模拟电子技术(江晓安)(第三版)第9章

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 分类分类功率放大电路按放大信号的频率,可分为低频功率放大电路和高频功率放大电路。前者用于放大音频范围(几十赫兹到几十千赫兹)的信号,后者用于放大射频范围(几百千赫兹到几十兆赫兹)的信号。本课程仅介绍低频功率放大电路。功率放大电路按其晶体管导通时间的不同，可分为甲类、乙类、甲乙类和丙类等四种。 第九章 低频

2、功率放大电路甲类功率放大电路的特征是在输入信号的整个周期内,晶体管均导通,有电流流过;乙类功率放大电路的特征是在输入信号的整个周期内,晶体管仅在半个周期内导通,有电流流过;甲乙类功率放大电路的特征是在输入信号周期内,管子导通时间大于半周而小于全周;丙类功率放大电路的特征是管子导通时间小于半个周期。其中前三种的工作状态示意图如图9-1所示。 第九章 低频功率放大电路图图 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. 输出功率要足够大输出功率要足够大 如输入信号是某一

3、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(9-2)式中,Iom、Uom分别为负载RL上的正弦信号的电流、电压的幅值。 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,

4、输出信号功率愈大, 电路的效率愈高。 (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

5、出功率的方法提高输出功率的方法 1. 提高电源电压提高电源电压 选用耐压高、容许工作电流和耗散功率大的器件。集电极与发射极之间的击穿电压要大于管子实际工作电压的最大值,即 maxceCEOUBUmaxccmIImaxccmPP集电极最大允许的电流要大于管子实际工作电流的最大值,即 集电极允许的耗散功率要大于集电极实际耗散功率的最大值,即 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

6、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 提高效率的方法提高效率的方法 功率放大器的效率主要取决于功放管的工作状态。下面用图解法进行分析。图9-2所示是三极管放大电路的输出特性和交流负载线。假设图中特性曲线是理想曲线,直线MN为交流负载线,Q为静态工作点。在最佳情况下,由图9-2可看出, ON2Icm=2ICQ为输出电流的峰-峰值,OM2Ucem=UCC为输出电压的峰-峰值。放大电路输出功率为 CCCQoUI

7、P21即为MMQ的面积。 第九章 低频功率放大电路图9-2 功放的图解法(甲类放大状态)第九章 低频功率放大电路电源提供的直流功率为CQCCEIUP 即为 OMBA的面积值, 故效率 面积OMBAMQMPPEo其最大效率50%。如图9-2所示状态,三极管在信号的整个周期内(导通角=36)都处于导通状态,工作在甲类放大状态。为了提高效率，应提高输出功率Po,降低电源供给功率PE,通常采用如下方法。 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 将静态工作点Q下移,如图9-3所示,这时三极管只在半个信号周期内导通,另半个周期处于截止状态,即导通角=180,工作在乙类放大状

8、态。在乙类功率放大电路中,功放管静态电流几乎为零,因此直流电源功率为零。当输入信号逐渐加大时,电源提供的直流功率也逐渐增加,输出信号功率随之增大,所以乙类的功率放大效率比甲类的要高。但是由于乙类放大状态的导通角为180,故输出电压波形将产生严重失真。为减小失真,可以采用互补对称电路,使两管轮流导通,以保证负载上获得完整的正弦波形。 第九章 低频功率放大电路图 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功放三极管若工作在乙类放大状态下(电路如图9-4所示),当负载改变时,交流负载线的斜率也改变,输出的电流Icm将随之变化,故输出功率也改变。从图94中可以看出,负

9、载线为MA时的输出功率比MB时的大。但负载线为MC时,已超过最大功率损耗线,管耗将大于Pcm,管子将被烧坏,故存在一个最佳负载RL。该图显然表明,当交流负载线为MA时,负载为最佳负载。一般情况下,当电源UCC确定后,过UCC点做Pcm线的切线,该切线对应的负载即为最佳负载。 第九章 低频功率放大电路图 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) 1电路组成和工作原理电路组成和工作原理双电源互补对称电路如图9-5所示,图中V1为NPN型三极管,V2为PNP型三极管。为保证工

10、作状态良好,要求该电路具有良好的对称性,即V1、V2管特性对称,并且正负电源对称。当信号为零时,偏流为零,它们均工作在乙类放大状态。 第九章 低频功率放大电路图图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, 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

11、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 双电源互补对称电路工作图解分析如图9-6所示。图9-6(a)为V1管导通时的工作情况。图9-6(b)是将V2管的导通特性倒置后与V1特性画在一起,让静态工作点Q重合,形成两管合成曲线,图中交流负载线为一条通过静态工作点的斜率为的直线AB。由图上可看出输出电流、输出电压的最大允许变化范围分别为2Icm和2Ucem,Icm和Ucem分别为集电极正弦电流和电压的振幅值。 L1R第九章 低频功率放大电路图图9 6 双电源互补对称电路

12、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)(9-5)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: (9-7) (9-8) 第九章 低频功率放大电路图

13、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。为此应先求出电源供给功PE。 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 (9-9) (9-10)(9-11) 第九章 低频功率放大电路图9-9 PE与的关系曲线 第九章 低频功率放大电路4221222LCCLCCEoRURUPP当=1时, 效率最

14、高, 即 %5 .784max显然,直流电源供给的功率PE与电源利用系数成正比。当静态时,Ucem=0,=0,故PE=0。当=1时,PE也为最大。PE与的关系曲线如图9-9所示。将(9-7)、(9-11)式代入(9-3)式中则得 (9-12) (9-13) 第九章 低频功率放大电路(3) 集电极功率损耗Pc: 22212LCCoEcRUPPP(9-14)Pc与的关系是一抛物线方程,其曲线如图9-10所示,当=0时,Pc=0；当为某一特定值时,Pc最大,将(9-14)式求导,可求得极值坐标。 2d20dcCCLPUR第九章 低频功率放大电路图9 - 10Pc与的关系曲线 第九章 低频功率放大电路

15、636. 02LCCcRUP22max2omomcPPP4 . 042max解得 (9-15) 将此值代入(9-14)式中,得最大集电极功率损耗值Pc max: 考虑(9-8)式得 (9-16) 第九章 低频功率放大电路omccPPP2 . 021maxmax1omcmCCceoomcmIIUBUPP22 . 0此式是两管总的集电极功率损耗,而在互补对称电路中,每管仅工作半个周期,所以每管的功率损耗为 由上得出在互补对称功率放大电路中选择功率管的原则: (9-17) (9-18) (9-19) 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。图9-5所示的波形关系是假设门限电

16、压为零,且认为是线性关系。而实际中晶体管输入特性门限电压不为零,且电压、电流关系也不是线性关系,在输入电压较低时,输入基极电流很小,故输出电流也十分小。因此输出电压在输入电压较小时,存在一小段死区,此段输出电压与输入电压不存在线性关系,产生了失真。由于这种失真出现在通过零值处,故称为交越失真。交越失真波形如图9-11所示。 第九章 低频功率放大电路图图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 低频功率放大电路克服交越失真的措施就是避开电压死区,使每一个晶体管处于微导通状态。当输入信号一旦加入,晶体管立即进入线性放大区。而当静态时,虽然每一个晶体管处于微导通

17、状态,由于电路对称,两管静态电流相等,流过负载电流为零,从而消除了交越失真。消除交越失真的电路如图9-12所示。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 1321RIUUQCEBBE(9-20) 第九章 低频功率放大电路图图9 12 克服交越失真的几种电路克服交越失真的几种电路 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: )(213212212EBBEBBBEUURRRUR

18、RRU所以3321)1 (21221BEBEEBBEURRURRRUU(9-21)(9-22) 第九章 低频功率放大电路(2) 用复合管组成互补对称电路 功率放大电路的输出电流一般很大。例如当有效值为12V的输出电压加至8的负载上时,将有1.5A的有效值电流流过功率管,其振幅值约为2.12A。而一般功率管的电流放大系数均不大,若设=20,则要求基极推动电流为100mA以上,这样大的电流由前级(又称为前置级)供给是十分困难的,为此需要进行电流放大。一般通过复合管来解决此问题,即将第一管的集电极或发射极接至第二管的基极,就能起到电流放大作用。具体的接法如图9-13所示。它们的等效电流放大系数均近似为 2112bcII(9-23) 第九章 低频功率放大电路图9 13 复合管的几种接法 第九章 低频功率放大电路图9 14 复合管互补对称级 第九章 低频功率放大电路图9 15 准互补对称电路 第九章 低频功率放大电路9.2.2 单电源互补对称电路单电源互补对称电路 (OTL电路电路) 双电源互补对称电路需要两个正负独立电源,有时使用起来不方便。当仅有一路电源时,可采用单电源互补对称电路,如图9-16所示。 第九章 低频功率放大电路图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