功率放大电路

1、模拟电路分析模拟电路分析与设计基础与设计基础 功率放大器功率放大器9.1 概概 述述9.2 甲类功率放大器甲类功率放大器 9.4 甲乙类功率放大器电路甲乙类功率放大器电路9.5 甲乙类单电源功率放大器甲乙类单电源功率放大器9.3 乙类功率放大器乙类功率放大器 例：例： 扩音系统扩音系统实际负载实际负载什么是功率放大电路？什么是功率放大电路？ 在电子系统中，模拟信号被放在电子系统中，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、电器动作、 仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要

2、的功率很大。很大。以输出较大功率为目的的放大电路称为功率放大电路以输出较大功率为目的的放大电路称为功率放大电路9.1 9.1 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 功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。为了获得大的输出功率，必须使放大电路。为了获得大的输出功率，必须使 输出信号电压大；输出信号电压大； 输出信号电流大；输出信号电流大； 放大电路的输出电阻与负载匹配。放大电路的输出电阻与负载匹配。一、功放电路的特点和要求一、功放电路的特点和要求1、输出功率尽可能大、输出功率尽可能大 在大功率三极管的输出特性中，除了与普通三极

3、管在大功率三极管的输出特性中，除了与普通三极管一样分有放大区、饱和区、截止区外，从使用和安全角一样分有放大区、饱和区、截止区外，从使用和安全角度还分有度还分有 过电流区过电流区 过电压区过电压区 过损耗区过损耗区它们的位置如图所示。它们的位置如图所示。 过电流区是由最大允许集电极电流过电流区是由最大允许集电极电流确定的，超过此值，确定的，超过此值，将明显下降。将明显下降。 过电压区由过电压区由c、e间的击穿电压间的击穿电压U(BR)CEO所决定。所决定。过损耗区由集电极功耗过损耗区由集电极功耗PCM所决定。所决定。三极管的极限工作区三极管的极限工作区 2、非线性失真要小、非线性失真要小3、效率

4、要高、效率要高4、功放管散热和保护问题不可忽视、功放管散热和保护问题不可忽视5、分析方法、分析方法oTV=PPP%100VoPP电源提供的直流功率功率负载上得到的交流信号:VoPP放大电路输出给负载的功率是放大电路输出给负载的功率是由直流电源提供的，若效率不由直流电源提供的，若效率不高，则能量浪费，管子温度升高，则能量浪费，管子温度升高，减短管子的寿命高，减短管子的寿命二、分类二、分类CCETIUP： 在在一个信号周期一个信号周期内都有电流流过晶体管内都有电流流过晶体管管子的导通角为管子的导通角为360o 静态电流大于静态电流大于0，管耗大，效率低，管耗大，效率低功放：功放： 管子只有管子只有

5、半个周期半个周期内导通内导通管子的导通角为管子的导通角为180o静态电流等于静态电流等于0，效率高，效率高功放：功放： 管子的导通时间管子的导通时间大于半个大于半个周期但是周期但是小小于一个周期于一个周期，比半个周期稍多些，比半个周期稍多些功放：管子导通时间功放：管子导通时间小于半个周期小于半个周期9.2 甲类功率放大器甲类功率放大器0CEQULCQCEQRIUCCVCEu可获得的最大交流功率为可获得的最大交流功率为LRLCQomRIP22R RL L选择很重要，实际选择很重要，实际R RL L都偏小要得到合适都偏小要得到合适R RL L，就需要进行阻抗匹配，就需要进行阻抗匹配，变压器可实现。

6、变压器可实现。CESUCEQUouCEu直流电源提供直流电源提供的直流功率的直流功率集电极电阻集电极电阻R RC C的的功率损耗功率损耗晶体管集电晶体管集电极耗散功率极耗散功率IuCEuLNNLRR221看的交流等效电阻向从变压器原边向负载方变压器耦合功率放大器变压器耦合功率放大器CEu结论：结论：输入信号越大输入信号越大, , 输出功率越大输出功率越大输出功率输出功率omomUIoooUIUIPomom2122CCCQomVIP21CEu电源提供的功率电源提供的功率CQCCCmCQCCCCCVIVtdtIIVtdiVP)sin(21)(212020结论结论: 有无信号时电源供给的有无信号时电

7、源供给的功率都相同，因此输出功率功率都相同，因此输出功率小时，管耗大。小时，管耗大。无信号时无信号时: :CQCCVIVP 有信号时有信号时: :效率效率CCCQomomCCCQomomVoVIUIVIUIPP221静态时管耗最大，即静态时管耗最大，即CQCCVTIVPPmax最高效率最高效率%50maxVomPPCCCQCMCCCEOBRCQCMVIPVUII22)(三极管的极限工作区三极管的极限工作区 CEu小结：小结：1 1、输入信号越大，输入信号越大，P Po o, , 越大。越大。2 2、P Po o越小，管耗越大，静态管耗最大，越小，管耗越大，静态管耗最大，等于电源供给功率。等于电

8、源供给功率。3 3、甲类功放最高效率为甲类功放最高效率为50%50%。4 4、要管子安全工作的重要参数是要管子安全工作的重要参数是P PCMCM、I ICMCM和和U U(BR)CEO(BR)CEO。5 5、效率低的主要原因是静态损耗大效率低的主要原因是静态损耗大。甲类功率放大器存在的缺点：甲类功率放大器存在的缺点： 输出功率小输出功率小 静态功率大，效率低静态功率大，效率低9.3 乙类功率放大器乙类功率放大器 一、电路组成一、电路组成+ui_+uo_C1C2RBRLRET+VccRsus+-bce+uo_EBRBRLRET+Vccui+-bce+-ui+uo_RBRLT+Vccbce+-ui

9、+uo_RBRLT+Vccbce结构特点结构特点:互补对称：互补对称： 电路中采用两个晶电路中采用两个晶体管：体管：NPN、PNP各各一支；一支； 两管特性一致。组两管特性一致。组成互补对称式射极输成互补对称式射极输出器。出器。uuVCCVCCoiLR 二、工作原理二、工作原理（设（设u ui i为正弦波）为正弦波）ic1ic2 静态时：静态时：ui = 0V ic1、ic2均均=0（乙（乙类工作状态）类工作状态） uo = 0V动态时：动态时：ui 0VT1截止，截止，T2导通导通ui 0VT1导通，导通，T2截止截止iL= ic1 ;iL=ic2T1、T2两个管子交替工作，在负载上得到完整

10、的正弦波。两个管子交替工作，在负载上得到完整的正弦波。uuVCCVCCoiLR 当输入信号处于正半周时，且当输入信号处于正半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此幅度远大于三极管的开启电压，此时时NPNNPN型三极管导电，有电流通过型三极管导电，有电流通过负载负载R RL L，按图中方向由上到下，与，按图中方向由上到下，与假设正方向相同。假设正方向相同。 当输入信号为负半周时，且幅度远当输入信号为负半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时大于三极管的开启电压，此时PNPPNP型三型三极管导电，有电流通过负极管导电，有电流通过负 载载R RL L，按图中，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。

11、于方向由下到上，与假设正方向相反。于是两个三极管一个正半周，一个负半周是两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电，轮流导电，在负载上将正半周和负半周在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个完整的不失真波合成在一起，得到一个完整的不失真波形。形。ui+-+VCC-VCCuo三、分析计算三、分析计算(P488)Icm2ic的最大变化范围为：的最大变化范围为：uCE的最大变化范围为：的最大变化范围为：cmI2LcmCESccRIUV2)(21、输出功率、输出功率oooIUP LomomRUU22LomRU221LomomRUP221LCESCCRUV2)(21LCCRV221 ui+-+VCC-

12、VCCuo2、电源功率、电源功率PV 直流电源提供的功率为半个正弦波的平均功直流电源提供的功率为半个正弦波的平均功率，信号越大，电流越大，电源功率也越大。率，信号越大，电流越大，电源功率也越大。LomCC0LomCC0omCCCCCCV2)d(sin22)d(sin22=RUVttRUVttIVIVP 即即PV Uom 。当。当Uom趋近趋近VCC时，显然时，显然PV 近似与电源电压的平方成比例。近似与电源电压的平方成比例。 乙类互补功放电路的管耗乙类互补功放电路的管耗L2omLomCCoVT22=RURUVPPP3 3三极管的管耗三极管的管耗P PT T 电源输入的直流功率，有一部分通过三极

13、电源输入的直流功率，有一部分通过三极管转换为输出功率，剩余的部分则消耗在三极管转换为输出功率，剩余的部分则消耗在三极管上，形成三极管的管耗。显然管上，形成三极管的管耗。显然 将将PT画成曲线，画成曲线，如图所示。如图所示。一个管子的管耗一个管子的管耗)(d )(21=0LooCCT1tRuuVP两管管耗两管管耗)d( sin)sin(210LomomCCtRtUtUV)4(12omomCCLUUVR T1T2=PP)4(22omomCCLUUVRuuVCCVCCoiLR三极管的最大管耗三极管的最大管耗)4(1)d(sin)sin(21=2omomCCLom0omT1UUVRtRtUtUVPLC

14、C0omL2CC22T1max2 . 022 . 0CESULCCPRVRVP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：4 、效率、效率 CComVo4=VUPP时， CComVU% 78.54max最高效率最高效率 max选功率管的原则：选功率管的原则：1、每只管子的最大允许管耗必须每只管子的最大允许管耗必须的最大输出功率：的最大输出功率：2、CCCEOBRVU2)(L2CCom2RVP三极管的极限工作区三

15、极管的极限工作区 3、LCCCMRVIomCMPP2 . 0 即：即：CMomPP5小结小结: :1 1、乙类功放两管轮流工作、乙类功放两管轮流工作2 2、3 3、L2CCom2)(RUVPCESL2omo2RUP CCom4=VU% 78.54maxui+-+VCC-VCCuo当当 IB=0 时时ui死区电压死区电压iL=0 严格说，输入信号很小时，达不到三极管的开启严格说，输入信号很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不导电。因此在正、负半周交替过零处电压，三极管不导电。因此在正、负半周交替过零处会出现一些会出现一些非线性失真非线性失真，这个失真称为，这个失真称为交越失真交越失真。乙类互补

16、对称功放的缺点乙类互补对称功放的缺点输入输出波形图输入输出波形图uiuououo 交越失真交越失真死区电压死区电压uuVCCVCCoiLR tuo交越失真交越失真ui t存在交越失真存在交越失真消除交越失真的OCL电路 静态时静态时: T1、T2两管发射结电压分两管发射结电压分别为二极管别为二极管D1、 D2的正向导通的正向导通压降，致使两管均处于微弱导压降，致使两管均处于微弱导通状态通状态甲乙类工作状态甲乙类工作状态动态时：动态时：设设 ui 加入正弦信号。正半加入正弦信号。正半周周 T2 截止，截止，T1 基极电位进一步基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；负提高，进入良好的导通状态；负

17、半周半周T1截止，截止，T2 基极电位进一步基极电位进一步降低，进入良好的导通状态。降低，进入良好的导通状态。1.1.基本原理基本原理 9.4 甲乙类功率放大器电路甲乙类功率放大器电路一一. 甲乙类双电源互补对称电路甲乙类双电源互补对称电路电路中增加电路中增加 R1、 R2、 D1、D2、R3支路支路uB1ttiBIBQ波形关系：波形关系：ICQiCuBEiBib特点：特点：存在较小的静态存在较小的静态电流电流 ICQ 、IBQ 。每管导通时间大每管导通时间大于半个周期，基于半个周期，基本不失真。本不失真。 iCQuceVCCIBQ利用利用uBEBE扩大电路进行偏置的互补对称电路扩大电路进行偏

18、置的互补对称电路22144RRRUUBECE42124CEBEURRRU二、复合管互补功率放大电路二、复合管互补功率放大电路1、复合管、复合管 (P123)IBIEIC1IC2IE1 =IB221CCCIII 2211BBII 1211EBII 11211)1(BBII 12121)(BI 121BI 推动管推动管输出管输出管IC增加复合管的目的：增加复合管的目的：扩大电流的驱动能力。扩大电流的驱动能力。 1 2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。复合复合NPN型型复合复合PNP型型cebCibieiT12TcbeibTTe1C2iibcebiTiC

19、eibecieiiCTb复合管的特点复合管的特点复合管的复合管的是两个管是两个管1 1、2 2的乘积。的乘积。复合管的管型取决于推动管。复合管的管型取决于推动管。使用复合管时，要注意的问题是：输出管的输使用复合管时，要注意的问题是：输出管的输入电流应与推动管的输出电流一致。入电流应与推动管的输出电流一致。 2. 带复合管的带复合管的OCL互补输出功放电路互补输出功放电路 T1：电压推动级（前置级）电压推动级（前置级） T2、R1、R2：UBE扩大电路扩大电路 T3、T4、T5、T6：复合管构成互补对称功放复合管构成互补对称功放 输出级中的输出级中的T4、T6均为均为NPN型晶体管，型晶体管，两

20、者特性容易对称。两者特性容易对称。 合理选择合理选择R1、R2，b3、b5间间可得到可得到 UBE2 任意倍的电压。任意倍的电压。22122RRRUUBECEvvLRT3TT65oT41T2Ti3RR12R9.5 9.5 甲乙类单电源功率放大器甲乙类单电源功率放大器一、单电源一、单电源OTLOTL互补功率放大电路互补功率放大电路(P485)(P485)它由一对它由一对NPNNPN、PNPPNP特性相同的互补特性相同的互补三极管组成。这三极管组成。这种电路也称为种电路也称为OTLOTL互补功率放大电互补功率放大电路。路。（1 1）电路组成）电路组成（2 2）工作原理）工作原理动态时，当输入信号处

21、于正半周时，动态时，当输入信号处于正半周时，T T1导通，导通，T2截止，截止，ie1流过负载，产生流过负载，产生uo, ,同时对电容充电。同时对电容充电。当输入信号为负半周时，当输入信号为负半周时，T T1截止，截止，T T2导导通，电容放电，产生电流通，电容放电，产生电流ie2通过负通过负 载载RL，按图中方向由下到上，与假设正方向，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。相反。UBUA静态时，静态时，UB = UA = VCC /2 ，T1、T2截止，截止，即处于乙类工作状态，电容两端的电压为即处于乙类工作状态，电容两端的电压为VCC /2/2 于是两个三极管一个正半周，一个负于是两个三极

22、管一个正半周，一个负半周轮流导电，半周轮流导电，在负载上将正半周和在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个完整的负半周合成在一起，得到一个完整的不失真波形。不失真波形。CCV2CCV例题：在例题：在OTL和和OCL电路中，电路中，VCC均为均为15V，RL=10,UCES=1V，分别求两电路最大不失真输出时的最大输出，分别求两电路最大不失真输出时的最大输出功率、电源提供的功率、效率功率、电源提供的功率、效率.解：在解：在OTL电路中，电路中，最大不失真最大不失真输出时最大输出功率为：输出时最大输出功率为：电源提供的功率和效率为：电源提供的功率和效率为：WRUVPLCESCCOm2)2(212WRUVVPLCESCCCCV3)2(%67%100VOmPP在在OCL电路中，电路中，最大不失真最大不失真输出时最大输出功率为：输出时最大输出功率为：WRUVPLCESCCOM8 . 9)(212电源提供的功率和效率为：电源提供的功率和效率为：WRUVVPLCESCCCCV4 .13)(2%73%100VOmPP1、结构特点、结构特点. 单电源供电；单电源供电；. 输出加有大电容。输出加有大电容。2 、基本原理、基本原理二、甲乙类单电源互补对称电路二、甲乙类单电源互补对称电路 调整调整RW阻值的大阻值的大小，可使小，可使CCP21VU此时电容上电