模拟电子技术基础第七章功率放大电路修改

1、第七章第七章 功率放大电路功率放大电路Power Amplifiers2本章内容本章内容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 2. 乙类互补推挽功率放大电路乙类互补推挽功率放大电路3. 交越失真交越失真3本章要求本章要求1. 掌握功率放大器的分类及主要参数；掌握功率放大器的分类及主要参数；2. 了解功率放大电路的静态工作点与输出功率、了解功率放大电路的静态工作点与输出功率、效率、非线性失真之间的关系；效率、非线性失真之间的关系；3. 掌握乙类互补对称功率放大电路的工作原理、掌握乙类互补对称功率放大电路的工作原理、主要参数计算、安全工作条件分析；主要参数计算、安全工作条件分析；

2、4. 了解克服交越失真的偏置电路；了解克服交越失真的偏置电路；功率放大电路的特点和分类功率放大电路的特点和分类 Definitions and Amplifier Types1.1 功率放大电路概述功率放大电路概述1.2 对功率放大电路的要求对功率放大电路的要求1.3 功率放大电路的主要指标参数功率放大电路的主要指标参数 1.4 功率放大器提高效率的主要途径功率放大器提高效率的主要途径51.1 功率放大电路概述功率放大电路概述 什么是功率放大器？什么是功率放大器？在电子系统中，模拟信号被放大后，往往要去在电子系统中，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、继电器动作、推动

3、一个实际的负载。如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率很大。仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率很大。能输出较大功率的放大器称为功率放大器。能输出较大功率的放大器称为功率放大器。功率放大器实质上是一种高效的能量变换和控制电路。功率放大器实质上是一种高效的能量变换和控制电路。61.1 功率放大电路概述功率放大电路概述执行机构执行机构功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取例例1 扩音系统扩音系统71.1 功率放大电路概述功率放大电路概述功率放大电路与电压放大电路的异同：功率放大电路与电压放大电路的异同： 相同点：相同点：均在输入信号作用下，将直流电源

4、的直均在输入信号作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率。流功率转换为输出信号功率。 不同点：不同点：性能要求和运用特性不同。性能要求和运用特性不同。 (1) 功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值路参数不能超过晶体管的极限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。 ICMPCMUCEMIcuce81.1 功率放大电路概述功率放大电路概述(2) 电流、电压信号比较大，必须注意防止电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真波形失真。(3) 电源提供的能量尽可能地转换给负载，以减少晶体电源提供的能量尽可能地转换给负载

5、，以减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（ ）。）。Pomax : 负载上得到的交流信号功率。负载上得到的交流信号功率。PD ： 电源提供的直流功率。电源提供的直流功率。%100max DoPP 91.1 功率放大电路概述功率放大电路概述(4) 要考虑半导体三极管的要考虑半导体三极管的散热散热问题。问题。(5)在分析方法上，在分析方法上，由于晶体管处于大信号下工作，由于晶体管处于大信号下工作，故通常采用故通常采用图解法图解法。101.2 对功率放大电路的要求对功率放大电路的要求1. 安全安全: 输出功率大，管子大信号极限条件下运用。输出功率大，

6、管子大信号极限条件下运用。 2. 高效率高效率: 最大限度输出有用功率，减小功耗。最大限度输出有用功率，减小功耗。 输出功率越大，相应的动态电压电流越大，器输出功率越大，相应的动态电压电流越大，器件非线性特性引起的非线性失真也越大。除采用反件非线性特性引起的非线性失真也越大。除采用反馈技术外，还必须限制输出功率。馈技术外，还必须限制输出功率。3. 失真小失真小: 111.3 功率放大电路的主要指标参数功率放大电路的主要指标参数 LoLooooooRiRuiuiuP2max2maxmaxmaxmaxmaxmax2122122 maxmaxmaxooDoCppPpP 最最大大输输出出功功率率直直流

7、流电电源源提提供供的的功功率率最大输出功率最大输出功率 TcDDTcDDDdttIVTdttIVTP00)(1)(1电源输出功率电源输出功率管耗管耗max0PPPDC 效率效率121.4 功率放大器提高效率的主要途径功率放大器提高效率的主要途径减小减小管耗管耗PC是提高效率的主要途径。是提高效率的主要途径。假设假设集电极瞬时电流和电压集电极瞬时电流和电压分别为分别为 ic(t) 和和 uce(t)，则则 PC 为为 TtutiTPocecC(t)d)(1途径途径 1：减小管子在信号周期内的导通时间，即增大减小管子在信号周期内的导通时间，即增大 ic(t)0 或或 uce(t)0 的时间。晶体管

8、工作方式由的时间。晶体管工作方式由甲类甲类(A-class)甲乙类甲乙类(AB-class)乙类乙类(B-class)丙类丙类(C-class)转化。转化。131.4 功率放大器提高效率的主要途径功率放大器提高效率的主要途径甲类：甲类：功率管在一个周期内导通功率管在一个周期内导通 (如小信号放大如小信号放大)。 乙类：乙类：功率管仅在半个周期内导通功率管仅在半个周期内导通(如射随器如射随器“互补互补”工作工作) 。 甲乙类：甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通管子在大于半个周期小于一个周期内导通(交越失真交越失真)。丙类：丙类：功率管小于半个周期内导通。功率管小于半个周期内导通。甲类甲

9、类乙类乙类甲乙类甲乙类丙类丙类141.4 功率放大器提高效率的主要途径功率放大器提高效率的主要途径 途径途径 2：使管子运用在开关状态使管子运用在开关状态 (丁类丁类(D-class)；它利用晶体管的高速开关特性和低的饱和压降的它利用晶体管的高速开关特性和低的饱和压降的特点，其效率很高，理论上可达特点，其效率很高，理论上可达100%，实际可达，实际可达90%。为提高集电极效率，管子的运用状态从为提高集电极效率，管子的运用状态从甲类甲类向向乙类乙类、丙类丙类或开关工作的或开关工作的丁类丁类转变。但随着效率的提高，转变。但随着效率的提高，集电极电流波形失真严重，为实现不失真放大，在集电极电流波形失

10、真严重，为实现不失真放大，在电路中需采取特定措施。电路中需采取特定措施。2. 乙类互补乙类互补推挽功率放大电路推挽功率放大电路2.1 OCL电路电路2.2 OTL电路电路Class B Complementary Symmetry Push-Pull Amplifier16乙类互补推挽功率放大电路乙类互补推挽功率放大电路 乙类工作时，为了在负载上合成完整的正弦波，一乙类工作时，为了在负载上合成完整的正弦波，一般采用两管轮流导通的推挽般采用两管轮流导通的推挽 (Push-Pull) 电路。电路。(1) 实现方案一实现方案一变压器耦合乙类推挽功放变压器耦合乙类推挽功放17乙类互补推挽功率放大电路乙

11、类互补推挽功率放大电路(2) (2) 实现方案二实现方案二乙类互补对称式功放乙类互补对称式功放182.1 OCL（Output Capacitor-less）电路）电路（1）电路特点）电路特点19（2）工作原理）工作原理(忽略射结压降忽略射结压降)vi(t) 0 时，时，T1 管管 (NPN型型) 导导通，通，T2管管 (PNP型型) 截止，截止，ic1(ie1) 为正半周的半个正弦波；为正半周的半个正弦波；vi(t) 0 时，时，T2 管导通，管导通，T1 管管截止，截止，ic2(ie2)为处于负半周的为处于负半周的半个正弦波。半个正弦波。通过通过 RL 的电流的电流e21eLiii ，合成

12、完整的正弦波。，合成完整的正弦波。 2.1 OCL（Output Capacitor-less）电路）电路202.1 OCL（Output Capacitor-less）电路）电路（3）互补对称式功率放大器的性能分析）互补对称式功率放大器的性能分析 静态分析静态分析iCQ1CQ2CEQ1CCCEQ2CC( )00vtIIUVUV 工作在乙类工作状态工作在乙类工作状态212.1 OCL（Output Capacitor-less）电路）电路vi(t)负半周，负半周，T2导通，负载线是自导通，负载线是自Q2 点出发的直线，斜率为点出发的直线，斜率为L/1 R 虽然虽然集电极电流集电极电流是是半个正

13、弦波半个正弦波，但，但集射极交流电压集射极交流电压是是完整完整正弦波正弦波。 vi(t) 正半周，正半周，T1导通，负载线是自导通，负载线是自Q1 点出发的直线，斜率为点出发的直线，斜率为L/1 R 动态分析动态分析 222.1 OCL（Output Capacitor-less）电路）电路 性能分析性能分析(忽略失真忽略失真) 一般性能分析一般性能分析在在 0t 时，时， t 2 时时，ic1 = 0 ic2 = Icmsint 通过通过 RL 的电流：的电流：tIiiiii sincmc2c12ee1L 电流tIiisin0cmc1c2232.1 OCL（Output Capacitor-

14、less）电路）电路相应的集射极间电压：相应的集射极间电压：电压电压UCE1 = VCC Ucemsin(t)UCE2 = -VCC +Ucemsin(t)RL端的电压：端的电压：uL=RLIcmsin (t)=Ucemsin (t)242.1 OCL（Output Capacitor-less）电路）电路功率功率在在RL 上输出的功率：上输出的功率：PL = Po =UcemIcm /2=I2cmRL/2 正、负电源输出的总直流功率正、负电源输出的总直流功率:21210022sin() ()22sin() ()DDDDCCcmCCcmCCcmPPPPVIt dtVIVIt dt 252.1

15、OCL（Output Capacitor-less）电路）电路令令UCES=0，ICEO=0，则则Ucem=VCC，Icm=VCC/RL 若充分激励（理想情况）若充分激励（理想情况） 相应输出功率相应输出功率Po 和电源输出功率和电源输出功率PD 达到最大，达到最大，即即L2omax2RVPCC omaxL2L2Dmax4)2(42PRVRVPCCCC omaxmaxDmax78.5%4PP 比甲类高比甲类高 效率效率262.1 OCL（Output Capacitor-less）电路）电路 若激励不足（实际情况）若激励不足（实际情况） Ucem减小，引入电源电压利用系数减小，引入电源电压利用

16、系数 ，表示，表示Ucem的的减小程度。减小程度。 效率定义：定义： = Ucem/VCCCmax2ooma222LL2CCcmLoDxDomax41122224cemCCCCUVRRVIPPVRPPPP 272.1 OCL（Output Capacitor-less）电路）电路两管集电极管耗两管集电极管耗:omax2oDC2C1)212(2/ )(PPPPP 分析分析：当输入激励由大减小，即当输入激励由大减小，即 减小时，减小时，Po、PD、均单调减小，而均单调减小，而 PC1 和和 PC2 的变化非单调。的变化非单调。 其值为其值为:omaxomax2max2Cmax1C2 . 02PPP

17、P636. 02 时最大，时最大，282.1 OCL（Output Capacitor-less）电路）电路由由2L2CCo2 RVP 增大增大 VCC，减小，减小 RL，且，且输入充分激励，输出功率将增输入充分激励，输出功率将增大，但最后受到下列大，但最后受到下列安全工作安全工作条件的限制条件的限制： （4） 管安全管安全max(BR)CEO2ceCCuVU CCcmaxcmLCMViIIR12max0.2CCoCMPPPP 292.1 OCL（Output Capacitor-less）电路）电路L2omax2RVPCC omaxL2L2Dmax4)2(42PRVRVPCCCC omaxm

18、axDmax78.5%4PP omaxomax2max1C2.02PPP302.2 OTL（Output Transformer-less）电路电路 单电源单电源供电；供电； 负载串接大容量隔直电容负载串接大容量隔直电容 CL。VCC 与两管串接，与两管串接，若两管特性配对若两管特性配对。 输入信号直流偏置输入信号直流偏置VI =VCC/2 （1）电路特点）电路特点312.2 OTL（Output Transformer-less）电路电路（2）工作原理）工作原理 该电路一般要求该电路一般要求C的容量较大，的容量较大，因而电路的因而电路的低频特性差低频特性差。 输入电压的正半周：输入电压的正半

19、周： VCCT1CRL地地 C 充电。充电。输入电压的负半周：输入电压的负半周： C 的的 “”T2地地RL C “ ” C 放电。放电。单电源供电电路等效单电源供电电路等效为为 VCC/2 和和 VCC/2 的双电源供电电路的双电源供电电路。 32总结：互补对称功放的类型总结：互补对称功放的类型33总结：互补对称功放的类型总结：互补对称功放的类型双电源电路双电源电路OCLOCL电路电路cmCCC2IVP LCC2omax21RVP %5 .78 理理想想 omCmax2 .0PP 单电源电路单电源电路OTLOTL电路电路LCC2omax81RVP cmCCC1IVP %5 .78 理理想想

20、omCmax2 . 0PP 3. 实际问题实际问题3.1 准互补推挽电路准互补推挽电路3.2 交越失真交越失真Amplifier Distortion3.2 功放的保护电路与激励电路功放的保护电路与激励电路35互补对称推挽电路互补对称推挽电路要求两只功要求两只功率管特性配对，难以实现。率管特性配对，难以实现。 2. 解决办法解决办法采用复合管取代互补管，构采用复合管取代互补管，构成成准互补推挽电路准互补推挽电路。 3.1 准互补推挽电路准互补推挽电路 1. 问题的提出问题的提出36cQ2Q1eb3.1.1 复合管结构复合管结构bibi1 bi21 bi )1(12 bi )1(1 21112b

21、ebeberrr 两个晶体管构成复合结构，可增强晶体管的驱动两个晶体管构成复合结构，可增强晶体管的驱动能力和输入电阻能力和输入电阻37晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。3.3.1 复合管结构复合管结构38 其中，其中，T1、T3 为为小功率管小功率管，它，它们之间是们之间是互补的互补的，T2、T4 为为大功大功率管率管，它们是，它们是同型同型，便于特性配，便于特性配对，故称为对，故称为准互补推挽电路准互补推挽电路。 R1，R2(几百几百 )减小复合管减小复合管的反向饱和电流。的反向饱和电流。 3.3.2 准互补推挽电路准互补推挽电路 复合管复合管

22、T1、T2 等效为等效为 NPN 型管型管， 复合管复合管 T3(PNP型型) 与与 T4 等效为等效为 PNP 型管型管 3.2 功放的保护电路与激励电路功放的保护电路与激励电路实际中，往往会发生实际中，往往会发生异常情况异常情况。例如，例如，负载短路，负载短路，致使通过功率管的电流迅速致使通过功率管的电流迅速增大，一旦超过极限参数，增大，一旦超过极限参数，造成管子损坏。因此大功率造成管子损坏。因此大功率功放，应设有功放，应设有:过流，过压、过流，过压、过热保护电路过热保护电路。 4.6.1. 过流保护电路过流保护电路 (1) 保护电路保护电路T1、T2 为为保护管保护管，R1、R2 为为过

23、流取样电阻过流取样电阻。 (2) 保护原理保护原理 以保护管以保护管 T1 为例为例 正常时正常时，VR1VBE1(on)，T1 截止，截止，不起保护作用不起保护作用。异常时异常时，VR1VBE1(on)，T1导通，分流导通，分流T3 管的输入激励管的输入激励电流，限制电流，限制T3 管的输出电流，管的输出电流，起到了限流保护作用起到了限流保护作用。 T2 对对 T4 的限流保护作用同上的限流保护作用同上。 41若要求功率管充分利用，输若要求功率管充分利用，输出最大信号功率，则出最大信号功率，则 RL 上的信号上的信号电压振幅达到接近电源电压电压振幅达到接近电源电压(单电单电源时，接近源时，接

24、近VCC/2)。为此，要求输。为此，要求输入激励级为互补功率管提供振幅接入激励级为互补功率管提供振幅接近电源电压的推动电压。近电源电压的推动电压。 原因：原因：互补推挽功率放大器中互补推挽功率放大器中的功率管接成射极跟随器，电的功率管接成射极跟随器，电压增益压增益小于小于 1。3.2 输入激励电路输入激励电路电路电路 T3 输入激励级输入激励级 R T3 的负载的负载影响输出信号电影响输出信号电压振幅的因素压振幅的因素 交流负载交流负载rRriR，则交流负载线，则交流负载线所示，所示，T3 管的最大输出信号电压振幅受到截止失真的限管的最大输出信号电压振幅受到截止失真的限制，其值小于制，其值小于

25、VCC/2。 若使若使rR，则交流负载线，则交流负载线所示所示，输出信号电，输出信号电压振幅不受截止失真限制，可接近压振幅不受截止失真限制，可接近VCC/2。 改进电路改进电路 (1) 电流源构成电流源构成有源负载有源负载放大器，放大器，直流电阻小，交直流电阻小，交流电阻大流电阻大。(2) 采用自举电路采用自举电路 将将 R1R2 取代取代 R ，接入大，接入大容量电容容量电容 C2。 作用：作用：对交流近似短路，对交流近似短路，交流电位由交流电位由 O 经经 C2 自举自举到到C 点，即点，即 vC vO。 原理：原理：由于互补输出级的电压增由于互补输出级的电压增益接近于益接近于 1，因而，

26、因而 vB vO vC，通过通过 R2 的交流电流的交流电流 i 0，因而从，因而从 B 点向虚线点向虚线框看进去的交流电阻框看进去的交流电阻 (vB/i) 很大，趋于无穷，很大，趋于无穷，T3 的交的交流负载电阻便近似等于流负载电阻便近似等于 T1(或或 T2) 电路的输入电阻。电路的输入电阻。 453.3.1 交越失真现象交越失真现象 在零偏置情况下，考虑到在零偏置情况下，考虑到导通电压导通电压的影响，输出的影响，输出电压波形在衔接处出现严重失真，称电压波形在衔接处出现严重失真，称交越失真交越失真。交越失真交越失真ui tuo t463.3.2 克服交越失真的基本途径克服交越失真的基本途径

27、在输入端为两管加合适的正偏电压，使其工作在在输入端为两管加合适的正偏电压，使其工作在甲乙类甲乙类。 由传输特性图可见：由传输特性图可见：只要只要 VBB 取值合适，上下两路传输特取值合适，上下两路传输特性起始段的弯曲部分就可相互补偿，性起始段的弯曲部分就可相互补偿，合成传输特性趋近于合成传输特性趋近于直线直线，在输入正弦电压激励下，得到不失真的输出电压。，在输入正弦电压激励下，得到不失真的输出电压。 47 二极管偏置电路二极管偏置电路 VBE 倍增电路倍增电路 由于二极管的正向交流结电阻很小，可认为由于二极管的正向交流结电阻很小，可认为交流短路交流短路，因此偏置电路不影响输入信号因此偏置电路不

28、影响输入信号vi(t) 的传输。的传输。 3.2 克服交越失真的基本途径克服交越失真的基本途径48(1) 电路电路 直流：直流：由由 T3、R1、R2 组成，且由组成，且由电流源电流源 IR 激励，为互补功激励，为互补功率管率管 T1、T2 提供偏置电压提供偏置电压 VBB。交流：交流：T3、R1 构成电压负反馈电构成电压负反馈电路，反馈电路的电阻很小，路，反馈电路的电阻很小，几乎不影响输入信号的传几乎不影响输入信号的传输。输。 2. VBE 倍增电路倍增电路49则：则：VBE3=VT ln(IE3/IS) VTln(IR/IS)若若T3 管的管的 足够大，基极电流足够大，基极电流IB3 可忽略，则可忽略，则VBE3又是又是VBB 通过通过R1在在 R2上的分压值，上的分压值，即即)1(21BE3BB212BBBE3RRVVRRRVV 偏置电路提供的偏置电压偏置电路提供的偏置电压VBB是是VBE3的倍增值，且其的倍增值，且其值受值受R1和和R2 控制，故称为控制，故称为 VBE 倍增