模电-功率放大电路课件

1、 8.1 功率放大电路的一般问题 8.2 甲类互补功放 8.3 乙类双电源互补功率放大器 8.4 甲乙类双电源互补功率放大器 8.5 集成功率放大器第八章 功率放大电路例例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，以驱，以驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、 仪表仪表指针偏转等。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提提取取8.1 功率放大电路的一般问题例例2：温度控制温度控制R1-R3:标准电阻标准电阻Va : 基准电压基准电压Rt :热敏电阻热敏电阻A：

2、电压放大器：电压放大器RtTVOT 温度调节温度调节过程过程VbVO1R1aR2voVsc+R3Rt 功功 放放b温控室温控室A+-vo1加热元件加热元件1功率放大电路的定义功率放大电路的定义 功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。它一般直接驱动负载，带负载能力要强。路。它一般直接驱动负载，带负载能力要强。2功率放大电路与电压放大电路的区别功率放大电路与电压放大电路的区别 (1).本质相同本质相同电压放大电路或电流放大电路：主要用于增强电压幅度电压放大电路或电流放大电路：主要用于增强电压幅度或电流幅度。或电流幅度。功率放大电路功率放大电

3、路: 主要输出较大的功率。主要输出较大的功率。但无论哪种放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电流但无论哪种放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电流和功率，从能量控制的观点来看，放大电路实质上都是能量和功率，从能量控制的观点来看，放大电路实质上都是能量转换电路。转换电路。因此，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。称呼因此，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。称呼上的区别只不过是强调的输出量不同而已。上的区别只不过是强调的输出量不同而已。(2). 任务不同任务不同(3).指标不同指标不同(4).研究方法不同研究方法不同电压放大电路：主要任务是使负载得到不失真的电压信号。电压放大电路

4、：主要任务是使负载得到不失真的电压信号。输出的功率并不一定大。在小信号状态下工作输出的功率并不一定大。在小信号状态下工作.功率放大电路：主要任务是使负载得到不失真（或失真较小）功率放大电路：主要任务是使负载得到不失真（或失真较小）的输出功率。在大信号状态下工作。的输出功率。在大信号状态下工作。电压放大电路：主要指标是电压增益、输入和输出阻抗电压放大电路：主要指标是电压增益、输入和输出阻抗.功率放大电路：主要指标是功率、效率、非线性失真。功率放大电路：主要指标是功率、效率、非线性失真。电压放大电路：图解法、等效电路法电压放大电路：图解法、等效电路法功率放大电路：图解法功率放大电路：图解法 (1)

5、(1)输出功率输出功率PoPo尽可能大尽可能大(2)(2)效率效率 要高要高PoPo大，电路的能量损耗也大(3)(3)非线性失真非线性失真 要小要小大信号工作状态， 与PoPo、 是一对矛盾(4)(4)功放管散热和保护问题功放管散热和保护问题 3.3.功率放大电路的特殊问题功率放大电路的特殊问题 要求Vo和Io都足够大根据静态偏置静态偏置或输出功放管导通角导通角的不同，功放电路可分为四种:4.4.功率放大电路的分类功率放大电路的分类 甲类甲类 乙类乙类 甲乙类甲乙类丙类丙类类别 工作点 波 形 导通角 特点甲类甲乙类乙类较高较高较低较低最低最低360 180 180 360 无失真无失真效率低

6、效率低失真大失真大效率最高效率最高失真大失真大效率较高效率较高功放电路分类比较表功放电路分类比较表T1+VccOCL(无输出电容)双双管：NPN、PNP特性相同且互补 双双共集电路双双电源供电 8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路又称OCL互补功放8.3.1 电路组成T1+Vcc-VccT2RLvo+-Vi+-vi正半周时结论：结论： 两个三极管，轮流导电轮流导电（正、负半周）互补不足互补不足忽略三极管的开启电压:T1导电iC1通过RLvi负半周时T2导电iC2通过RL合成合成完整、不失真波形互补推挽T1+Vcc-VccT2RLvo+-Vi+-OtiC12TOtiC2TOtiLiC1iC2工

7、作原理负载上的最大不失真电压最大不失真电压为Vom=VCC -VCESvo=-vce8.3.2 分析计算L2CESCCL2omomaxR2)VV(R2VPoooIVP1输出功率输出功率Po)VVV(R2VPCESCComL2CCoM略最大不失真功率为：最大不失真功率为：理想最大输出功率为：理想最大输出功率为：以正半周为例wtvsinVomo设：功率三角形Vom: 峰值Lcemcem22RVVL2cem2 RVL2om2 RV2 2三极管的管耗三极管的管耗P PT T )d(21=0T1tivPCCET2T1P=P)sin(210omtVVCC)4(12omomCCLVVVR)d(sinomtR

8、tVLT1T2PP )4(22omomCCLVVVR3 3直流电源供给功率直流电源供给功率PV)d(sin220LomCCttRVVCCCCV=IVPLomCC2RVV)d(sin220omCCttIVTOV=PPP当Vom = VCC 时，max=/4 =78.5。CComLomCC2LomVo4R22RVVVVVPP4效率效率L22CCT1maxRVP问：问：Vom=？ PT1最大, PT1max=？用PT1对Vom求导得出：)4(12omomCCL1VVVRPToML2CC2 . 022 . 0PRV8.3.3 功率BJT的选择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将

9、Vom=0.64VCC代入PT1表达式得:PT1max发生在Vom=2VCC/=0. 64VCC处2. 功率BJT的选择(1)最大允许管耗PCM(2)|V(BR)CEO|(3)最大集电极电流ICM0.2POM2VCCLCCRV散热与最大功耗散热与最大功耗PCMPCM的关系的关系 电源供给的功率，一部分转换为负载的有用功率，另一部分则消耗在功率管的集电结，变为热能而使管芯的结温上升。如果晶体管管芯的温度超过管芯材料的最大允许结温TjM(锗管TjM约为75100,硅管TjM约为150200)，则晶体管将永久损坏。这个界限称为晶体管的最大允许功耗PCM。 描述热传导阻力大小的物理量称为热阻RT。 R

10、T的量纲为/W，它表示每消耗1W功率结温上升的度数。为减小散热阻力，改善散热条件，通常采用加散热器的方法。图 (a)给出一种铝型材散热器的示意图。加散热器后，热传导阻力等效通路如图 (b)所示。图中： RTj内热阻，表示管芯到管壳的热阻； RTfo管壳到空间的热交换阻力； RTc管壳到散热器之间的接触热阻，与管壳和散热器之间的接触状况有关； RTf散热器到空间的热交换阻力，与散热器的形状、材料以及面积有关。散热器和热传导阻力等效通路(a)铝型材散热器示意图；(b)热传导阻力等效通路(热阻计算) 由图可见，不加散热器时，总热阻RTo为 由于管壳散热面积很小，RTfo是很大的。 加散热器后，由于(

11、RTc+RTf)RTfo，所以，总热阻RT为 显然，RTRTo。 功率管的最大允许功耗PCM与总热阻RT、最高允许结温TjM和环境温度To有关，其关系式为TfoTjToRRRTfTcTjTRRRRTojMCMRTTP二次击穿现象与安全工作区二次击穿现象与安全工作区 功率管在实际应用中，常发现功耗并未超额，管子也不发烫，但却突然失效。这种损坏不少是由于“二次击穿”所致。 二次击穿现象可由图 (a)来说明。当集电极电压vCE增大时，首先可能出现一次击穿(图中AB段)。这种击穿是正常的雪崩击穿。二次击穿的起点与iB大小有关。通常将其起、始点连线称为二次击穿临界线，如图 (b)所示。功率管的二次击穿现

12、象(a)二次击穿现象；(b)二次击穿临界线 为保证功率管安全可靠地工作，除保证电流小于ICM、功耗小于PCM、工作反压小于一次击穿电压V(BR)CEO外，还应避免进入二次击穿区。所以，功率管的安全工作区如图所示。 双极型功率管的安全工作区乙类放大的输入输出波形关系乙类放大的输入输出波形关系:Vi-VccT1T2uo+VccRLiL失真失真死区电压死区电压vivovov o tttt输入信号输入信号 vi在过零前后，输出在过零前后，输出信号出现的失真。信号出现的失真。vi很小时,在正、负半周交替过零处会出现非线性失真，这个失真称为交越失真。乙类双电源互补对称功率放大电路存在的问题 8.4 甲乙类

13、互补对称功率放大电路 为解决交越失真，可给三极管稍稍加一点偏置，使之工作在甲乙类甲乙类。(a)利用二极管提供偏置电压 参数计算参数计算：与乙类功放同：与乙类功放同 偏置电压/VICQ/mATHD /%0.600.0481.220.650.330.2440.702.200.00680.7513.30.0028谐波失真度8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路T1+VccVi+-VccT2RLvo+-(b)利用三极管恒压源提供偏置VCE4=VBE4(R1+R2)/R2OTLOTL（无输出变压器（无输出变压器) ) 单电源单电源电容器电容器CoCo选择：选择：静态静态:V:Vk k= =V VCCCC

14、/ /2 2LL21fRC (5-10)8.4.2 甲乙类单电源互补对称电路动态分析动态分析设输入端在设输入端在 0.5VCC 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。若输出电容足够大，若输出电容足够大， VC基本基本保持在保持在0.5VCC ，负载上得到的，负载上得到的交流信号正负半周对称，但存交流信号正负半周对称，但存在交越失真。在交越失真。ic1ic2交越失真交越失真RLviT1T2+VCCCAVL+-0.5VCCvit时，时，T1导通、导通、T2截止；截止；2CCViv 时，时，T1截止、截止、 T2导通。导通。2CCViv 输出功率及效率输出功率及效率若忽略交越失真的

15、影响，且若忽略交越失真的影响，且 vi 幅度足够大。则：幅度足够大。则：vLVLmaxvitt参数计算参数计算：OCLOCL公式中以公式中以V VCCCC/ /2 2取代取代V VCCCC )(8CComL2CCoMCESVVVRVP略理想最大输出功率为：理想最大输出功率为：实用实用OTL互补输出功放电路互补输出功放电路调节调节R,使静态使静态VAQ=0.5VCCD1 、 D2使使b1和和b2之间的之间的电位差等于电位差等于2个二极管正个二极管正向压降，克服交越失真。向压降，克服交越失真。Re1 、 Re2：电阻值：电阻值12 ，射极负反馈电阻，也起射极负反馈电阻，也起限流保护作用。限流保护作

16、用。D1D2vi+VCCRLT1T2T3CRBRe1Re2b1b2A 当输出功率较大时往往采用复合管当输出功率较大时往往采用复合管复合管有四种形式：复合管有四种形式：达林顿管：由NPN、PNP复合而成。复合管极性极性= =前面管极性采用复合管的互补功放改进后的改进后的OCL准互补输出功放电路：准互补输出功放电路： T1：电压推动级电压推动级 T2、R1、R2： VBE倍增电路倍增电路 T3、T4、T5、T6： 复合管构成的输出级复合管构成的输出级准互补准互补 输出级中的输出级中的T4、T6均为均为NPN型晶体管，两者特性容易对称。型晶体管，两者特性容易对称。+Vcc-VccR1R2RLviT1

17、T2T3T4T5T6广泛用于音响、电视和小电机的驱动方面。广泛用于音响、电视和小电机的驱动方面。大多数集成功率放大器大多数集成功率放大器= =运算放大器运算放大器+ +互补功率输互补功率输出。出。 使用方法原则上与集成运放相同，注意使用方法原则上与集成运放相同，注意极限参数（功耗、最大允许电源电压等）极限参数（功耗、最大允许电源电压等）一般一般加有足够大的加有足够大的散热器散热器8.5集成功率放大器特点：特点：工作可靠、使用方便。只需在器件外部适工作可靠、使用方便。只需在器件外部适当连线，即可向负载提供一定的功率。当连线，即可向负载提供一定的功率。集成功放集成功放LM384LM384：生产厂家

18、：生产厂家：美国半导体器件公司美国半导体器件公司电路形式：电路形式：OTLOTL输出功率：输出功率：8 8 负载上可得到负载上可得到5W5W功率功率电源电压：电源电压：最大为最大为28V 28V 集成功放集成功放 LM384LM384管脚说明管脚说明: :1414 - 电源端（电源端（ V Vcccc）3 3、4 4、5 5、7 - 7 - 接地端（接地端（ GNDGND）1010、1111、12 -12 - 接地端（接地端（GNDGND）2 2、6 -6 - 输入端（一般输入端（一般2 2脚接地）脚接地） 8 -8 -输出端输出端( (经经500500 电容接负载电容接负载) ) )1 12 23 34 45 5 6 67 78 89 9101011111212131314141 -1 - 接旁路电容接旁路电容(5(5 ) )9 9、13 -13 - 空脚（空脚（NCNC）集成功放集成功放 LM384 LM384 外部电路典型接法：外部电路典型接法：500500 -+ + 0.10.1 2.72.7 8 814146 62 21 15 5 V Vccccv vi i8 8 调节音量调节音量电源滤波电容电源滤波电容外接旁路电容外接旁路电容低通滤波低通滤波, ,去除高频噪声去除高频噪声