限参数和特性曲线的非线性区。作时易接近功率管的极限参数和特性曲线的非线性区。3. 甲类功率放大电路的特点是失真小，但因为效率低，静态甲类功率放大电路的特点是失真小，但因为效率低，静态功耗高，所以采用乙类互补对称功率放大电路，其理想情况功耗高，所以采用乙类