模拟电子电路第九章功率电路及系统1

1、1第第9 9章章 功率电路及系统功率电路及系统291 功率放大器功率放大器911功率放大器的特点及工作状态分类功率放大器的特点及工作状态分类一、特点一、特点(1) 给负载提供不失真的、足够大的功率。(3) 分析方法以图解法为主。(2) 大信号工作。以提供给负载足够大的功率为主要目标的放大器。3 (4) 非线性失真与其他交流指标间的矛盾突出。 (5) 提高效率成为重要的关注点。在效率高、非线性失真小、安全工作的前提下，向负载提供足够大的功率。对功率放大器的要求：对功率放大器的要求：(6) 功率器件的安全问题必须考虑。4甲类甲类Q乙类乙类丙类丙类QQ甲乙类甲乙类二、工作状态分类二、工作状态分类5i

2、Ct0iCuBEQ0图91放大器的工作状态分类(a) 甲类(导通角为180)非线性失真小，但能量转换效率太低。%50理想情况下：6iCt0iCuBEQ(b)20 (b)乙类(导通角为90)图91放大器的工作状态分类非线性失真大，但能量转换效率很高。可通过改进电路结构，减小非线性失真。%5 .784理想情况下：7iCt0iCuBEQ(c)0(c)丙类(导通角90)图91放大器的工作状态分类主要用于高频功放中。进一步提高能量转换效率。8UCCRLRLN1N2RBVCBui(a)电路图92甲类功放电路及交、直流负载线LLRnR2912 甲类甲类(A类类)功率放大器功率放大器一、电路一、电路变压器耦合

3、，在ICQ一定时，通过调整变压比，使负载获得最大功率。9iCt0ICQICQICQuCEiCuCEt00UCEQUCUCC(b)Q直流负载线交流负载线iB1RLIC图92甲类功放电路及交、直流负载线mmcmcmLIUP21UCCRLRLN1N2RBVCBui(a)10二、功率与效率的计算二、功率与效率的计算1.电源供出功率PECQCCcmCQCCTEIUdttIIUTP)sin(10 2. 负载得到的交流功率PL设变压器效率T=1,则 ，即LLRRLPPPPE固定不变，与交流信号的大小或有无均无关。固定不变，与交流信号的大小或有无均无关。mmUCCRLRLN1N2RBVCBui(a)11Lcm

4、cmcmcmcmTLRUIUtdtItUTP202121sinsin1CQcmCCcmIIUU(max)(max),最佳负载情况下：此时最大输出功率PLm为CQCCLmIUP21mmUCCRLRLN1N2RBVCBui(a)123. 管子功耗PC LECPPP 4. 转换能量的效率UCCRLRLN1N2RBVCBui(a)13021sinsin1122TLcmcmcmcmcmLPUt ItdtTUUIRCQCCcmCQCCTEIUdttIIUTP)sin(10CQCCcmcmELIUIUPP21当Ucm(max)=UCC, Icm(max)=ICQ时，效率达到最高：%5021m 4. 转换能量

5、的效率mm14如何解决效率低的如何解决效率低的问题？问题？办法：办法：降低降低Q点。点。既降低既降低Q点又不会引起截止失真的办法：点又不会引起截止失真的办法：采用采用推挽输出电路，推挽输出电路，或称或称互补对称射极互补对称射极输出器。输出器。缺点：缺点：但又会引但又会引起截止失真。起截止失真。mm15 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 CapacitorLess互补对称：互补对称：电路中采用两支晶体管，电路

6、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： 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路16的结构特点：的结构特点：1. 由由NPN型、型、PNP型三极管构成两个对称的射极输出型三极管构成两个对称的射极输出器对接而成。器对接而成。2. 双电源供电。双电源供电。3. 输入输出端不加隔直电容。输入输出端不加隔直电容。无输出电容的（无输出电容的（OCL）互补对称功放电路）互补对称功放电路uiV1V2V0VD1VD2ICOiC1iC2UCCuoUEE0uoRLiC1iC217 913 互补跟随乙类互补跟随乙类(B类类)功率放大器功率放大器一、双电源互补跟随乙

7、类功率放大器一、双电源互补跟随乙类功率放大器 (OCL电电路路)1.电路OTL、OCL、BTL、变压器耦合式等。OTL：Output transformerless。OCL：Output capacitorless。BTL：Balanced transformerless。（桥式推挽电路）18uiV1V2V0VD1VD2ICOiC1iC2UCCuoUEE0uoRLiC1iC2图93 互补跟随乙类功率放大器(OCL电路) 21CEEECCCEuUUu0cu1ci2ci0cu乙类互补功率放大电路波形的交越失真乙类互补功率放大电路波形的交越失真.avi191Ci1BEu2Ci2BEu图9-3-1 O

8、CL电路中晶体管输入回路工作示意图 202. 功率与效率的计算0Icm(max)uCE1iC10Ucem(max)(a)T2Q(0, UCC)UCCRLUcemIcm图94互补跟随乙类功放负载线及工作点 (a)单管负载线；(b)双管负载线 LCCCCERiUu1121LCEECERiUu220iC2uCE 2Q- UEEUEERLuCE1iC10Ucem(max)Q UCCUCCRL图941 互补跟随乙类功放单管负载线及工作点 LCCCCERiUu1122图94互补跟随乙类功放负载线及工作点 (a)单管负载线；(b)双管负载线 t0iC1iC20iC1iC2uCE1Q (0, UCC)uce1

9、(b)iC乙类互补功率放大电路波形的合成乙类互补功率放大电路波形的合成.avi231)输出交流功率PLLCCLRUP2221令 称之为电压利用系数，那么CComUULomcemcmomlmLRUUIUIP2212121V1、V2为半周工作，但负载电流却是完整的正弦波。uiV1V2V0VD1VD2ICOiC1iC2UCCuoUEE0uoRLiC1iC224 信号增大，Uom增大，电压利用率也增大。若忽略集电极饱和电压，则最大=1，故最大输出功率PLm为 LCCLmRUP221LCCLRUP222125当信号为零时，工作点接近于截止点，ICQ=0，电源不提供功率；而随着信号的增大，iC增大，电源提

10、供的功率也将随之增大。这点与A类功放有本质的差别。LomCCcmCCmcEEmcCCRUUIUIUIU2221PE=UCC(iC1的直流分量)+|UEE|(iC2的直流分量)2)电源提供的功率uiV1V2V0VD1VD2ICOiC1iC2UCCuoUEE0uoRLiC1iC226LCCEmRUP22当信号最大时，Uom(max)UCC，所以电源输出的最大功率为 LomCCcmCCERUUIUP 22273)每管转换能量的效率 44221222CComLomCCLomELELUURUURUPPPP当信号最大，=1时，效率达到最高： %5 .784mB类的效率远比A类的高。信号越大，效率越高。ui

11、V1V2V0VD1VD2ICOiC1iC2UCCuoUEE0uoRLiC1iC2284)每个管子损耗PCLomLomCCLECRURUUPPP24122 可见，每个管子的损耗PC是输出信号振幅的函数。将PC对Uom求导，可得出最大管耗PCm。令0)21(1omCCLomCUURdUdP292 . 022112222LCCLCCLmCmRURUPPLCCCCCCCCLCmRUUUURP2221)2(4121得出，当 时，每管的损耗最大： CComUU2303.选择功率管(1)已知PLm及RL，选UCC，则LLmCCLCCLmRPURUP2212(2)已知PLm，选择管子允许的最大功耗PCM。管子

12、允许的最大功耗LmCmCMPPP2 . 0例如要求输出功率为10w时则只要选用两个额定管耗大于2w的管子就可以了。31 (3)管子的击穿电压U(BR)CEO。CCCEOBRUU2)(4)管子允许的最大电流ICM。LCCcmCMRUII32 二个三极管二个三极管 的总功耗的总功耗0.4P0M，每个三极管的最，每个三极管的最大功耗为大功耗为PTM=0.2P0M4.OCL乙类互补对称电路的特点乙类互补对称电路的特点OCL电路省去了大电容，即改善了低频响应，又电路省去了大电容，即改善了低频响应，又 便便于集成化；于集成化；注意注意：二个三极管的发射极直接连接到负载上，如：二个三极管的发射极直接连接到负

13、载上，如果果Q点失调，电路将点失调，电路将过载过载，损坏电路，常常在负载，损坏电路，常常在负载回路接入回路接入熔断器熔断器作为保护。作为保护。33二二. .单电源供电的互补推挽电路单电源供电的互补推挽电路(OTL)(OTL) 1. 1. 电路特点电路特点 (1) 单电源供电；单电源供电； (2) 负载串接大容量隔直电容负载串接大容量隔直电容 C, VCC 与两管串接，若两管特性配对，与两管串接，若两管特性配对，则则 VA = VCC/2，C 实际上等效为电实际上等效为电压等于压等于 VCC/2 的直流电源。的直流电源。VT1 管的直流供电电压：管的直流供电电压：VCC VAVCC/2VT2 的

14、供电电压：的供电电压： VA 0 VCC/2 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。 34适当适当选择选择 R1、 R2 的数值，使的数值，使 VB1 和和 VB2 恰好给恰好给 VT1、VT2 提供提供最佳静态偏置，使它们的中点电位最佳静态偏置，使它们的中点电位 VA = VCC /2 。因而电容。因而电容 C 两端电压两端电压等于等于 VA ，即，即VCC /2。这样，。这样，VT1 和和 VT2 管的电源电压均为管的电源电压均为 VCC /2 。（2）工作原理）工作原理 静态时静态时35 动态时动态时ui 0，VT1 导

15、通而导通而 VT2 截止，截止， io = ic1 ，路径为：，路径为： ui 0 ，VT2 导通而导通而 VT1 截止，电容截止，电容 C 释放储能供给，路释放储能供给，路径为：径为： io 在在 RL 上形成正半周输出电压上形成正半周输出电压 uo ，同时给电容，同时给电容 C 充电，补充电，补充储能。充储能。地地负负载载电电容容极极管管极极管管 LCCeVT1cVT1RCV负负极极电电容容负负载载极极管管极极管管正正极极CRCLcVT2eVT2 io 在在 RL 上形成负半周输出电压上形成负半周输出电压 uO。 36电容电容 C 的作用：的作用：1) )充当充当 VCC / 2 电源电源

16、2) )耦合交流信号耦合交流信号 只需将双电源计算公式只需将双电源计算公式中的中的VCC换成换成1/2VCC即可。即可。如：如： （3）最大输出功率）最大输出功率L2L2CCLm/(1/8)/2)(1/2)(CCRVRVP 37实用实用OTL互补输出功放电路互补输出功放电路调节调节R,使静态使静态UAQ=0.5USCD1 、 D2使使b1和和b2之间的之间的电位差等于电位差等于2个二极管正个二极管正向压降，克服交越失真。向压降，克服交越失真。Re1 、 Re2：电阻值：电阻值12 ，射极负反馈电阻，也起限射极负反馈电阻，也起限流保护作用。流保护作用。D1D2ui+USCRLT1T2T3CRBR

17、e1Re2b1b2A383. 电路中增加复合管电路中增加复合管增加复合管的目的是：增加复合管的目的是：扩大电流的驱动能力。扩大电流的驱动能力。复合管的构成方式：复合管的构成方式：cbeT1T2ibicbecibic方式一：方式一：bcccbcbebbciiiiiiiiiii)1 (,)1 (,121212221121139becibic 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。方式二：方式二：cbeT1T2ibic复合管构成方式很多。不论哪种等效方式，等效复合管构成方式很多。不论哪种等效方式，等效后晶体管的性能确定均如下：后晶体管的性能确定均如下：

18、40T1T2T3T4放大器ViRL+EC+Vo+ 准互补对称式OTL电路 # OTL电路的指标计算和乙类推挽功放完全一样，只须将变压器耦合中的EC换成1/2EC。41uiV1V2V0UCCICOR1R2RLV4V3UEEuo图97 准互补乙类功率放大器电路42（1） 静态偏置静态偏置（2）动态工作情况）动态工作情况 调整调整R1、R2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：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。实际电路实际电路克服交越失真克服交越失真43

19、+-+44ViRL+ECT2T1+T3+R1R2R3ReD1D2Vo+CRDK静态时，电容两端的电压VC = ECVRVK = 1/2ECVR当时间常数RC足够大时，电容上的电压不随vi而变，为定值。当当vi为负时，为负时，T1导通，导通，K点电位升高点电位升高。VD = VC+VK = ECVR+Vo 当当Vo增加到增加到Vo VR时，时，D点电位高于点电位高于EC，使使T1充分导通。充分导通。VD = VC+VK = 1/2ECVR+ 1/2EC+Vo= ECVR+Vo45图图 9.3.19.3实际的功率放大电路实际的功率放大电路9.3.1OTL 音频功率放大电路音频功率放大电路中中间间级

20、级前前置置放放大大级级功功率率放放大大级级电压串联负反馈电压串联负反馈电容：相位补偿电容：相位补偿461. 闭环电压放大倍数闭环电压放大倍数1011 . 01 . 01014144iof RRRFUUAu2. 最大输出功率最大输出功率Lom2om2RUP V 4.5V)5 . 01212(2R11CESCCom UUVU W63. 0W)165 . 421(22Lom2om所以所以 RUP实际上功率管不能工作在接近饱和区，本电路的实际上功率管不能工作在接近饱和区，本电路的实际输出功率小于或等于实际输出功率小于或等于0.5W。479.3.2OCL 高保真功率放大电路高保真功率放大电路图图 9.3

21、.2高保真高保真 OTL 功率放大电路功率放大电路带恒流源的差动放大输入级带恒流源的差动放大输入级共射放大电路中间级共射放大电路中间级OCL准互补对称电路准互补对称电路电压串联交流负反馈电压串联交流负反馈相位补偿相位补偿481. 闭环电压放大倍数闭环电压放大倍数5 .3662. 062. 022b2Fb2iof RRRUUAu2. 最大输出功率最大输出功率Lom2om2RUP V7 . 91V)18 . 027 . 0124(Re9BE9BE7Re4EC4CCom UUUUUVU W3 .24W)87 .1921(22Lom2om RUP所以所以为了避免产生明显的失真，电路的实际输出功率应适为

22、了避免产生明显的失真，电路的实际输出功率应适当减小，本电路的额定输出功率为当减小，本电路的额定输出功率为20W。499.4集成功率放大器集成功率放大器OTL、OCL电路均有各种不同电压增益的多种型号的集电路均有各种不同电压增益的多种型号的集成电路。只需外接少量元件，就可成为实用电路。成电路。只需外接少量元件，就可成为实用电路。集成功率放大器广泛用于音响、电视和小电机的驱动方集成功率放大器广泛用于音响、电视和小电机的驱动方面。集成功放是在集成运算放大器的电压互补输出级后，面。集成功放是在集成运算放大器的电压互补输出级后，加入互补功率输出级而构成的。大多数集成功率放大器加入互补功率输出级而构成的。

23、大多数集成功率放大器实际上也就是一个具有直接耦合特点的运算放大器。它实际上也就是一个具有直接耦合特点的运算放大器。它的使用方法原则上与集成运算放大器相同。的使用方法原则上与集成运算放大器相同。集成功放的优点：集成功放的优点：温度稳定性好，电源利用率高，功耗较低，非线性失温度稳定性好，电源利用率高，功耗较低，非线性失真较小，内部有各种保护电路。真较小，内部有各种保护电路。50图图 9.4.1集成功放集成功放 5G31 的电路原理图的电路原理图一、集成功放一、集成功放 5G31电路电路(差分输入式音频功放差分输入式音频功放)单入双出差分放大电路单入双出差分放大电路单管放大电路单管放大电路单管共射放

24、大电路单管共射放大电路功率放大级功率放大级电压串联负反馈电压串联负反馈51该电路内部的组成：三个电压放大级和一个功率放大输出级.输入级：VT1、VT2组成单端输入、双端输出的长尾失差动放大电路.第二级：VT4组成的单管放大电路.第三级：VT5组成的单管共射放大电路.功率输出级：OTL甲乙类互补对称放大电路VT6-VT13组成，VT9和VT10组成NPN型复合管；VT11、VT12和VT13组成PNP型复合管； VT6、VT7、VT8接成二极管，使电路工作在甲乙类状态52二、引脚和典型接法二、引脚和典型接法5G31共有共有14个引脚个引脚531. 闭环电压放大倍数闭环电压放大倍数11110110

25、810iof RRRUUAu2. 最大输出功率最大输出功率(若接成若接成OTL互补对称输出级互补对称输出级) W1W82)22/12(2)2/(2L2CESCCom RUVP所以所以四、参数的计算四、参数的计算 54LM386内部电路内部电路图图9.4.1LM386内部电路原理图内部电路原理图第一级差分放大电路第一级差分放大电路（双入单出）（双入单出）第二级共射放大电路第二级共射放大电路（恒流源作有源负载）（恒流源作有源负载）第三级第三级OTL功放电路功放电路输出端应外接输出电输出端应外接输出电容后再接负载。容后再接负载。电阻电阻R7从输出端连接到从输出端连接到T2的发射极形成反馈通道，并与的

26、发射极形成反馈通道，并与R5和和R6构成反馈网络，引入深度电压串联负反馈。构成反馈网络，引入深度电压串联负反馈。集成集成OTL电路的应用电路的应用 55二、二、LM386的电压放大倍数的电压放大倍数1.当引脚当引脚1和和8之间开路时之间开路时Uf=UR5+UR6Ui/2 OiOfUURRRRRUUF276565202)1 (2657657RRRRRRUUAiOu2.当引脚当引脚1和和8之间外接电阻之间外接电阻R时时RRRRAu/2657563.当引脚当引脚1和和8之间对交流信号相当于短路时之间对交流信号相当于短路时200257RRAu4.在引脚在引脚1和和5之间外接电阻，也可改变电路的电压放大倍数之间外接电阻，也可改变电路的电压放大倍数657)/(2RRRRAu电压放大倍数可以调节，电压放大倍数可以调节，调节范围为调节范围为20200。三、三、LM386引脚图引脚图图图9.4.2LM386的外形和引脚的外形和引脚57集成功放集成功放 LM384管脚说明管脚说明:14 - 电源端（电源端（ Vcc）3、4、5、7 - 接地端（接地端（ GND）10、11、12 - 接地端（接地端（GND）2、6 - 输入端输入端 （一般（一般2脚接地）脚接地） 8 - 输出端输出端 （经（经500 电容接负载）电容接负载