第5章-功率放大电路

会计学1第5章-功率放大电路2023/1/192在电路方面，主要是介绍互补对称功放电路、集成功放实例以及功放器件的散热问题。第1页/共57页2023/1/1935.1功率放大电路的一般问题1.功率放大电路的特点及主要研究对象

(1)输出功率要足够大

(2)效率要高

(3)非线性失真要小

(4)

BJT器件一定要解决好散热问题第2页/共57页2023/1/1942.功率放大电路提高效率的途径(1)功放管的工作状态a.甲类工作状态(如图5.1.1(a)所示)Q点在输出特性曲线线性区的中点，此时，晶体管的导通角θ＝2π，在信号的一个周期内iC>0。这类工作状态的特点是：耗电量较大，效率低(<30%)，失真小。［转7］第3页/共57页2023/1/195第4页/共57页2023/1/196b.乙类工作状态(如图5.1.1(b)所示)Q点在输出特性曲线坐标系的横轴上，此时，晶体管的导通角θ＝π，在信号的一个周期内只有半个周期，iC>0。这类工作状态特点是：省电，效率高(约为78.5%),存在交越失真。［转9］第5页/共57页2023/1/197第6页/共57页2023/1/198c.甲乙类工作状态(如图5.1.1(c)所示)Q点在输出特性曲线线性区的下方、截止区的上方，此时，晶体管的导通角π<θ<2π,在信号的大半个周期内，iC>0。这类工作状态的特点是：省电，效率高(约为78.5%)，交越失真小。第7页/共57页2023/1/199d.丙类工作状态(如图5.1.1(d)所示)Q点在输出特性曲线坐标系横轴的下方、截止区的下方，此时，晶体管的导通角θ<π，在信号的小半个周期内，iC>0。这类工作状态的特点是：省电，效率高(约为78.5%)，交越失真大。多用于高频放大电路中(本书略)。第8页/共57页2023/1/1910第9页/共57页2023/1/19115.2乙类双电源互补对称功率放大电路5.2.1电路组成如图5.2.1所示。乙类双电源互补对称功率放大电路实际上是由两个不同类型晶体管构成的射极输出器组成。［转14］第10页/共57页2023/1/1912［转19］第11页/共57页2023/1/1913第12页/共57页2023/1/19145.2.1电路分析计算如图5.2.2所示。由图(a)可知，管子的Q点在坐标系的横轴上，把两个管子的输出特性曲线重合画成一个复合特性曲线如图(b)所示。第13页/共57页2023/1/1915第14页/共57页2023/1/1916第15页/共57页2023/1/1917在晶体管尽限运用状态，vCE的变化范围为2(VCC－VCES)＝2Vcem＝2IcmRL，如果忽略管子的饱和压降VCES

，则Vcem≈IcmRL≈VCC1.

输出功率的计算设输出电压的幅值为Vom

Po＝Vo

Io第16页/共57页2023/1/1918在图5.2.1中，T1、T2可以看成是工作在射极输出器状态，AV≈１，当输入信号足够大时,可使

Vim＝Vom

＝Vcem

＝VCC－VCES≈VCC和Iom＝Icm第17页/共57页2023/1/1919可获得最大输出功率2.管耗由于两管交替导通，每一只的管耗是相等的，只需求出一只管子的管耗就行了。设输出信号电压为vo＝Vomsinωt，则T1的管耗为第18页/共57页2023/1/1920第19页/共57页2023/1/1921而两管的功耗为3.直流电源供给的功率PV

PV

包括负载上得到的信号功率Po和T1、T2上消耗的功率PT两部分。第20页/共57页2023/1/1922

当vi＝0时，由于iC1＝iC2＝0,所以,PV

＝0；

当vi≠0时，由式(5.2.1)、(5.2.4)得：当输出电压幅值达到最大时，即Vom≈VCC时，则得电源供给的最大功率为：第21页/共57页2023/1/1923

4.效率η

一般情况下效率为当Vom≈VCC时，则第22页/共57页2023/1/1924

该结论是在假定互补对称功率放大电路工作在乙类、负载电阻为理想值，忽略VCES和输入信号足够大(Vim≈Vom≈VCC)的情况下得来的，实际效率要比该值低一些。第23页/共57页2023/1/1925

5.2.3功率晶体管的选择1.最大管耗和最大输出功率的关系工作在乙类的基本互补对称电路，在静态时，管子几乎不取电流，管耗接近于零，因此，当输入信号较小时，输出功率较小，管耗也小，这是容易理解的。第24页/共57页2023/1/1926但是，当输入信号愈大时，输出功率是否也愈大？最大管耗发生在什么情况下呢？由式(5.2.3)知，管耗PT1是输出电压幅值Vom的函数，因此，可以用求极值的方法通过式(5.2.3)求解。由式(5.2.3)有：第25页/共57页2023/1/1927第26页/共57页2023/1/1928所以，可证(式5.2.10)，每管的最大管耗与电路最大输出功率的关系为：第27页/共57页2023/1/1929上式说明，每管的最大管耗为最大输出功率的1/5，选管时，只要管耗大于该值即可。2.功率晶体管的选择(1)每只晶体管的PCM必须大于P

T1m≈0.2Po；第28页/共57页2023/1/1930(2)考虑道当T2饱和导通时，－vCE2≈0，此时晶体管T1承受电压为最大值，且vCE１＝2VCC，选管时，晶体管应选用V(BR)CEO>2VCC的管子；(3)功放管工作时，通过的最大电流为VCC／RL，所选晶体管的ICM

一般不能低于此值。第29页/共57页2023/1/1931例5.2.1(P204~205)功放电路如图5.2.1a所示，设VCC＝12V，RL＝8Ω，BJT的极限参数为ICM＝2A，V(BR)CEO＝30V，PCM＝5W。试求：(1)最大输出功率Pom值，并检验所给BJT是否能安全工作?(2)放大电路在η＝0.6时的输出功率Po值。［转34］第30页/共57页2023/1/1932第31页/共57页2023/1/1933解：(1)求Pom，并检验BJT的安全工作情况

由式(5.2.2)可求出通过BJT的最大集电极电流、BJTc、e极间的最大压降和它的最大管耗分别为第32页/共57页2023/1/1934vCEm＝2VCC＝24VPT1m≈0.2Pom＝0.2×9W＝1.8W所求iCM、vCEm和PTlm，均分别小于极限参数ICM、V(BR)CEO

和PCM，故BJT能安全工作。第33页/共57页2023/1/1935

(2)求η＝0.6时的Po值

由式(5.2.7)可求出第34页/共57页2023/1/19365.3

甲乙类互补对称功率放大电路交越失真：对于乙类互补对称功率放大电路，由于无直流偏置，两管交替导通时必须先通过截止区，由此将产生交越失真如图5.3.1(b)所示。第35页/共57页2023/1/1937第36页/共57页2023/1/1938

解决方案：给功放管加一小偏置，使功放管工作在甲乙类状态，以消除交越失真。5.3.1甲乙类双电源互补对称功放电路如图5.3.2所示。T3为前置放大级，Rc3为其集电极负载电阻，D1、D2为T1、T2的偏置电路。由于T1、T2处于微偏状态，晶体管工作在甲乙类状态，基本可以消除交越失真。［转41］第37页/共57页2023/1/1939第38页/共57页2023/1/1940缺点：T1、T2的偏置电压不易调整。图5.3.3为另一偏置电路。可证，VCE4＝VBE4(R1＋R2)/R2

，(电路中IR1>>IB4，这种电路称为VBE倍增电路)，通过调整R*1，即可调整T1、T2的偏置电压。该电路多用于集成电路中。[转43]第39页/共57页2023/1/1941第40页/共57页2023/1/1942图5.3.3’为分离元件电路常用电路。该电路调整Rp即可改变T1、T2的偏置电压，使之工作在甲乙类状态，这类电路通常称为甲乙类OTL电路［转45］第41页/共57页2023/1/1943第42页/共57页2023/1/19445.3.2甲乙类单电源互补对称电路

1.基本电路如图5.3.4所示。该电路是采用一个电源供电的互补对称型电路，该电路每一只管子的供电电源为VCC/2，K点电位静态时为VCC/2。可通过调整R2来实现。［转47］第43页/共57页2023/1/1945第44页/共57页2023/1/1946输出电容C在T1工作时，对C进行充电，当T1

截止T2导通时，C上的充电电压作为T2的供电电源，给T2提供能量。T3为前置放大级，它组成的是分压式电流负反馈偏置电路，具有稳定静态工作点的功能。第45页/共57页2023/1/1947

2.工作原理

a.vi的负半周，T1正偏导通，T2反偏截止，电流iC1经：＋VCC→T1c极→T1e极→K→C→RL→地(通过电源内部)→＋VCC形成回路，如图5.3.4(a)所示。［转50］第46页/共57页2023/1/1948第47页/共57页2023/1/1949对负载输出正半周信号，负载电流的方向为自上而下，同时对电容C进行充电；b.

vi的正半周，T1反偏截止，T2正偏导通，电流iC2经：K点→T2e极→T2c极→地→RL→C→K点形成回路如图5.3.4(b)所示。第48页/共57页2023/1/1950第49页/共57页2023/1/1951对负载输出负半周信号，负载电流的方向为自下而上，同时电容通过回路进行放电。由于输出电容C的容量较大，无论是充电或是放电，其两端的电压基本保持在VCC/2不变。第50页/共57页2023/1/19523.该电路存在的问题当T1正偏导通，给输出电容C充电，使K点电位向＋VCC接近时，T1的基极电流将受到限制而使T1不能充分导通，一致使输出信号的正半周不能达到理想的最大值。致使Vom明显小于VCC/2。第51页/共57页2023/1/1953解决方法：当T1正偏导通时，随着iC1的增加电路自动提高D点的电位，使VD>＋VCC，以保证T1能充分导通,从而使Vom接近于VCC/2。第52页/共57页2023/1/19544.自举电路及其作用如图5.3.5所示(1)自举电路的组成自举电路是由R3、C3组成。其时间常数τ＝R3C3足够大(R3

一般比较小约