高等教育第9章-低频功率放大电路课件

第九章低频功率放大电路9.1低频功率放大电路概述9.2互补对称功率放大电路9.3集成功率放大器一个实用的放大器通常含有三个部分：输入级、中间级及输出级，各级的主要任务是不一样的。

输入级与信号源相连，要求输入电阻大，噪声低，共模抑制能力强，阻抗匹配等。

中间级主要完成电压放大任务；

输出级主要要求向负载提供足够大的功率（既有电压放大又有电流放大),以便推动如扬声器、电动机之类的功率负载。

功率放大电路的主要任务是既有电压放大又有电流放大即放大信号功率。9.l低频功率放大电路概述9.1.1分类按放大信号的频率低频功率放大电路－音频范围几十赫兹到几十千赫兹高频功率放大电路－射频范围几百千兹到几十兆赫兹按其晶体管导通时间的不同甲类－晶体管的导通角θ=3600乙类－晶体管的导通角θ=1800甲乙类－晶体管的导通角1800<θ<3600丙类－晶体管的导通角θ<1800图9–1甲类、乙类、甲乙类功率放大电路的工作状态示意图在甲类功率放大电路中,信号整个周期内管子均导通，故晶体管本身的损耗太大，输出功率和效率均较低，因而在低频功率放大电路中主要用乙类或甲乙类功率放大电路。9.1.2功率放大器的特点

1.输出功率要足够大

如输入信号是某一频率的正弦信号,则输出功率表达式为式中,

Io、Uo均为有效值。如用振幅值表示,

代入上式得2.效率要高

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。为定量反映放大电路效率的高低,引入一个参数η,它的定义为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。功率放大器的特点信号的输出功率直流电源向电路提供的功率

为使输出功率大,功率放大器的三极管均应工作在大信号状态下。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。要求非线性失真要尽量小。

3.非线性失真要小功率放大器的特点9.1.3提高输出功率的方法

输出功率取决于三极管输出电压和输出电流的大小，因此可通过提高电源电压和改善器件的散热条件来提高输出功率。选用耐压高、容许工作电流和耗散功率大的器件。集电极与发射极之间的击穿电压要大于管子的实际工作电压的最大值，即l.提高电源电压提高输出功率的方法

集电极最大允许的电流要大于管子实际工作电流的最大值，即集电极允许的耗散功率要大于集电极实际耗散功率的最大值，即2.改善器件的散热条件

普通功率三极管的外壳较小,散热效果差,所以允许的耗散功率低。当加上散热片,使得器件的热量及时散热后,则输出功率可以提高很多。例如低频大功率管3AD6在不加散热片时,允许的最大功耗Pcm仅为1W,加了120mm×120mm×4mm的散热片后,其Pcm可达到10W。在实际功率放大电路中,为了提高输出信号功率,功放管一般加有散热片。

提高输出功率的方法

9.1.4提高效率的方法

图9–2功放的图解法(甲类放大状态)即为△M′MQ的面积。

电源提供的直流功率为即为OMBA的面积值,故效率放大电路输出功率为

提高效率的方法工作在甲类放大状态的放大器。其最大效率η≤50％。为了提高效率，应提高输出功率PO，降低电源供给功率PE。1.改变功放管的工作状态

图9–3乙类放大状态提高效率的方法将静态工作点Q下移，让三极管只在半个信号周期内导通，另半个周期处于截止状态，即导通角θ＝1800，工作在乙类放大状态。在乙类功率放大电路中，功放管静态电流ICQ≈0，乙类功率放大电路静态时，不消耗能量，直流电源可以不提供功率。1.改变功放管的工作状态

图9–3乙类放大状态提高效率的方法当输入信号逐渐加大时，电源提供的直流功率也逐渐增加，输出信号功率随之增大，所以乙类的功率放大效率比甲类的要高。但是由于乙类放大状态的导通角θ=1800，故输出电压波形严重失真。为减小失真，在电路上采用互补对称电路，使两管轮流工作，以保证负载上获得完整的正弦波形2.选择最佳负载图9–4最佳负载的确定功放三极管若工作在乙类放大状态下，当负载改变时，交流负载线的斜率也改变，输出的电流Icm也随之变化，故输出功率也改变。从图中可以看出，负载线为MA时的输出功率比MB时的大。但负载线为MC时，已超过最大功率损耗线，管耗将大于Pcm，管子将被烧坏，故存在一个最佳负载RL。2.选择最佳负载图9–4最佳负载的确定做最佳负载线的方法：一般情况下，当电源Ucc确定后，过UCC,点做Pcm线的切线，该切线对应的负载即为最佳负载。9.2互补对称功率放大电路单管甲类功率放大电路虽然简单，只需要一个功率管便可工作。但它的效率低(原因：是要保证管子在信号全周期内均导通，因此静态工作点较高，即静态时管子耗电就很大）。而且为了实现阻抗匹配，需要用变压器，而变压器具有体积大、重量重、频率特性差、耗费金属材料、加工制造麻烦等缺点，因而，目前一般不采用单管功率放大电路，而采用互补对称功率放大电路。9.2互补对称功率放大电路9.2.1双电源互补对称电路(OCL电路)

为了提高功率放大器的效率，可设想降低静态工作点，使ICQ为零，工作在乙类放大状态下，这样不仅使静态时晶体管不消耗功率，而且在工作时管子的集电极电流减小，使效率提高。但此时管子仅有半周导通，非线性失真太大，这是不容许的。为解决非线性失真问题，我们采用两个导电特性相反的管子(NPN和PNP)，一个管子正半周导电，另一个管子负半周导电，即两管交替工作，各自产生半个周期的信号，在负载上合成一个完整的信号波形，这就是互补对称功率放大电路的组成思路双电源互补对称电路(OCL电路)

图9–5双电源互补对称电路1．电路组成

双电源互补对称电路如图，图中V1为NPN型三极管，V2为PNP型三极管。要求该电路具有良好的对称性，即Vl、V2管特性对称，并且正负电源对称。当信号为零时，偏流为零，它们均工作在乙类放大状态。图9–5双电源互补对称电路由于电路中两个管子导电特性互为补充,电路对称,因此该电路称为互补对称功率放大电路。双电源互补对称电路(OCL电路)

**OTL电路：从甲类功率放大器说起，因为甲类功率放大器的负载用变压器耦合，后来去掉了变压器，用一个大电容耦合，并用一个电源，叫这样的电路为变压器开路的功率放大电路，即OTL电路;**OCL电路:

以上电路又去掉了电容，所以叫OCL电路。OCL电路用双电源。（见P223页）OCL电路和OTL电路的概念

设两管的门限电压均等于零。当输入信号ui=0,则ICQ=0,两管均处于截止状态,故输出uo=0。

当正半周时ui>0时,V1导通、V2截止,ic1流过负载电阻RL;

当负半周时,ui<0,

V1截止、V2导通,电流ic2通过负载电阻RL,但方向与正半周相反。

即V1、V2管交替工作,流过RL的电流为一完整的正弦波信号,波形如图所示。2．工作原理双电源互补对称电路(OCL电路)

双电源互补对称电路工作原理图解分析如图。图解工作原理分析V1管导通时的工作情况V2管的导通特性倒置后与V1特性画在一起让静态工作点Q重合，形成两管合成曲线，图中交流负载线为一条通过静态工作点的斜率为1/RL的直线AB。3.指标计算

图9–6双电源互补对称电路的图解分析

由图上可看出输出电流、输出电压的最大允许变化范围分别为2Icm和2Ucem，Icm和Ucem分别为集电极正弦电压和电流的振幅值。有关指标计算如下：

(1)输出功率Po当考虑饱和压降Uces时,输出的最大电压幅值为

一般情况下,输出电压的幅值Ucem总是小于电源电压UCC值,故引入电源利用系数ξ互补对称功率放大器指标的计算将代入

当忽略饱和压降Uces时,得输出功率Pom可按下式估算:图9-7Po与ξ关系曲线当不忽略饱和压降Uces时,互补对称功率放大器指标的计算应先求出电源供给功PE。图9–8集电极电流ic波形(2)

效率η在乙类互补对称放大电路中，每个晶体管的集电极电流的波形均为半个周期的正弦波形。如图所示。其平均值用表示互补对称功率放大器指标的计算因此,直流电源UCC供给的功率为因考虑是正负两组直流电源,故总的直流电源的供给功率为

互补对称功率放大器指标的计算互补对称功率放大器指标的计算显然，直流电源供给的功率与电源利用系数ξ成正比。当静态时,Ucem＝0,ξ＝0，故PE=0。当ξ=1时，PE为最大。PE与ξ的关系曲线如图所示。PE与ξ的关系曲线将代入得当ξ=1时,效率η最高即互补对称功率放大器的效率最高是互补对称功率放大器指标的计算(3)晶体管集电极功率损耗Pc图9-10Pc与ξ的关系曲线

互补对称功率放大器指标的计算PC和ξ的关系是一抛物线方程，其曲线如图所示。当ξ＝0时，PC＝0；当ξ为某一特定值时，PC最大，将求导，可求得极值坐标。互补对称功率放大器指标的计算解得将代入得最大集电极功率损耗为即晶体管集电极功率损耗互补对称功率放大器指标的计算将写成和最大输出功率的关系由于所以此式是两个管总的集电极功率损耗，而在互补对称电路中，每个管仅工作半个周期，所以每管的功率损耗为互补对称功率放大器指标的计算互补对称功率放大器选择功率管的原则根据以上分析，得出互补对称功率放大器选择功率管的原则4.存在问题

(1)交越失真

图中所示输出波形，我们假设晶体管一开始就是导通的，实际中晶体管输出电压在输入电压较小时，存在一小段死区，此段输出电压与输入电压不存在线性关系，产生了失真。由于这种失真出现在通过零值处，即正负半周交界处，故称为交越失真。图9–11互补对称功率放大电路的交越失真克服交越失真的措施克服交越失真的措施就是使每一个晶体管处于微导通状态，当输入信号一旦加入，晶体管立即进入线性放大区。当静态时，虽然每一个晶体管处于微导通状态，由于电路对称，两管静态电流相等，流过负载电流为零，从而消除了交越失真。消除交越失真的电路如图所示。图9–12克服交越失真的几种电路

图(a)是利用V3管的静态电流IC3Q在电阻R1上的压降来提供V1、V2管所需的偏压,即克服交越失真的电路

图(b)是利用二极管的正向压降为V1、V2提供所需的偏压,即克服交越失真的电路

图(c)是利用UBE倍压电路向V1、V2管提供所需的偏压,其关系推导如下:所以克服交越失真的电路(2)用复合管组成互补对称电路

图9–13复合管的几种接法

图9–14复合管互补对称级图9–15准互补对称电路9.2.2单电源互补对称电路(OTL电路)图9–16单电源互补对称电路9.2.3实际功率放大