第8章功率放大电路

1、(1-1)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-1)模拟电子技术基础模拟电子技术基础第八章第八章 功率放大电路功率放大电路(1-2)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-2)第八章第八章 功率放大电路功率放大电路8.1 功率放大电路的特点与分类功率放大电路的特点与分类8.2 乙类互补对称功率放大电路乙类互补对称功率放大电路8.3 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8.4 集成功率放大器集成功率放大器(1-3)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-3)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

2、的用作放大电路的输出级输出级，以，以驱驱动动执行机构。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、 仪表仪表指针偏转等。指针偏转等。 8.1 功率放大电路的特点和分类功率放大电路的特点和分类功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取(1-4)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-4)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RtTUOT 温度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(1-5)第第8

3、 8章章 功率放大电路功率放大电路结束（3）功放管的保护：管子工作在接近极限状态。）功放管的保护：管子工作在接近极限状态。 HomeNext 特点特点 功率放大电路是一种能够向负载提供足够大的功率功率放大电路是一种能够向负载提供足够大的功率的放大电路。因此，的放大电路。因此，要求同时输出较大的电压和电流。要求同时输出较大的电压和电流。 管子工作在接近极限状态。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。一般直接驱动负载，带载能力要强。 要解决的问题要解决的问题 （1）提高转换效率：在电源电压确定的情况下，输）提高转换效率：在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的输出功率；出尽可能大

4、的输出功率； （2）减小失真：工作于大信号状态容易产生非线性）减小失真：工作于大信号状态容易产生非线性失真。失真。8.1.1 功率放大电路的特点功率放大电路的特点1. 概述概述(1-6)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束 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。 主要技术指标主要技术指标 （1）最大输出功率）

5、最大输出功率Pom ：在电路参数确定的情况下负：在电路参数确定的情况下负载可能获得的最大交流功率。载可能获得的最大交流功率。 分析方法分析方法 工作于大信号状态，功放管的非线性不可忽略，宜采用工作于大信号状态，功放管的非线性不可忽略，宜采用图解分析法。图解分析法。BackNextHome （2）转换效率）转换效率 ：最大输出功率与电源提供的功率之：最大输出功率与电源提供的功率之比，即比，即 Vom/=PP 思考题：思考题：(1-7)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束3BackNextHome 三极管根据正弦信号整三极管根据正弦信号整个周期内的导通情况，可个周期内的导通情况，可分为几个

6、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：180 360丙类：丙类： 0VT1导通，导通，T2截止截止iL= ic1 ;ui-VCCT1T2uo+VCCRLiLiL=ic2T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工两个晶体管都只在半个周期内工作的方式，称为作的方式，称为乙类放大乙类放大。因此，不需要隔直电容。因此，不需要隔直电容。静态分析：静态分析：ui = 0V T1、T2均不均不 导通导通 uo=0V(1-12)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-12)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:ui-VCCT1T2uo

7、+VCCRLiL交越失真交越失真死区电压死区电压uiuouou o tttt交越失真：交越失真：输入信号输入信号 ui在过零在过零前后，输出信号出现的失真便前后，输出信号出现的失真便为交越失真。为交越失真。(1-13)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-13)(1) 静态电流静态电流 ICQ、IBQ等于零；等于零；乙类放大的特点：乙类放大的特点：(2) 每管导通时间等于半个周期每管导通时间等于半个周期 ；(3) 存在交越失真。存在交越失真。(1-14)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-14)假设假设 ui 为正弦波且幅度足够大，为正弦波且幅度足够大，T1、T2导通

8、时均能饱和，此时输出导通时均能饱和，此时输出达到最大值。达到最大值。ULmaxiL-VCCRLuiT1T2UL+VCC则负载（则负载（RL)上的电压上的电压和电流的最大幅值分别为：和电流的最大幅值分别为：LCESCCLCESCCLRUVIUVU maxmax二、二、OCL电路的输出功率及效率电路的输出功率及效率(1-15)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-15)2CESCComUVU 负载上得到的最大不失真输出电压、电流有效负载上得到的最大不失真输出电压、电流有效值及最大输出功率分别为：值及最大输出功率分别为：LCESCComRUVI2 LCESCCLomomRUVRUP2)(

9、22 (1-16)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-16)电源提供的直流平均功率计算：电源提供的直流平均功率计算： 每个电源中的电流为半个正弦波，其平均值为每个电源中的电流为半个正弦波，其平均值为:两个电源提供的总功率为：两个电源提供的总功率为：VCC1 =VCC2 =VCC 01)(sin21LCESCCLCESCCavRUVttdRUVILCESCCavavRUVII 12LCESCCCCVVVRUVVPPP 221(1-17)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-17)CCCESCCVomVUVPP 4 效率为：效率为：在理想情况下，若忽略晶体管的饱和压降在理

10、想情况下，若忽略晶体管的饱和压降UCESLCCVRVP 22 LCComRVP22 %5 .7842222 LCCLCCVomRVRVPP效率为：效率为：(1-18)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-18)三、三、 OCL电路中晶体管的选择电路中晶体管的选择在功率放大器中，应根据晶体管所承受的最大管压在功率放大器中，应根据晶体管所承受的最大管压降、集电极最大电流和最大功耗来选择晶体管。降、集电极最大电流和最大功耗来选择晶体管。1、最大管压降、最大管压降在输入信号的正半周，当在输入信号的正半周，当ui从从0逐渐增大时，逐渐增大时， T1 和和T2 的发射结电位的发射结电位uE从从

11、0逐渐增大到逐渐增大到VCC-UCES1,T2管压管压降为降为CCECCEECVuVuu )(2CCECVu 2122CESCCECUVu (1-19)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-19)212CESCCCEUVu 同理，在输入信号的负半周，同理，在输入信号的负半周，T1管压降为管压降为CCCEVu2max 在功率放大器中，根据晶体管所承受的最大管压降在功率放大器中，根据晶体管所承受的最大管压降选择晶体管时，应考虑留有一定的余量。选择晶体管时，应考虑留有一定的余量。2、集电极最大电流、集电极最大电流LCESCCECRUVII maxmax在功率放大器中，根据晶体管的在功率放

12、大器中，根据晶体管的集电极最大电流集电极最大电流选择晶体管时，同样应考虑留有一定的余量。选择晶体管时，同样应考虑留有一定的余量。LCCCRVI max(1-20)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-20)3、集电极最大功耗、集电极最大功耗管压降和集电极电流瞬时值的表达式分别为管压降和集电极电流瞬时值的表达式分别为tUVuOMCCCE sin tRUiLOMC sin 每只晶体管集电极功耗的表达式为每只晶体管集电极功耗的表达式为)4(1sin)sin(2120OMOMCCLLOMOMCCTUUVRttdRUtUVP (1-21)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-21

13、)令令0 OMTdUdPCCCCOMVVU6 . 02 LCCTRVP22max 当忽略晶体管的饱和压降当忽略晶体管的饱和压降UCES时时omomTPPP2 . 022max 在功率放大器中，根据晶体管的在功率放大器中，根据晶体管的集电极最大功耗集电极最大功耗选择晶体管时选择晶体管时omCMPP2 . 0 (1-22)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-22)结论：结论：CCCEOVBU2 omCMPP2 . 0 LCCCMRVI (1-23)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束8.2.2 单电源互补对称乙类功率放大电路单电源互补对称乙类功率放大电路图图8.1.4 OTL

14、电路电路(1-24)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束1.特点特点1. 单电源供电；单电源供电；2. 输出加有大电容。输出加有大电容。2.静态分析静态分析则则 T1、T2 特性对称，特性对称，2CCAVU 2CCCVU 2CCiVu 令：令：0.5VCCRLuiT1T2+VCCCAUL+-UC(1-25)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束3.动态分析动态分析设输入端在设输入端在 0.5VCC 直流电平直流电平基础上加入正弦信号。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， UC基本基本保持在保持在0.5USC ，负载上得到的，负载上得到的交流信号正负半周对称，但

15、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RLuiT1T2+USCCAUL+-时，时，T1导通、导通、T2截止；截止；2CCiVu 时，时，2CCiVu T1截止、截止、 T2导通。导通。0.5USCuit(1-26)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-26)1. 用二极管克服交越失真用二极管克服交越失真交越失真产生的原因：交越失真产生的原因： 在于晶体管特性存在非在于晶体管特性存在非线性，线性，ui IB，则，则221RRRUUBE(1-30)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-30)3. 电路中增加复合管电路中增加复合管增加

16、复合管的目的是：增加复合管的目的是：扩大电流的驱动能力。扩大电流的驱动能力。复合管的构成方式：复合管的构成方式：cbeT1T2ibicbecibic方式一：方式一：bcccbcbebbciiiiiiiiiii)1 (,)1 (,1212122211211(1-31)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-31)becibic 1 2晶体管的类型由复合管晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。中的第一支管子决定。方式二：方式二：cbeT1T2ibic复合管构成方式很多。不论哪种等效方式，等效复合管构成方式很多。不论哪种等效方式，等效后晶体管的性能确定均如下：后晶体管的性能确定均如下：(

17、1-32)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-32)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： T5、R3、R4： UBE倍增电路倍增电路 T1、T2、T3、T4： 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T2、T4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。图图3.3.18 采用复合采用复合管的准互补级输出管的准互补级输出(1-33)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-33)8.4 集成功率放大电路集成功率放大电路特点：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

18、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LM384：生产厂家：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：OTL输出功率：输出功率：8 负载上可得到负载上可得到5W功率功率电源电压：电源电压：最大为最大为28V (1-34)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-34)集成功放集成功放 LM384管脚说明管脚说明:14 - 电源端（电源端（ Vcc）3、4、5、7 - 接地端（接地端（ GND）10、11、12 - 接地端（接地端（GND）2、6 - 输入端输入端 （一般（一般2脚接地）脚接地） 8 - 输出端

19、输出端 （经（经500 电容接负载）电容接负载）)12345 678910111213141 - 接旁路电容（接旁路电容（5 ）9、13 - 空脚（空脚（NC）(1-35)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(8-35)集成功放集成功放 LM384 外部电路典型接法：外部电路典型接法：500 -+ 0.1 2.7 8146215 Vccui8 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输入信号输入信号输出耦合大电容输出耦合大电容(1-36)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束 例例: (: (北京邮电大学北京邮电大

20、学19991999年研究生入学试题年研究生入学试题) ) OTL OTL互补对称功放互补对称功放如图所示如图所示，设电容，设电容 C C足够大足够大， 三极管的饱和电压降三极管的饱和电压降V VCESCES=1V,=1V,问：问： (1)(1)按功放分类电路中按功放分类电路中T T1 1, T, T2 2, ,的工作方式为那的工作方式为那种；种； (2)(2)电阻电阻R R1 1和和D D1 1、D D2 2的作用；的作用； (3)(3)电位器电位器R RW W的作用；的作用； (4)(4)试求负载试求负载R RL L上得到的最大不失真输出功率上得到的最大不失真输出功率P Pomaxomax。

21、(1-37)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束 解：解： (1)(1)功率放大器分类通常以输入信号的功率放大器分类通常以输入信号的 一个周期中，三极管的导通状态，即导通角一个周期中，三极管的导通状态，即导通角 的大小划分：的大小划分： =2=2 甲甲 类类 = = 乙乙 类类 22 甲乙类甲乙类 丙丙 类类 电路中，电路中，T T1 1、 T T2 2、的导通角、的导通角 22 ，故，故 为甲乙类方式。为甲乙类方式。 (1-38)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束 (2)(2)为为T T1 1、T T2 2管提供静态偏置电压，动态情况管提供静态偏置电压，动态情况下可消除下可

22、消除 U Ui i幅度较小时由于三极管的死区而引幅度较小时由于三极管的死区而引起的交越失真。起的交越失真。 (3)(3)调节电位器使三极管调节电位器使三极管T T1 1、T T2 2基极基极B B1 1、B B2 2间间有一合适的电流有一合适的电流 D D和压降和压降V VB1B2B1B2, ,压降压降V VB1B2B1B2确保确保T T1 1、T T2 2 管在静态时处于导通状态。另外调整管在静态时处于导通状态。另外调整R Rw w可使可使电容电容C C两端的电压为两端的电压为0.5 0.5 V VCCCC。 (1-39)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束(4)(4)最大不失真输出

23、功率最大不失真输出功率LCESCCRVVP2max0)221(W64. 2T1T2D1D2R1R2RWRLC+15VUoI DUiA(1-40)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束 例例: : 某某OCLOCL互补对称电路互补对称电路如图所示如图所示，已知三，已知三极管极管T T1 1 、T T2 2的饱和压降为的饱和压降为V VCES CES =1V, V=1V, VCCCC=18V,=18V, R RL L= 8= 8 . . (1) (1)计算电路的最大不失真输出功率计算电路的最大不失真输出功率P Pomaxomax； (2)(2)计算电路的效率；计算电路的效率； (3)(3)求

24、每个三极管的最大管耗求每个三极管的最大管耗P PT T； (4)(4)为保证电路正常工作，所选三极管为保证电路正常工作，所选三极管U U(BR)CEO(BR)CEO和和 CMCM应为多大；应为多大；(1-41)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束 解：解：LCESCCRVVP2max0)2() 1 (W1 .18WRVPLCCV8 .252)2(2%2 .70max0VPPiU2RT2DD21R1WRT1RLUoVccAVcc(1-42)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束 (4)当一个管子处于饱和状态当一个管子处于饱和状态，另一个管子另一个管子c c、 e e间承受的电压接近

25、间承受的电压接近2V2VCCCC所以，所以，WRVPLCCT1 . 4)3(22VVUCCCEOBR362)(ARVLCCCM25. 2818(1-43)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束 讨论：讨论： 本题要求掌握双电源互补对称电路在极本题要求掌握双电源互补对称电路在极 限状态下限状态下 P Pomom、P PE E和和 的计算。要注意题中的计算。要注意题中 所用的公式是在极限条件下推导的，实际功所用的公式是在极限条件下推导的，实际功 放电路可工作于极限状态也可工作在非极限放电路可工作于极限状态也可工作在非极限 状态，所以要注意公式的应用条件，切勿死状态，所以要注意公式的应用条件，切勿死 套公式。套公式。(1-44)第第8 8章章 功率放大电路功率放大电路结束 例例: (: (北方交通大学北方交通大学20002000年研究生入学试题年研究生入学试题) ) 若要设计一个输出功率为若要设计一个输出功率为10W10W的乙类功率放大的乙类功率放大 器，则应选择器，则应选择P PCMCM至少为至少为_W_W的功率管两只。的功率管两只。 解：乙类功率放大器最大管耗与电路的最大解：乙类功率放大器最大管耗与电路的最大 输出功率的关系是输出功率的关系是 P PT1m T1m = 0.2 P= 0.2 Po o, ,要求输出功要求输出功