第8章功率放大电路

1、传感器传感器负载负载电压放大电压放大功率放大功率放大放大电路放大电路非电量非电量信号源信号源把电信号转换成把电信号转换成其他形式的能量其他形式的能量功率放大电路与电压放大电路的相同点：功率放大电路与电压放大电路的相同点： 放大电路实质上都是能量转换电路。是利用三极管的放大电路实质上都是能量转换电路。是利用三极管的控制作用把直流电源的能量按照输入信号的变化规律进控制作用把直流电源的能量按照输入信号的变化规律进行放大后传送给负载。行放大后传送给负载。 在工程上要驱动负载，不仅要求有较大的电压输出，在工程上要驱动负载，不仅要求有较大的电压输出，同时还要求有较大的电流输出，因此放大电路的末级常是同时还

2、要求有较大的电流输出，因此放大电路的末级常是功率放大电路。功率放大电路。第第8章章 功率放大电路功率放大电路1.1.功率放大电路的主要特点功率放大电路的主要特点2.2.要解决的问题要解决的问题 提高效率提高效率 减小失真减小失真 管子的保护管子的保护一般直接驱动负载，带负载能力要强。一般直接驱动负载，带负载能力要强。3.3.提高效率的途径提高效率的途径 降低静态功耗，即减小静态电流。降低静态功耗，即减小静态电流。8.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题1 . 要求给负载提供足够大的功率。要求给负载提供足够大的功率。2 . 在输入为大信号下工作。在输入为大信号下工作。3 . 分析方法

3、以图解法为主。分析方法以图解法为主。4 . 非线性失真矛盾突出。非线性失真矛盾突出。 5. 提高效率成为重要的关注点。提高效率成为重要的关注点。6. 功率器件的安全问题必须考虑功率器件的安全问题必须考虑。4. BJT三种工作状态三种工作状态 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，可分为几个工作状态：分为几个工作状态：乙乙 类：类：导通角等于导通角等于180甲甲 类：类：一个周期内均导通一个周期内均导通甲乙类：甲乙类：导通角大于导通角大于1805.功放的分类功放的分类根据管子静态工作点的不同分为三类根据管子静态工作点的不同分为三类 甲类功放、乙类功放、

4、甲乙类功放甲类功放、乙类功放、甲乙类功放（1）甲类功放）甲类功放静点在负载线的中点，在整个信号周期内管子都导通。静点在负载线的中点，在整个信号周期内管子都导通。特点特点：集电极电流大、管耗大，集电极电流大、管耗大，效率效率50%低、低、波形不失真波形不失真用途用途：小信号放大小信号放大甲类功放：射极输出器甲类功放：射极输出器iCt0ICQuCEiCuCEt00UCEQQ（2） 乙类功放乙类功放在半个信号周期内，管子导通，静点在横轴上。在半个信号周期内，管子导通，静点在横轴上。iCt0uCEiCuCEt00Q特点特点：IC=0效率高效率高78.5%失真大失真大用途用途：用于互补对称的功放用于互补

5、对称的功放（3） 甲乙类工作状态甲乙类工作状态半个周期管子导通时间一个周期，静电在交流负载半个周期管子导通时间一个周期，静电在交流负载线中点以下横轴之上。线中点以下横轴之上。iCt0uCEiCuCEt00Q特点特点：IC小小效率高效率高失真小失真小用途用途：OCL互补对称的功放互补对称的功放8.2.18.2.1电路组成电路组成 由一对由一对NPNNPN、PNPPNP特性相同特性相同的互补三极管组成，采用正、的互补三极管组成，采用正、负双电源供电。这种电路也称负双电源供电。这种电路也称为为OCLOCL互补对称功率放大电路。互补对称功率放大电路。工作原理工作原理 两个三极管在信号正、两个三极管在信

6、号正、负半周轮流导通，使负载负半周轮流导通，使负载得到一个完整的波形。得到一个完整的波形。8.2 乙类双电源互补对称功率放大电路乙类双电源互补对称功率放大电路8.2.2 分析计算分析计算一、静态分析一、静态分析偏置电流为零，管子工作在乙类状态。偏置电流为零，管子工作在乙类状态。0, 021CCBIII因为两个管子参数特性相同，所以因为两个管子参数特性相同，所以0, 0OEVV二、动态分析二、动态分析 当当ui为正半周时，为正半周时，T1正偏导通，正偏导通，T2反偏截止，输出反偏截止，输出uo正半周波形；正半周波形；当当ui为负半周时，为负半周时，T2正偏导通，正偏导通，T1反偏截止，输出反偏截

7、止，输出uo负半周波形。负半周波形。负载在输入信号的整个周期内都有电流，输出电压为一完整正弦波。负载在输入信号的整个周期内都有电流，输出电压为一完整正弦波。两管交替工作，互相补充并且电路对称所以称为互补对称的功放。两管交替工作，互相补充并且电路对称所以称为互补对称的功放。V VCESCESV VCCCC1.1.输出功率输出功率P Po oL2CCL2CESCCL2CESCComax22)()2(=RVRVVRVVP 最大不失真最大不失真输出功率输出功率P PomaxomaxL2omLomomooo222=RVRVVIVP输出电压与输出电流有效值的乘积。输出电压与输出电流有效值的乘积。)(d )

8、(21=0LooCCT1tRvvVP 2. 2. 管耗管耗P PT T两管管耗两管管耗 T2T1T=PPP)4(22omomCCLVVVR )d( sin)sin(210LomomCCtRtVtVV )d( )sinsin(2102L2omLomCCttRVtRVV )4(12omomCCLVVVR 3.3.电源供给的功率电源供给的功率P PV V ToV=PPPLomCC2RVV 当当时，时， CComVV 2L2CCVmRVP 4.4.效率效率 CComVo4=VVPP 当当时，时， CComVV % 78.54 1.1.最大管耗与最大输出功率的关系最大管耗与最大输出功率的关系当当VOM0

9、.6VCC时每管具有最大管耗时每管具有最大管耗omT1m2 . 0PP 选管依据选管依据: :2.2. 功率功率BJT的选择的选择omT1m2 . 0 PP|V|V(BR)CEO(BR)CEO| 2V| 2VCCCCI ICM CM V VCCCC/R/RL L8.2.3 功率功率BJT的选择的选择3. 3. 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普通功率三极管的外壳较小, , 散热效果差散热效果差, ,所以允许的耗散功率低。当加上散热片所以允许的耗散功率低。当加上散热片, ,使得器使得器件的热量及时散热后件的热量及时散热后, ,则输出功率可以提高很多。则输出功率可以提

10、高很多。例如低频大功率管例如低频大功率管3AD63AD6在不加散热片时在不加散热片时, ,允许的允许的最大功耗最大功耗P Pcmcm仅为仅为1W,1W,加了加了120mm120mm120mm120mm4 mm4 mm的的散热片后散热片后, , 其其P Pcmcm可达到可达到10 W10 W。 在实际功率放大电路中在实际功率放大电路中, ,为了提高输出信号功为了提高输出信号功率率, ,在功放管一般加有散热片。在功放管一般加有散热片。 功放电路如图所示，设功放电路如图所示，设VCC=12V，RL=8，BJT的的极极限参数为限参数为ICM=2A，|V（BR）CEO|=30V，PCM=5W。试试求：求

11、：1.最大的输出功率最大的输出功率Pom，检验检验BJT能否安全工作？能否安全工作？2.放大电放大电路在路在=0.6时的时的输出功率输出功率Po值。值。解：解：1WRVPLCCom982122122能安全工作， BJTWPPVVvAIiWPPVVvARViCmmTCEOBRCEmCmCmommTCCCEmLCCCm5,30|,28 . 192 . 02 . 02412225 . 18121)(1例题2.当当=0.6时，求输出功率时，求输出功率PoWRVPVVVVVLomoCComCCom3 . 5822 . 9212 . 91246 . 04422乙类互补对称电路存在的问题乙类互补对称电路存在

12、的问题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0.6V-0.6V1.1.静态偏置静态偏置可克服交越失真可克服交越失真2.2.动态工作情况动态工作情况二极管等效为恒压模型二极管等效为恒压模型8.3.1 甲乙类双电源互补对称电路甲乙类双电源互补对称电路设设T T3 3已有合适已有合适的静态工作点的静态工作点T3、Re3、D1、D2、RC3组成前组成前置放大级，置放大级，T1和和T2组成互补组成互补对称功放输出级。对称功放输出级。静态时，静态时， D1、D2产生的压降为产生的压降为T1和和T2提供偏压，使管子微导通。提供偏压，使管子微导通。由于电路对称：由于电路对称：0, 0,2

13、1OLCCviii当有输入信号时，电路工作在甲乙类，进行线性放大。当有输入信号时，电路工作在甲乙类，进行线性放大。电路的缺点：偏置电压不能调整电路的缺点：偏置电压不能调整R1T1R2RLRe3R3T2T3T4+VCC-VEEiC1iC2iLvivo 是利用是利用UBE倍压电路向两倍压电路向两管提供所需管提供所需的偏压的偏压, 其关系推其关系推导如下导如下: )(212124EBBEBEUURRRU4214221)1 (21BEBEEBBEURRURRRUU 由于由于UBE4为为0.60.7V值固定，所以调节电阻的比值固定，所以调节电阻的比值即可改变两管的偏压值即可改变两管的偏压1. 1. 静态

14、偏置静态偏置2. 2. 动态工作情况动态工作情况 调整调整R R1 1、R R2 2阻值阻值的大小，可使的大小，可使CCK21VV 此时电容上电压此时电容上电压CCC21VV 此电路存在的问题：此电路存在的问题：K K点电位受到限制点电位受到限制8.3.2 甲乙类单电源互补对称电路（OTL）3.3.带自举电路的单电源功放带自举电路的单电源功放静态时静态时CCK21VV C C3 3充电后，其两充电后，其两端有一固定电压端有一固定电压动态时动态时C C3 3充当一个电源充当一个电源自举电路自举电路自举电路自举电路8.4 8.4 功率器件功率器件 功率管的最大工作电流必须小于该功率管的功率管的最大

15、工作电流必须小于该功率管的最大允许电流最大允许电流I ICMCM；最大工作反压必须小于允许的；最大工作反压必须小于允许的击穿电压击穿电压U U(BR)CEO(BR)CEO；功率管的功耗要小于允许的最；功率管的功耗要小于允许的最大功耗大功耗P PCMCM。8.4.1 8.4.1 双极型大功率晶体管双极型大功率晶体管(BJT)(BJT) 这里有两个问题还需加以说明：一是散热与最这里有两个问题还需加以说明：一是散热与最大功耗的关系，二是有关二次击穿和安全工作区。大功耗的关系，二是有关二次击穿和安全工作区。一、散热与最大功耗一、散热与最大功耗PCM的关系的关系 电源供给的功率，一部分转换为负载的有用电

16、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度超过管芯材料的最大允许结温TjM(锗管锗管TjM约为约为75100,硅管硅管TjM约为约为150200)，则晶体管，则晶体管将永久损坏。我们把这个界限称为晶体管的最大将永久损坏。我们把这个界限称为晶体管的最大允许功耗允许功耗PCM。 描述热传导阻力大小的物理量称为热阻描述热传导阻力大小的物理量称为热阻R RT T。 R RT T的量纲为的量纲为/W/W，它表示每消

17、耗，它表示每消耗1W1W功率结温上功率结温上升的度数。升的度数。 为减小散热阻力，改善散热条件，通常采用为减小散热阻力，改善散热条件，通常采用加散热器的方法。下图给出一种铝型材散热器的加散热器的方法。下图给出一种铝型材散热器的示意图。示意图。图中：图中： RTj内热阻，表示管芯到管壳的热阻；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；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；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。热器的形状、材料以及面积有关。加散热器后，热加散热器后，热传导阻力等效通传导阻力等效通路如图所示。路如图所示。TfoTjToRRR+=由图可见，不加散热器时，总热阻由图可见，不加散热器时，总热阻RTo为为TfTcTjTRRRR+由于管壳散热面积很小，由于管壳散热面