模拟电路第4章功率放大电路

1、1第四章第四章 功率放大电路功率放大电路4.1功率放大电路的主要特点功率放大电路的主要特点4.2互补对称式功率放大电路互补对称式功率放大电路4.3采用复合管的互补对称式放大电路采用复合管的互补对称式放大电路4.4集成功率放大器集成功率放大器2如：如： 扩音系统扩音系统实际负载实际负载1.什么是功率放大器？什么是功率放大器？ 在电子系统中，模拟信号被放大在电子系统中，模拟信号被放大后，往往要去推动一个实际的负载。如使扬声器发声、继电后，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、器动作、 仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率很仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率很大。能输

2、出较大功率的放大器称为功率放大器大。能输出较大功率的放大器称为功率放大器 概述概述功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取32.功放管的几种工作状态功放管的几种工作状态甲类：甲类：Q点适中，在正弦信号的点适中，在正弦信号的整个周期内均有电流流过管子。整个周期内均有电流流过管子。iCuCEQ1UCEQICQVCCiCuCEQ3ICQVCC乙类：乙类：静态电流为静态电流为0，管子只在，管子只在正弦信号的半个周期内导通。正弦信号的半个周期内导通。甲类甲类( ( = = 2 ) ) tiCO Icm 2 ICQ tiCO Icm 2 ICQ乙类乙类( ( = = ) )4甲乙类：甲乙类：介于两

3、者之间，介于两者之间，导通角大于导通角大于180iCuCEQ2ICQVCC tiCO Icm ICQ2 甲乙类甲乙类( ( 2 ) )53.功率放大器的分类功率放大器的分类 （1）按功放管的导通角分为：）按功放管的导通角分为： 甲类：导通角甲类：导通角=2，一支管子完成功放。，一支管子完成功放。 乙类：导通角乙类：导通角=，二支管子轮流工作完成功放。，二支管子轮流工作完成功放。 甲乙类：导通角甲乙类：导通角 2 ，二支管子轮流工作。，二支管子轮流工作。（2）按功放器件的不同分为：）按功放器件的不同分为： （3）按电路的不同分为：）按电路的不同分为： 电子管功率放大器，电子管功率放大器， 变压器

4、耦合功率放大器变压器耦合功率放大器 ， 晶体管功率放大器，晶体管功率放大器， OTL功率放大器功率放大器, 集成电路功率放大器，集成电路功率放大器， OCL功率放大器功率放大器 等。等。动画演示动画演示64.1功率放大电路的主要特点功率放大电路的主要特点对功放的主要要求及特点：对功放的主要要求及特点：1. 根据负载要求，提供所需要较大的输出功率。根据负载要求，提供所需要较大的输出功率。omomomomo2122IUIUP= = = =2. 要求有较高的转换效率要求有较高的转换效率:VOPP= = 输出功率输出功率直流电源直流电源提供功率提供功率3. 尽量减小非线性失真。尽量减小非线性失真。4.

5、分析方法分析方法：信号大，用图解分析法。：信号大，用图解分析法。分析重点：最大不失真输出功率、最高转换效率等。分析重点：最大不失真输出功率、最高转换效率等。5.功放的电路形式功放的电路形式：乙类互补对称式电路：乙类互补对称式电路.设负载两端电压设负载两端电压u0=Uomsint ，负载电流，负载电流 i0=Iomsint 最大输出功率：最大输出功率：7 互补对称功放的类型互补对称功放的类型 无输出变压器形式无输出变压器形式 （ OTL电路）电路）无输出电容形式无输出电容形式 （ OCL电路）电路）OTL: Output TransformerLessOCL: Output CapacitorL

6、ess互补对称：电路中采用两支晶体管，互补对称：电路中采用两支晶体管，NPN、 PNP各一支；两管特性一致。各一支；两管特性一致。类型：类型：4.2互补对称式功率放大电路互补对称式功率放大电路84.2.1OTL 互补对称电路互补对称电路一、一、OTL 乙类互补对称电路乙类互补对称电路电路组成及工作原理：电路组成及工作原理：2CCV 在输入信号的正半周，在输入信号的正半周，VT1 导通（导通（VT2截止截止） ，iC1 流过负载；流过负载； 负 半 周 ，负 半 周 ， V T2导 通导 通（VT1截止截止） ，iC2 流过流过负载。负载。在信号的整个周期都在信号的整个周期都有电流流过负载，负载

7、上有电流流过负载，负载上 iL 和和 uO 基本上是正弦波。基本上是正弦波。存在的问题：存在的问题：交越失真交越失真交越交越失真失真图图 4.2.1动画演示动画演示tuIO9二、二、OTL 甲乙类互补对称电路甲乙类互补对称电路图图 4.2.3OTL 互补对称输出级互补对称输出级R、VD1、VD2 为两管提为两管提供一小的静态偏置电压，使供一小的静态偏置电压，使得在输入信号等于零时，管得在输入信号等于零时，管子子微导通微导通，以克服交越失真。，以克服交越失真。图图 4.2.4OTL 互补电路波形图互补电路波形图tuIOtiC1OtiC2OtuOO交越失真的克服：甲乙类交越失真的克服：甲乙类OTL

8、功放功放10三三 、OTL 甲乙类互补对称电路图解分析甲乙类互补对称电路图解分析1. 静态图解分析：静态图解分析： LCCRV2LCCRV2UCEQ=VCC2 ICQ0 LCCCCERiVu = =2静态工作点：静态工作点：交流负载线斜率：交流负载线斜率：)0 ,2(CCVQ2 .动态图解分析动态图解分析设输出电压设输出电压u0=UomsintLR1 -11vCE1iC2iC1Q最大不失真电流最大不失真电流 最大不失真幅度最大不失真幅度 UCES2UCES1om1Uom2U tu02CCV tiLom2Iom1ICESCC212UVUUUomomom=LomRUVI/ )2(CESCC=u0=

9、Uomsint12CESCC2UV LomCC0omCCVd12RUVIV)t(tsinIVPomCC = = = = = = L2omomomomomo212122RUIUIUP=1）输出功率）输出功率Po2)电源消耗功率：电源消耗功率：当当Uom达到最大值达到最大值输出功率最大输出功率最大，最大不失真输出功率：最大不失真输出功率：L2CCL2L2omom822121RVR)U/V(RUPCESCC = = =13CComomCCVURUVRUPP221LL2omVo = = = = =最高转换效率：最高转换效率：电源消耗最大功电源消耗最大功率：率：实际效率小于实际效率小于/4。CESCC2

10、UV 当当Uom达到最大值达到最大值L2LLVm2RV)UV(RVRUVPCCCESCCCComCC = = = =转换效率：转换效率：%.VVVUCCCCCCom5784222= = = = = 14LCCLCEScm22RVRUVICC = =功率三极管的极限参数功率三极管的极限参数集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICMLCCCM2RVI 集电极最大允许反向电压集电极最大允许反向电压U(BR)CEOCCCEOBRVU )(集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率PCMomCMPP2 . 0 154.2.2OCL 互补对称电路互补对称电路图图 4.2.5 OCL 互补对称电路互补对称

11、电路1.电路组成：两点改进：电路组成：两点改进： （1）改电容耦合为直接耦合，）改电容耦合为直接耦合， （2）一组电源改为二组电源。）一组电源改为二组电源。2.工作原理（设工作原理（设ui为正弦波）为正弦波）静态时：静态时：ui = 0V ic1、ic2均均0（甲乙类工作（甲乙类工作状态）状态） uo = 0V结论：结论：VT1、VT2两个管子交替工作，在负载上得到完整的正弦波两个管子交替工作，在负载上得到完整的正弦波动态时：动态时：正弦波的正半周，正弦波的正半周，VT1导通，导通，VT2截止截止 正弦波的负半周，正弦波的负半周，VT1截止，截止，VT2导通导通163.性能指标计算性能指标计算

12、图图 4.2.5 OCL 互补对称电路互补对称电路(1) 最大不失真功率：最大不失真功率：L2CCL2CESCCLom22)(22RVRUVRUUPomom=L20mCC0omCCVCC22d1RVIV)t(tsinIVP = = = = %5 .784Vom= = = =PP (2) 最高效率：最高效率：u0=Uomsint17图图 4.2.5 OCL 互补对称电路互补对称电路(3).功率三极管的极限参数功率三极管的极限参数LCCCMRVI CCCEOBRVU2)( omCMPP2 . 0 18一个管子的管耗一个管子的管耗)(d )(21=0LooCCT1tRuuVP 关于管耗关于管耗PT两

13、只管管耗两只管管耗)d( sin)sin(210LomomCCtRtUtUV = =)4(12omomCCLUUVR = = = =T1T2=PP)4(22omomCCLUUVR 19每只三极管的最大管耗：每只三极管的最大管耗： )4(12omomCCLT1UUVRP = = omL2CCT1max2 . 022 . 0PRVP= = 问：问：Uom=？ PT1最大最大, PT1max=？用用PT1对对Uom求导，并令导数求导，并令导数=0，得出：，得出：PT1max发生在发生在Uom=0.64VCC处。处。将将Uom=0.64VCC代入代入PT1表达式：表达式：20OCL 互补对称电路互补对

14、称电路OTL、OCL电路的区别与联系：电路的区别与联系：（1） OTL电路为单电源供电，单管供电电压电路为单电源供电，单管供电电压VCC/2，有输出，有输出耦合电容；耦合电容； OCL电路为双电源供电，单管供电电压电路为双电源供电，单管供电电压VCC，无，无输出耦合电容。输出耦合电容。OTL 互补对称电路互补对称电路 （2）将）将OCL的结论表达式中的的结论表达式中的VCC用用VCC/2替换，替换，则过渡到则过渡到OTL表达式。见表达式。见171页。页。214.3采用复合管的互补对称式放大电路采用复合管的互补对称式放大电路4.3.1复合管的接法及其复合管的接法及其和和r rbebe1 .复合管

15、的接法复合管的接法构成复合管时注意构成复合管时注意(1) 前后两个三极管连接关系上，应保证前级输出电前后两个三极管连接关系上，应保证前级输出电流与后级输入电流实际方向一致。流与后级输入电流实际方向一致。(2) 外加电压的极性应保证前后两个管子均为发射结外加电压的极性应保证前后两个管子均为发射结正偏，集电结反偏，使管子工作在放大区。正偏，集电结反偏，使管子工作在放大区。复合管的构成：复合管的构成： 由两个或两个以上三极管组成。由两个或两个以上三极管组成。22VT1bVT2ec VT2VT1bec( (a) ) NPN 型型( (b) ) PNP 型型图图 4. 3. 1复合管的接法复合管的接法(

16、 (c) ) NPN 型型 cVT1bVT2e( (d) ) PNP 型型 VT2VT1bec23+uBEiBiB1iC2iCiEiE1 = iB2VT1bVT2eciC1复合管共射电流放大系数复合管共射电流放大系数 值值BC ii= = 因因为为由图可见由图可见2B21B12C1CCiiiii = = = =1B11E2B)1(iii = = =1BBii = =图图 4. 3.22 .复合管的复合管的和和 rbe(1) 相同类型的三极管组成的复合管相同类型的三极管组成的复合管1B21211B121B1C)()1(iiii = = = =则则24+uBEiBiB1iC2iCiEiE1 = i

17、B2VT1bVT2eciC1212121BC = = =ii所所以以复合管的输入电阻复合管的输入电阻 rbe2be11beBBEbe)1(rriur = = =其中其中)1(2be11be1B2be2B1be1BBErriririu = = = =所以所以显然，显然， 、rbe 均比一个管子均比一个管子 1、rbe1 提高了很多倍。提高了很多倍。图图 4. 3.225(2) 由不同类型的三极管组成的复合管由不同类型的三极管组成的复合管2121)1( = =1beberr= =结结 论论1. 两个同类型的三极管组成复合管，其导电类型与原来相两个同类型的三极管组成复合管，其导电类型与原来相同。复合

18、管的同。复合管的 1 2，复合管的，复合管的 rbe = rbe1+（1+ 1）rbe22. 两个不同类型的三极管组成复合管，其类型与前级三极两个不同类型的三极管组成复合管，其类型与前级三极管相同。复合管的管相同。复合管的 1 2，复合管的，复合管的 rbe = rbe1 264.3.2复合管组成的互补对称放大电路复合管组成的互补对称放大电路VD1ui+VCCRLVT1VT2Rb1VT4VT3RbVD2Rb2-VCCC1uOVT1和和VT3 组成组成NPN型复合管。型复合管。VT2和和VT4 组成组成PNP型复合管。型复合管。缺点：缺点： VT3和和VT4 类型不同，难类型不同，难做到特性互补

19、对称。做到特性互补对称。27VD1ui+VCCRLVT1VT2Rb1VT4VT3RbVD2Rb2-VCCC1uORc228 OTL 音频功率放大电路举例音频功率放大电路举例中间级中间级前前置置放放大大级级功功率率放放大大级级29一、电路组成一、电路组成 1.前置放大级：由前置放大级：由VT1 等组成，共射极阻容耦合放等组成，共射极阻容耦合放大电路。大电路。C1、C3为耦合电容。为耦合电容。 2.中间放大级：由中间放大级：由VT2等组成共射极放大电路。等组成共射极放大电路。R9是是其集电极负载电阻，它与功放级采用直接耦合。其集电极负载电阻，它与功放级采用直接耦合。 3.功放级由功放级由NPN三极

20、管三极管VT3和和PNP三极管三极管VT4组成组成OTL电路，电路，R6、R7是为克服交越失真而设置的，是为克服交越失真而设置的，Rt 是是热敏电阻，具有温度补偿作用。热敏电阻，具有温度补偿作用。C6为输出电容。为输出电容。 4.为减小失真为减小失真 电阻电阻R14接有电压串联负反馈。小电容接有电压串联负反馈。小电容C2C4C7是校正电容，作用是避免产生自激振荡。是校正电容，作用是避免产生自激振荡。 C5R13是电源滤波电路，防止因电源内阻引起低频是电源滤波电路，防止因电源内阻引起低频寄寄30二、主要技术指标估算二、主要技术指标估算 最大输出功率最大输出功率Lom2om2RUP= =V 4.5

21、V)5 . 01212(2R11CESCCom= = = = = =UUVU W63. 0W)165 . 421(22Lom2om所以所以= = = = =RUP314.4集成功率放大器集成功率放大器集成功率放大器广泛用于音响、电视和小电机等的驱集成功率放大器广泛用于音响、电视和小电机等的驱动方面。集成功放使用时不能超过规定的极限参数，极限动方面。集成功放使用时不能超过规定的极限参数，极限参数主要有功耗和最大允许电源电压。集成功放要加有足参数主要有功耗和最大允许电源电压。集成功放要加有足够大的散热器，保证在额定功耗下温度不超过允许值。够大的散热器，保证在额定功耗下温度不超过允许值。表表4 -1

22、 几种集成音频功率放大器概况几种集成音频功率放大器概况组成：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4.4.1集成功率放大器的电路组成集成功率放大器的电路组成LM386 集成功放及其应用：集成功放及其应用：LM386是音频小功率集成功率放是音频小功率集成功率放大器，广泛用于收音机、收录机中。大器，广泛用于收音机、收录机中。32内部电路内部电路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) )电压串电压串联负反联负反馈馈33V1、V6 ：V3、V5：V2、V4：射级跟

23、随器，高射级跟随器，高 Ri双端输入单端输出差分电路双端输入单端输出差分电路恒流源负载恒流源负载V7 V12： 功率放大电路功率放大电路V7 为驱动级为驱动级( (I0 为恒流源负载为恒流源负载) )V11、V12 用于消除交越失真用于消除交越失真V8、V10 构成构成 PNP 准互补对称准互补对称344.4.2集成功率放大器的主要技术指标集成功率放大器的主要技术指标4.4.3集成功率放大器的引脚和典型接法集成功率放大器的引脚和典型接法 LM3861234785RPC1C2C3C4C5C610 F36 k 10 F100 F220 F0.1 F8 10 .047 F+VCC6输出电容输出电容(

24、 (OTL) )频率补偿，抵消电频率补偿，抵消电 感高频的不良影响感高频的不良影响防止自激等防止自激等调节电压调节电压放大倍数放大倍数典型应用电路典型应用电路351功率放大器的特点：工作在大信号状态下，输出电压和输功率放大器的特点：工作在大信号状态下，输出电压和输出电流都很大。要求在允许的失真条件下，尽可能提高输出功出电流都很大。要求在允许的失真条件下，尽可能提高输出功率和效率。率和效率。2为了提高效率，在功率放大器中，功放管常工作在乙类和为了提高效率，在功率放大器中，功放管常工作在乙类和甲乙类状态下，并用互补对称结构使其基本不失真。这种功率甲乙类状态下，并用互补对称结构使其基本不失真。这种功率放大器理论上的最