模电-课件第7章-功率放大电路1

本章基本教学要求熟练掌握功率放大电路的工作原理、最大输出功率和效率的估算。正确理解非线性失真。一般了解集成功率放大电路及其应用。本章基本教学要求熟练掌握功率放大电路的工作原理、最大输出功率1本章重点内容

功率放大电路的特点和互补推挽功率放大电路的工作原理以及输出功率的计算。本章重点内容27.1功率放大电路的一般问题

功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。必须使：

输出信号电压大；

输出信号电流大；

放大电路的输出电阻与负载匹配。7.1功率放大电路的一般问题 3功率放大电路的特点及主要研究对象1.要求输出功率尽可能大；2.要求效率要高；3.非线性失真要小；4.分析方法用图解法；5.要考虑散热措施及过流过压保护措施。功率放大电路的特点及主要研究对象1.要求输出功率尽可能大；4一、为了获得大的输出功率，可以1、提高电源电压2、选择大功率管3、改善散热条件

一、为了获得大的输出功率，可以5二、功率放大电路提高效率的主要途径选择恰当的工作方式：1.甲类放大输入信号在整个周期内都有电流流过放大器件，ic≧0，输出不失真，最大效率50%，没有信号时，功率全部消耗在管子上。如电压放大器。图7.1甲类放大，在一个周期内iC

≧

0二、功率放大电路提高效率的主要途径选择恰当的工作方式：图7.62.甲乙类放大输入信号在大半个周期内有电流流过放大器件，输出出现失真，效率增大，由于静态工作点低，所以在没有输入信号时，管子消耗的功率不大。图7.2乙类放大，在大半个周期内iC

≧

02.甲乙类放大输入信号在大半个周期内有电图7.2乙73.乙类放大输入信号仅在半个周期内有电流流过放大器件，输出的半个波形没有了，失真达到最大，但效率达到最高。由于静态时集电极电流为零，所以在没有输入信号时三极管不消耗功率。图7.3乙类放大，在半个周期内iC

≧

03.乙类放大输入信号仅在半个周期内有电流图7.3乙87.2互补对称功率放大电路1.电路组成

乙类互补功率放大电路如图所示。它由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成的射极输出器。这种电路也称为OCL互补功率放大电路。乙类互补功率放大电路7.2互补对称功率放大电路1.电路组成92.工作原理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，此时NPN型三极管导电，有电流通过负载RL，按图中方向由上到下，与假设正方向相同。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PNP型三极管导电，有电流通过负载RL，按图中方向由上到下。于是两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电，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形。动画7-12.工作原理当输入信号处于正半周时，10

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、负半周交替过零处会出现一些非线性失真，这个失真称为交越失真。如图所示。交越失真严格说，输入信号很小时，达不到11

为解决交越失真，可给三极管稍稍加一点偏置，使之工作在甲乙类。此时的互补功率放大电路如图所示。

(a)利用二极管提供偏置电压(b)利用三极管恒压源提供偏置甲乙类互补功率放大电路动画7-2为解决交越失真，可给三极管稍稍加12甲乙类双电源互补对称电路VBE4可认为是定值R1、R2不变时，VCE4也是定值，可看作是一个直流电源。甲乙类双电源互补对称电路VBE4可认为是定值133.参数计算

1)最大不失真输出功率Pomax

设互补功率放大电路为乙类工作状态，输入为正弦波。忽略三极管的饱和压降，负载上的最大不失真功率为：3.参数计算设互补功率放大电路为乙类工作14

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。2)电源功率PV即PV∝Vom。当Vom趋近VCC时:直流电源提供的功率为半个正弦波的平均功率，信号越153)三极管的管耗PT

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上，形成三极管的管耗。显然：将PT画成曲线，如图所示。乙类互补功放电路的管耗3)三极管的管耗PT将PT画成曲线，乙类互16

显然，管耗与输出幅度有关，图5.7中画阴影线的部分即代表管耗，PT与Vom成非线性关系，有一个最大值。可用PT对Vom求导的办法找出这个最大值。PTmax发生在Vom=0.64VCC处，将Vom=0.64VCC代入PT表达式，可得PTmax为：对一只三极管乙类互补功放电路的管耗 显然，管耗与输出幅度有关，图5.7中画阴影线174)效率η

当Vom=VCC

时效率最大:η=π/4=78.5％。4)效率η当Vom=VCC时效率最大:184.大功率三极管的选用原则在最大输出功率下，三极管的参数必须满足以下条件:1）每只三极管的最大允许管耗PCM≥0.2Pom;2)T2饱和时，VCE2≈0，此时VCE1具有最大值，且等于2VCC。因此，应选用|V（BR）CEO|>2VCC的管子；3）通过三极管的最大集电极电流为VCC/RL，所选用的三极管似的ICM应大于此值。4.大功率三极管的选用原则在最大输出功率下，三极管197.3其它类型互补功率放大电路

除了双电源的标准互补功率放大电路外，还有一些其它类型的互补功率放大电路：

7.3.1单电源互补功率放大电路 7.3.2采用复合管的互补功率放大电路 7.3.3集成功率放大器 7.3.4BTL互补功率放大电路7.3其它类型互补功率放大电路207.3.1单电源互补功率放大电路

当电路对称时，输出端的静态电位等于VCC/2。为了使负载上仅获得交流信号，用一个电容串联在负载与输出端之间。这种功率放大电路也称为OTL互补功率放大电路。电容器的容量由放大电路的下限频率确定。LLπ21fRC³单电源OTL互补功率放大电路单电源互补功率放大电路如图所示。动画7-37.3.1单电源互补功率放大电路当电路21采用单电源的互补对称电路采用单电源互补对称功率放大电路动画7-3计算各参数时,电源用Vcc/2代替采用单电源的互补对称电路采用单电源互补对称功率放大电路动画722

7.3.2采用复合管的互补功率放大电路当输出功率较大时，往往采用复合管，复合管有四种形式复合管的极性由前面的一个三极管决定。由NPN-NPN或PNP-PNP复合而成的一般称为达林顿管。四种类型的复合管7.3.2采用复合管的互补功率放大电路23采用复合管组成的准互补对称电路采用复合管组成的准互补对称功率放大电路采用复合管组成的准互补对称电路采用复合管组成的24采用复合管组成的单电源准互补对称电路采用复合管组成的单电源准互补对称电路25由集成运放作前置级的准互补功放电路由集成运放作前置级的准互补功放电路26OCL准互补对称功率放大电路OCL准互补对称功率放大电路277.3.3集成功率放大器

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，加入互补功率输出级而构成的。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。它的使用方法原则上与集成运算放大器相同。7.3.3集成功率放大器285G37集成功率放大电路的内部结构5G37集成功率放大电路的内部结构29

集成功放使用时不能超过规定的极限参数，极限参数主要有功耗和最大允许电源电压。集成功放要加有足够大的散热器，保证在额定功耗下温度不超过允许值。集成功放一般允许加上较高的工作电压，但许多集成功放可以在低电压下工作，适用于无交流供电的场合，此时集成功放电源电流较大，非线性失真也较大。集成功放使用时不能超过规定的极限参307.3.4BTL互补功率放大电路

BTL互补功率放大电路方框图如图所示。它是由两路功率放大电路和反相比例电路组合而成，负载接在两输出端之间。两路功率放大电路的输入信号是反相的，所以负载一端的电位升高时，另一端则降低，因此负载上获得的信号电压要增加一倍。BTL放大电路输出功率较大，负载可以不接地。BTL互补功放电路方框图7.3.4BTL互补功率放大电路31本章基本教学要求熟练掌握功率放大电路的工作原理、最大输出功率和效率的估算。正确理解非线性失真。一般了解集成功率放大电路及其应用。本章基本教学要求熟练掌握功率放大电路的工作原理、最大输出功率32本章重点内容

功率放大电路的特点和互补推挽功率放大电路的工作原理以及输出功率的计算。本章重点内容337.1功率放大电路的一般问题

功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。必须使：

输出信号电压大；

输出信号电流大；

放大电路的输出电阻与负载匹配。7.1功率放大电路的一般问题 34功率放大电路的特点及主要研究对象1.要求输出功率尽可能大；2.要求效率要高；3.非线性失真要小；4.分析方法用图解法；5.要考虑散热措施及过流过压保护措施。功率放大电路的特点及主要研究对象1.要求输出功率尽可能大；35一、为了获得大的输出功率，可以1、提高电源电压2、选择大功率管3、改善散热条件

一、为了获得大的输出功率，可以36二、功率放大电路提高效率的主要途径选择恰当的工作方式：1.甲类放大输入信号在整个周期内都有电流流过放大器件，ic≧0，输出不失真，最大效率50%，没有信号时，功率全部消耗在管子上。如电压放大器。图7.1甲类放大，在一个周期内iC

≧

0二、功率放大电路提高效率的主要途径选择恰当的工作方式：图7.372.甲乙类放大输入信号在大半个周期内有电流流过放大器件，输出出现失真，效率增大，由于静态工作点低，所以在没有输入信号时，管子消耗的功率不大。图7.2乙类放大，在大半个周期内iC

≧

02.甲乙类放大输入信号在大半个周期内有电图7.2乙383.乙类放大输入信号仅在半个周期内有电流流过放大器件，输出的半个波形没有了，失真达到最大，但效率达到最高。由于静态时集电极电流为零，所以在没有输入信号时三极管不消耗功率。图7.3乙类放大，在半个周期内iC

≧

03.乙类放大输入信号仅在半个周期内有电流图7.3乙397.2互补对称功率放大电路1.电路组成

乙类互补功率放大电路如图所示。它由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成的射极输出器。这种电路也称为OCL互补功率放大电路。乙类互补功率放大电路7.2互补对称功率放大电路1.电路组成402.工作原理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，此时NPN型三极管导电，有电流通过负载RL，按图中方向由上到下，与假设正方向相同。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PNP型三极管导电，有电流通过负载RL，按图中方向由上到下。于是两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电，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形。动画7-12.工作原理当输入信号处于正半周时，41

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、负半周交替过零处会出现一些非线性失真，这个失真称为交越失真。如图所示。交越失真严格说，输入信号很小时，达不到42

为解决交越失真，可给三极管稍稍加一点偏置，使之工作在甲乙类。此时的互补功率放大电路如图所示。

(a)利用二极管提供偏置电压(b)利用三极管恒压源提供偏置甲乙类互补功率放大电路动画7-2为解决交越失真，可给三极管稍稍加43甲乙类双电源互补对称电路VBE4可认为是定值R1、R2不变时，VCE4也是定值，可看作是一个直流电源。甲乙类双电源互补对称电路VBE4可认为是定值443.参数计算

1)最大不失真输出功率Pomax

设互补功率放大电路为乙类工作状态，输入为正弦波。忽略三极管的饱和压降，负载上的最大不失真功率为：3.参数计算设互补功率放大电路为乙类工作45

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。2)电源功率PV即PV∝Vom。当Vom趋近VCC时:直流电源提供的功率为半个正弦波的平均功率，信号越463)三极管的管耗PT

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上，形成三极管的管耗。显然：将PT画成曲线，如图所示。乙类互补功放电路的管耗3)三极管的管耗PT将PT画成曲线，乙类互47

显然，管耗与输出幅度有关，图5.7中画阴影线的部分即代表管耗，PT与Vom成非线性关系，有一个最大值。可用PT对Vom求导的办法找出这个最大值。PTmax发生在Vom=0.64VCC处，将Vom=0.64VCC代入PT表达式，可得PTmax为：对一只三极管乙类互补功放电路的管耗 显然，管耗与输出幅度有关，图5.7中画阴影线484)效率η

当Vom=VCC

时效率最大:η=π/4=78.5％。4)效率η当Vom=VCC时效率最大:494.大功率三极管的选用原则在最大输出功率下，三极管的参数必须满足以下条件:1）每只三极管的最大允许管耗PCM≥0.2Pom;2)T2饱和时，VCE2≈0，此时VCE1具有最大值，且等于2VCC。因此，应选用|V（BR）CEO|>2VCC的管子；3）通过三极管的最大集电极电流为VCC/RL，所选用的三极管似的ICM应大于此值。4.大功率三极管的选用原则在最大输出功率下，三极管507.3其它类型互补功率放大电路

除了双电源的标准互补功率放大电路外，还有一些其它类型的互补功率放大电路：

7.3.1单电源互补功率放大电路 7.3.2采用复合管的互补功率放大电路 7.3.3集成功率放大器 7.3.4BTL互补功率放大电路7.3其它类型互补功率放大电路517.3.1单电源互补功率放大电路

当电路对称时，输出端的静态电位等于VCC/2。为了使负载上仅获得交流信号，用一个电容串联在负载与输出端之间。这种功率放大电路也称为OTL互补功率放大电路。电容器的容量由放大电路的下限频率确定。LLπ21fRC³单电源OTL互补功率放大电路单电源互补功率放大电路如图所示。动画7-37.3.1单电源互补功率放大电路当电路52采用单电源的互补对称电路采用单电源互补对称功率放大电路动画7-3计算各参数时,电源用Vcc/2代替采用单电源的互补对称电路采用单电源互补对称功率放大电路动画753

7.3.2采用复合管的互补功率放大电路当输出功率较大时，往往采用复合管，复合管有四种形式复合管的极性由前面的一个三极管决定。由NPN-NPN或PNP-PNP复合而成的一般称为达林顿管。四种类型的复合管7.