模电-第4章功率电子电路

1、第四章第四章 功率放大器功率放大器4.1 概概 述述4.2 乙类功率放大器乙类功率放大器 4.3 甲乙类功率放大器甲乙类功率放大器*4.4 VMOS管功率放大器管功率放大器4.1 4.1 概述概述例：例： 扩音系统扩音系统实际负载实际负载什么是功率放大器？什么是功率放大器？ 在电子系统中，模拟信号被放大后，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、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

2、的放大器称为功率放大器功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取电压放大器电压放大器功率放大器功率放大器放大电压信号放大电压信号获得大的输出功率获得大的输出功率Au Ri RoPo=UoIo小信号小信号微变等效电路分析法微变等效电路分析法大信号大信号图解法图解法一一. 功放电路的特点功放电路的特点（2） 功放电路中电流、电压要求都比较大，必须功放电路中电流、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注意电路参数不能超过晶体管的极限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。 ICMPCMUCEM（1）输出功率输出功率Po尽可能大尽可能大Icuce(3) 电流、电压信号比较大，必

3、须注意防止波形失真。电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。(4) 电源提供的能量应尽可能多地转换给负载，尽量电源提供的能量应尽可能多地转换给负载，尽量减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（效率（ ）。）。Po: 负载上得到的交流信号功率。负载上得到的交流信号功率。PE :电源提供的直流功率。电源提供的直流功率。%100EOPP（5）功放管散热和保护问题）功放管散热和保护问题二二. 甲类功率放大器分析甲类功率放大器分析1.三极管的静态功耗：三极管的静态功耗：若若CCCEQVU21的静态功耗相等的静态功耗相等三极管和负载电阻三极管和负载电阻

4、LRCQCEQTIUP CQCCEIVP 电源提供的平均功耗：电源提供的平均功耗：CQCCRLTIVPP21则则+uVCCLRb1RiIcuceQuceQIcQ2.动态功耗动态功耗（当输入信号（当输入信号Ui时）时）输出功率输出功率:omomomom2122IUIUP o 要想要想PO大，就要大，就要使功率三角形的面积使功率三角形的面积大，即必须使大，即必须使Vom 和和Iom 都要大。都要大。最大输出功率最大输出功率:CQCComIVP)21(21MNUomIom功率三角形功率三角形iCuCEQUCEQICQVCCCQCCIV41电源提供的功率电源提供的功率CQCCCmCQCCCCCEIVt

5、dtIIVtdiVP)sin(21212020此电路的最高效率此电路的最高效率25. 0 EomPP 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CQCCTIVP 21三三. BJT的几种工作状态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整个周期内均有电流流过BJT。甲乙类：甲乙类：介于两者之间，介于两者之间，导通角大于导通角大于180iCuCEQ1UCEQICQVCCiCuCEQ3ICQVCC乙类：乙类：静态电流为静态电流为0，BJT只在只在正弦信号的半个周期内均导通。正弦信号

6、的半个周期内均导通。iCuCEQ2ICQVCC一一. 结构结构4.2 乙类功率放大器乙类功率放大器uuVCCVCCoiLR乙类状态的乙类状态的NPN、 PNP射极跟随器射极跟随器 互补组成对称式功放互补组成对称式功放LRuVCCouiVCCLRuiuo二、工作原理二、工作原理ic1 静态时：静态时：动态时动态时:(设设ui为正弦波为正弦波)T1、T2两个管子交替工作，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。ui = 0V Ic1=Ic2=0（乙类状态）（乙类状态） uo = 0Vui 负负半周半周T1截止，截止，T2导通导通ui 正半周正半周T1导通，导通，T2截

7、止截止io= ic1io=ic2uu12VCCVCCoiLRio形成形成uo正半周正半周形成形成uo负半周负半周ic2Po=0PT=0PE=0uuVCCVCCoiLRuo=VCC-uCE |uo|= | uCE| Uom= Ucemio= iCIom= Icm三、分析计算三、分析计算图解法图解法IcmUcem 负载上的最大不失真输出电压为负载上的最大不失真输出电压为(极限值）极限值） Uom= Ucem =VCC - UCES VCC uCEiC1iC2QVCCLCCRVUCES动画演示动画演示最大不失真输出功率最大不失真输出功率PomaxL2CCL2CESCComax22)(RVRUVP 1

8、.输出功率输出功率PoL2omLomomooo222=RURUUIUP 三、分析计算三、分析计算uuVCCVCCoiLR时时当当CCVUom 一个管子的管耗一个管子的管耗)(d )(21=0LooCCT1tRuuVP 2.管耗管耗PT两管管耗两管管耗)d( sin)sin(210LomomCCtRtUtUV )4(12omomCCLUUVR T1T2=PP)4(22omomCCLUUVR uuVCCVCCoiLR3.电源供给的功率电源供给的功率PE ToE=PPPLomCC2RUV 当当时， CComVU 2L2CCEmRVP 4.效率效率 CComEo4=VUPP 时，时， CComVU %

9、 78.54max 最高效率最高效率 max四三极管的最大管耗四三极管的最大管耗 使使PT1对对Uom求导，并令导数求导，并令导数=0，有：，有：0)2(1omCCL1 UVRdUdPomT 求得：求得： CC2VUom omCCCCTPRVVVRP2 . 01)2)2(2(1L2222Lmax1 )4(12omomCCLT1UUVRP 管耗：管耗：最大管耗：最大管耗：选功率管的原则：选功率管的原则：1. PCM PT1max =0.2PoM2CCCEOBRVU2)( L2CCoM2RVP uuVCCVCCoiLRC MC CLVIR3.例：乙类互补对称功率放大电路如图所示，Vcc=15V,负

10、载RL=8，请选择功率管的参数。选：选： PCM 0.2PoM=2.8W()230VBR CEOCCUV22CCoML11514.1W228VPRuuVCCVCCoiLRC M1.88 AC CLVIR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动画演示动画演示乙类互补对称功放的缺点乙类互补对称功放的缺点uu-oLRi2RD12R1VCCDVCC4.3 甲乙类功率放大器甲乙类功率放大器 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

11、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。结构：结构：电路中增加电路中增加 R1、D1、D2、R2支路支路1.1.基本原理基本原理 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uuRoLi2R1DD2VCC1RVCC功率、效率的计算套用乙类公式，功率、效率的计算套用乙类公式，误差在允许的范围

12、内。误差在允许的范围内。uB1tUTtiBIBQ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。 iCQuceVCC /ReVCCIBQ2.2.带前置放大级的甲乙类功率放大器带前置放大级的甲乙类功率放大器 -+uu*CCVUPLRO1RR3R4DVCCIR2iT12TT3R2 D 克服交越失真克服交越失真T3前置级前置级(甲类状态）甲类状态）T1 T2互补对称功放互补对称功放（甲乙类状态）（甲乙类状态）（计算同乙类（计算同乙类）R3和和R4稳定输出电流稳

13、定输出电流3. 电路中增加复合管电路中增加复合管增加复合管的目的：增加复合管的目的：实现管子参数的配对实现管子参数的配对,扩大电流的驱动能力。扩大电流的驱动能力。 1 2复合复合NPN型型cebCibieiT12TbcebiTiCei112(1)bebeberrr111211121)1(bbbbccbcIIIIIIII 2121 V1V2NPN + NPNNPNV1V2PNP + PNPPNPV1V2NPN + PNPNPNV1V2PNP + NPNPNP构成复合管的规则：构成复合管的规则：1) ) 应保证发射结正偏，集电结反偏；应保证发射结正偏，集电结反偏；2) ) 复合管类型与第一只管子相

14、同。复合管类型与第一只管子相同。4. 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。22122RRRUUBECE uuLRT3TT65oT41T2Ti3RR12R单电源供电；单电源供电；输出加有大电容。输出加有大电容。（作用：

15、负电源、耦合）（作用：负电源、耦合）（1）静态偏置）静态偏置二二. 甲乙类单电源互补对称电路甲乙类单电源互补对称电路 调整调整RW阻值可使阻值可使CCP21VU 电容上电压电容上电压CCC21VU +uuTT1324TTC8RVCC1R2RRLR5R6WRUPiO1、结构、结构2、工作原理、工作原理C 隔断直流隔断直流 IO=0 UO=0RW 引入负反馈，提高稳定性。引入负反馈，提高稳定性。UP UB4 IB4 IC4 UC4 UP （2）动态分析）动态分析（电容起到了负电源（电容起到了负电源的作用）的作用）ui负半周时，负半周时，T1导通、导通、T2截止；截止；ui正半周时，正半周时，T1截

16、止、截止、T2导通。导通。+uuTT1324TTC8RVCC1R2RRLR5R6WRUPiO供电总电压：供电总电压：VCC-UC=VCC/2供电电压：供电电压：UC= -VCC/2功率、效率的计算套用双电源互功率、效率的计算套用双电源互补对称功放的公式补对称功放的公式 将原将原VCC换为换为VCC/2ic1ic2（3）输出功率及效率）输出功率及效率若忽略交越失真的影响。则：若忽略交越失真的影响。则：%5 .78max2maxCCoVU+uuTT1324TTC8RVCC1R2RRLR5R6WRUPiOLCCLooRVRUP82)2(22maxmax电路使用单电源，有输出电容，没有输出变压器，称电

17、路使用单电源，有输出电容，没有输出变压器，称为为OTL电路电路选功率管的原则：选功率管的原则：1. PCM PT1max =0.2PoM2()BR CEOCCUV2CCoML8VPRC M2C CLVIR3.+uuTT1324TTC8RVCC1R2RRLR5R6WRUPiO此电路存在的问题：此电路存在的问题：输出电压正方向变化的幅度受到限制，达不到输出电压正方向变化的幅度受到限制，达不到VCC/2。输出交流电压的极限值：输出交流电压的极限值： Uom VCC /2+uuTT1324TTC8RVCC1R2RRLR5R6WRUPiOUP2. 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

18、CCP21VU C1充电后，其两端有充电后，其两端有一固定电压一固定电压VCC/2动态时动态时+uuRCCTL1CRR2PR0R837CU2R1RTRiTW5V416TC1、R7为自举电路为自举电路Auo向正方向上升时，由于向正方向上升时，由于C1很大，很大，两端电压基本不变，两端电压基本不变，A点电位随输出电压升高而升高。点电位随输出电压升高而升高。使得使得R8上的交流电位也大幅上升，上的交流电位也大幅上升，这就是自举效应。保证输出幅度达到这就是自举效应。保证输出幅度达到VCC/2。总结：互补对称功放的类型总结：互补对称功放的类型 互补对称功放的类型互补对称功放的类型 双电源电路双电源电路又称又称OCL电路电路 （无输出电容）（无输出电容）单电源电路单电源电路又称又称OTL电路电路 （无输出变压器）（无输出变压器）LCCoRVP22max LCCoRVP82max 小小 结结 1、功率放大电路是在大信号下工作，通常采用图解法进行分析。 研究的重点是如何在允许的失真情况下，尽可能提高输出功率和效率。 2 2、正确理解功率放大器的特点及甲类，乙类和甲乙类的概念。与甲类功率放大电路相比，乙类互补对称功放的主要优点是效率高，在理想情况下，其最大效率约为78.5%。为保证BJT安全工作，双电源互补对称电路工作在乙类时，器件的极限参数必