第八章功率放大电路

第八章功率放大电路第1页，共43页，2023年，2月20日，星期三基本要求1、熟练掌握功放的特点、互补对称功放的工作原理、输出功率及效率的计算。2、理解功放中有关概念： 功率、效率、交越失真3、了解集成功放应用及散热第2页，共43页，2023年，2月20日，星期三8.1功率放大电路的一般问题8.3甲乙类互补对称功率放大电路*8.4集成功率放大器

甲乙类双电源互补对称电路

甲乙类单电源互补对称电路8.2乙类互补对称功率放大电路

第八章功率放大电路第3页，共43页，2023年，2月20日，星期三8.1功率放大电路的一般问题8.1.1功率放大电路的主要特点8.1.2功放要解决的问题8.1.3功放三种工作状态8.1.4甲类功率放大器分析8.1.5提高功放效率的途径第4页，共43页，2023年，2月20日，星期三第5页，共43页，2023年，2月20日，星期三8.1功率放大电路的一般问题功率放大器的作用：例：扩音系统功率放大电压放大信号提取如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。功率放大电路：向负载提供功率的放大电路。用作放大电路输出级，驱动执行机构。第6页，共43页，2023年，2月20日，星期三8.1.1.功率放大电路的主要特点1）交直共存

和电压放大电路相同2）直流能量被转换为交流能量和电压放大电路不同提供大输出功率输入大信号，信号动态范围大，静态电流接近于0图解法3）任务4）工作特点5）分析方法6）动态指标Po、PT、η等不失真放大电压信号

输入小信号，信号动态范围小，有一定静态电流图解法、小信号法Av、Ri、Ro等电压放大电路功率放大电路第7页，共43页，2023年，2月20日，星期三注意:无论功率放大电路还是电压放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电流和功率，称呼上的区别只不过是强调输出量不同而已。第8页，共43页，2023年，2月20日，星期三

功率放大器的主要任务是向负载提供较大的信号功率，故功率放大器应具有以下几个主要特点。1)输出功率要足够大

如输入信号是某一频率的正弦信号，则输出功率的表达式为

Po=IoUo

改用振幅值表示为Po=

IomUom

功率放大电路的特点第9页，共43页，2023年，2月20日，星期三2)效率要高

功率放大器实质上是一个能量转换器，它是将电源供给的直流能量转换成交流信号的能量输送给负载，因此，要求转换效率高。

式中，Po为信号输出功率，PV是直流电源向电路提供的功率。在直流电源提供相同直流功率的条件下，输出信号功率愈大，电路的效率愈高。功率放大电路的特点第10页，共43页，2023年，2月20日，星期三3)非线性失真要小

功率放大器是在大信号状态下工作，电压、电流摆动幅度很大，而且由于三极管是非线性器件，在大信号工作状态下，器件本身的非线性问题十分突出，因此，输出信号不可避免地会产生一定的非线性失真。在实际应用中，要采取措施减少失真，使之满足负载要求。功率放大电路的特点第11页，共43页，2023年，2月20日，星期三4)图解法进行估算

由于功放工作在大信号状态，实际上已不属于线性电路的范围，故不能用小信号微变电路的分析方法，通常采用图解法对其输出功率、效率等指标作粗略估算。功率放大电路的特点第12页，共43页，2023年，2月20日，星期三8.1.2.功放要解决的问题

提高效率

减小失真

管子的保护

提高输出功率第13页，共43页，2023年，2月20日，星期三8.1.3.功放三种工作状态

三极管根据正弦信号整个一周期内的导通情况，可分为几个状态：乙类：甲类：导通角大于180°#哪种状态电路作功放最合适？一个周期内均导通有直流基础，BJT静态导通半个周期内均导通无直流基础，BJT静态截止#哪种状态电路作压放最合适？甲乙类：第14页，共43页，2023年，2月20日，星期三1）三极管的静态功耗：若则IcuceQuceQIcQ8.1.4.甲类功率放大器分析电源提供的平均功耗：第15页，共43页，2023年，2月20日，星期三2）动态功耗（当输入信号vi时）放大电路向电阻性负载提供的输出功率

在输出特性曲线上，正好是三角形ABQ的面积，这一三角形称为功率三角形。

要想PO大，就要使功率三角形的面积大，即必须使Vom

和Iom

都要大。最大输出功率第16页，共43页，2023年，2月20日，星期三电源提供的功率此电路的最高效率第17页，共43页，2023年，2月20日，星期三甲类功率放大器存在的缺点：静态功率大，输出功率小，效率低1、无信号时，仍有电流流入，电能全部转为高热量。2、有信号时，部分功率可进入负载，但许多仍转变为热量。甲类功率放大器的优点：具有最佳的线性，每个输出晶体管均放大信号全波，不存在交越失真（SwitchingDistortion），播音频的理想选择，它能提供非常平滑的音质，音色圆润温暖，高音透明开扬，这些优点足以补偿它的缺点第18页，共43页，2023年，2月20日，星期三8.1.5.提高功放效率的途径

降低静态功耗，即减小静态电流。甲类电路Q点较高，静态电流较大，消耗了大量功率。第19页，共43页，2023年，2月20日，星期三uiT1+UCCRLiLNPN型uoui

0VT1截止ui>0VT1导通如何解决乙类电路失真问题？假设Vbe=0V5.提高功放效率的途径：降低Q点第20页，共43页，2023年，2月20日，星期三互补对称：电路中采用两个晶体管：NPN、PNP各一支；两管特性一致。组成互补对称式射极输出器。解决乙类电路失真方案NPN型PNP型第21页，共43页，2023年，2月20日，星期三解决乙类电路失真ui>0VT1导通，T2截止假设Vbe=0VNPN型PNP型第22页，共43页，2023年，2月20日，星期三解决乙类电路失真ui

0VT1截止，T2导通NPN型PNP型假设Vbe=0V第23页，共43页，2023年，2月20日，星期三8.2乙类双电源互补对称功率放大电路8.2.1电路组成（OCL）（OutputCapacitorLess）8.2.5乙类互补对称电路存在的问题8.2.2工作原理8.2.3分析计算8.2.4功率BJT选择原则第24页，共43页，2023年，2月20日，星期三8.2.1.电路组成4、输入输出不加隔直电容，也称为OCL互补功率放大电路。

1、采用正、负双电源供电2、由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成3、由三极管组成的射极输出器工作在乙类状态

特点：互补对称：电路中采用两个晶体管：NPN、PNP各一支；两管特性一致。组成互补对称式射极输出器。第25页，共43页，2023年，2月20日，星期三ic1ic2

静态时：ui=0Vic1、ic2均=0（乙类工作状态）

uo=0V动态时：ui

0VT1截止，T2导通ui>0VT1导通，T2截止iL=ic1

;ui-USCT1T2uo+USCRLiLiL=ic2注意：T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作。8.2.2.工作原理第26页，共43页，2023年，2月20日，星期三8.2.3.分析计算（1）实际输出功率Po最大不失真输出功率Pomax最大不失真输出电压时的输出功率忽略VCESui-VCCT1T2+VCCRLiLNPN型PNP型vo第27页，共43页，2023年，2月20日，星期三单个管子在半个周期内的管耗（2）管耗PT两管管耗ui-VCCT1T2+VCCRLiLNPN型PNP型vo第28页，共43页，2023年，2月20日，星期三（3）电源供给的功率PV当（4）效率当ui-VCCT1T2+VCCRLiLNPN型PNP型vo第29页，共43页，2023年，2月20日，星期三问：Vom=？PT1最大,PT1max=？用PT1对Vom求导得出：PT1max发生在Vom=0.64VCC处。（5）最大管耗PTm与Pom关系PTPOPE将Vom=0.64VCC代入PT1表达式：第30页，共43页，2023年，2月20日，星期三保证BJT工作在安全区：1)PCM

PT1max=

0.2POmax2)ICM

Ic1max=

VCC/RL3)V(BR)CEO

2VCC并注意保证足够的余量8.2.4功率BJT选择原则：ic1iO第31页，共43页，2023年，2月20日，星期三8.2.5乙类互补对称电路存在的问题实际测试波形仿真波形存在交越失真第32页，共43页，2023年，2月20日，星期三uiuououo´死区电压Vbe1Vbe2交越失真乙类电路存在交越失真原因是什么？第33页，共43页，2023年，2月20日，星期三8.3甲乙类互补对称功率放大电路8.3.1甲乙类双电源互补对称电路8.3.2甲乙类单电源互补对称电路第34页，共43页，2023年，2月20日，星期三静态偏置增加R1、D1、D2、R2支路R1D1D2R2+USC-USCULuiiLRLT1T21.克服交越失真的措施：2.二极管偏置电路

克服交越失真的措施就是避开死区电压区，使每一个晶体管处于微导通状态。8.3.1甲乙类双电源互补对称电路第35页，共43页，2023年，2月20日，星期三

静态时:R1D1D2R2+UCC-UCCULuiiLRLT1T2原理：T1、T2两管均处于微弱导通状态D1、D2的正向导通动态时：设ui加入正弦信号。正半周T2截止T1基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；负半周T1截止T2

基极电位进一步降低，进入良好的导通状态。T1导通T2导通2.二极管偏置电路第36页，共43页，2023年，2月20日，星期三波形特点：R1D1D2R2+UCC-UCCULuiiLRLT1T22.二极管偏置电路利用二极管进行偏置电路克服交越失真，但是仍有缺点缺点：偏置电压不易调整第37页，共43页，2023年，2月20日，星期三VBE可认为是定值3.VBE倍增偏置电路B1B2+-BER1R2UIBI

克服交越失真电路中的D1、D2两二极管可以用UBE电压倍增电路替代。

合理选择R1、R2大小，B1、B2间便可得到UBE任意倍数的电压。

图中B1、B2分别接T1、T2的基极。假设I>>IB，则C第38页，共43页，2023年，2月20日，星期三8.3.2甲乙类单电源互补对称电路

（OTL）（OutputTransformerLess）静态时，偏置电路使T1微导通，Vcc对电容C充电达到稳态VK＝VC≈VCC/2。当有信号ui时正半周T1导通，有电流通过负载RL，同时向C充电负半周T2导通，则已充电的电容C通过负载RL放电。只要满足RLC>>T信，电容C就可充当原来的－VCC。计算Po、PT、PV和PTm的公式必须加以修正，以VCC/2代替原来公式中的VCC。K第39页，共43页，2023年，2月20日，星期三8.4集成功放特点：工作可靠、使用方便。只需在器件外部适当连线，即可向负载提供一定的功率。集成功放LM384：生产厂家：美国半导体器件公司电路形式：OTL输出功率：8负载上可得到5W功率电源电压：最大为28V实用集成功放简介第40页，共43页，2023年，2月20日，星期三集成功放LM384管脚说明:14

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电源端（Vcc）3、4、5、7