第九章功率放大电路111

模拟电子技术基础主讲：物理与电子工程学院周功明(8-2)(1-2)第9章功率放大电路结束第九章功率放大电路§9.1功率放大电路概述

§9.2互补功率放大电路

§9.3功率放大电路的安全运行

§9.4集成功率放大器

教学要求重点：功率放大电路的组成原则,各种功放的电路特点和优缺点,OCL电路的组成、工作原理、输出功率和效率的估算及晶体管的选择。难点：因“大信号、大功率”,使得功率放大电路在电路的组成原则、分析方法、主要参数等方面和小信号放大电路的不同,成为初学者学习的难点。所以,在本章开始就要引导学生深入了解对功率放大电路的基本要求,从这些基本要求出发来阐明本章的重点内容。

(8-4)(1-4)第9章功率放大电路结束例1：

扩音系统执行机构功率放大器的作用：

用作放大电路的输出级，以驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、

仪表指针偏转等。

§9.1功率放大电路概述功率放大

电压放大

信号提取

(8-5)(1-5)第9章功率放大电路结束例2：温度控制R1-R3:标准电阻Ua:基准电压Rt:热敏电阻A：电压放大器Rt

TUO

T

温度调节过程Ub

UO1

R1

a

R2

uo

Usc

+R3

Rt

功放

b

温控室A+-uo1

加热元件

(8-6)(1-6)第9章功率放大电路结束9.1.1功率放大电路的特点一、主要技术指标1.最大输出功率Pom

最大输出功率Pom是在电路参数确定的情况下负载上可能获得的最大交流功率。

2.转换效率η

功率放大电路的最大输出功率Pom与电源所提供的直流功率PV之比称为转换效率η

。(8-7)(1-7)第9章功率放大电路结束三、功率放大电路的分析方法－－图解法二、功率放大电路中的晶体管功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值:ICM

、U(BR)CEO

、PCM

。

四、与电压放大电路的比较：1.电压放大电路：任务：使负载上获得尽可能大的不失真的电压信号。三极管工作状态：小信号分析方法：微变等效电路

2.功率放大电路：任务：在允许的失真限度内尽可能地向负载提供足够大的功率。三极管工作状态：大信号分析方法：图解法2.按耦合方式不同分变压器耦合功率放大电路阻容耦合功率放大电路直接耦合功率放大电路

乙类和甲乙类都减小了静态功耗，提高了效率，但都出现了严重的波形失真，因此采用互补对称功率放大电路。(8-10)(1-10)第9章功率放大电路结束9.1.2功率放大电路的组成一、为什么共射放大电路不宜用作功率放大电路图9.1.1小功率共射放大电路的

输出功率和效率的分析

(8-11)(1-11)第9章功率放大电路结束静态时，直流电源提供的功率为

ABCO的面积

集电极Rc上的功率为

QBCD的面积

晶体管集电极的耗散功率为

AQDO的面积

在有信号输入时，直流电源提供的功率为ABCO的面积

负载上可能获得的最大交流功率为

(8-12)(1-12)第9章功率放大电路结束为QDE的面积

RL越小，交流负载线效率越陡，输出功率越小，效率越低。

如何解决效率低的问题？办法：降低Q点。既降低Q点又不会引起截止失真的办法：采用推挽输出电路，或互补对称射极输出器。

缺点：但又会引起截止失真。(8-14)(1-14)第9章功率放大电路结束图9.1.2单管变压器耦合功率放大电路

二、变压器耦合功率放大电路1.甲类功率放大电路

(8-15)(1-15)第9章功率放大电路结束静态时，直流电源提供的功率为

全部为晶体管集电极的耗散功率。

(8-16)(1-16)第9章功率放大电路结束2.乙类推挽功率放大电路

图9.1.3变压器耦合乙类推挽功率放大电路

乙类推挽电路信号的正半周T1导通、T2截止；负半周T2导通、T1截止。

两只管子交替工作，称为“推挽”。设β为常量，则负载上可获得正弦波。输入信号越大，电源提供的功率也越大。(8-18)(1-18)第9章功率放大电路结束图9.1.3变压器耦合乙类推挽功率放大电路

3、功率放大电路的分类：按功放管工作状态不同分为：甲类、乙类、甲乙类、丙类。甲类：导通角;在正弦交流信号的一个周期内，三极管均导通，效率低，仅为25﹪。乙类：导通角；三极管在半个周期内导通。甲乙类：导通角

(8-20)(1-20)第9章功率放大电路结束三、无输出变压器的功率放大电路图9.1.4OTL电路

（2）OTL电路

输入电压的正半周：＋VCC→T1→C→RL→地

C充电。输入电压的负半周：C的“＋”→T2→地→RL→C“－”

C放电。C足够大，才能认为其对交流信号相当于短路。OTL电路低频特性差。因变压器耦合功放笨重、自身损耗大，故选用OTL电路。(8-22)(1-22)第9章功率放大电路结束1.特点1.

单电源供电；

2.输出加有大电容。

2.静态分析则

T1、T2特性对称，

令：0.5VCC

RL

ui

T1

T2

+VCC

C

A

UL

+

-

UC

(8-23)(1-23)第9章功率放大电路结束3.动态分析设输入端在0.5VCC直流电平基础上加入正弦信号。

若输出电容足够大，

UC基本保持在0.5USC，负载上得到的交流信号正负半周对称，但存在交越失真。ic1

ic2

交越失真RL

ui

T1

T2

+USC

C

AUL

+-时，T1导通、T2截止；时，T1截止、

T2导通。0.5USCuit

(8-24)(1-24)第9章功率放大电路结束四、无输出电容的功率放大电路ui

-VCC

T1

T2

uo

+VCC

RL

iL

图9.1.5OCL电路电路的结构特点：1.由NPN型、PNP型三极管构成两个对称的射极输出器对接而成。2.双电源供电。3.输入输出端不加隔直电容。(8-25)(1-25)第9章功率放大电路结束五、桥式推挽功率放大电路图9.1.6BTL电路

BTL电路

输入电压的正半周：＋VCC→T1→

RL→T4→地输入电压的负半周：＋VCC→T2→

RL→T3→地①是双端输入、双端输出形式，输入信号、负载电阻均无接地点。②管子多，损耗大，使效率低。几种电路的比较

变压器耦合乙类推挽：单电源供电，笨重，效率低，低频特性差。OTL电路：单电源供电，低频特性差。OCL电路：双电源供电，效率高，低频特性好。BTL电路：单电源供电，低频特性好；双端输入双端输出。Theend！(8-29)(1-29)第9章功率放大电路结束§9.2互补功率放大电路

互补对称功放的类型

无输出变压器形式

（OTL电路）无输出电容形式

（OCL电路）OTL:OutputTransformerLessOCL:OutputCapacitorLess互补对称：电路中采用两支晶体管，NPN、PNP各一支；两管特性一致。类型：

(8-30)(1-30)第9章功率放大电路结束9.2.1OCL电路的组成及工作原理一、电路组成ui

-VCC

T1

T2

uo

+VCC

RL

iL

设ui为正弦波(8-31)(1-31)第9章功率放大电路结束ic1

ic2

动态分析：ui

0VT1截止，T2导通ui>0VT1导通，T2截止iL=ic1

;

ui

-VCC

T1

T2

uo

+VCC

RL

iL

iL=ic2

T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方式，称为乙类放大。因此，不需要隔直电容。静态分析：ui=0V

T1、T2均不

导通

uo=0V(8-32)(1-32)第9章功率放大电路结束乙类放大的输入输出波形关系:ui

-VCC

T1

T2

uo

+VCC

RL

iL

交越失真死区电压ui

uo

u"o

u´o

´tttt交越失真：输入信号

ui在过零前后，输出信号出现的失真便为交越失真。(8-33)(1-33)第9章功率放大电路结束(1)静态电流ICQ、IBQ等于零；乙类放大的特点：(2)每管导通时间等于半个周期

；(3)存在交越失真。(8-34)(1-34)第9章功率放大电路结束二、电路的改进1.用二极管克服交越失真交越失真产生的原因：

在于晶体管特性存在非线性，ui

<uon时晶体管截止。iB

iB

uBE

tui

tUon

(8-35)(1-35)第9章功率放大电路结束电路中增加

R1、D1、D2、R2支路。

R1

D1

D2

R2

+VCC

-VCC

UL

ui

iL

RL

T1

T2

静态时:

T1、T2两管发射结电压分别为二极管D1、

D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态或零偏置状态；两管导通时间均比半个周期大一些的工作方式称为“甲乙类放大”。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

基极电位进一步提高，进入良好的导通状态。(8-36)(1-36)第9章功率放大电路结束uB1tUT

t

iB

IBQ

甲乙类放大的波形关系：ICQ

iC

uBE

iB

ib

特点：存在较小的静态电流

ICQ、IBQ。每管导通时间大于半个周期，基本不失真。

iC

Q

uce

USC/RE

USC

IBQ

(8-37)(1-37)第9章功率放大电路结束为更换好地和T1、T2两发射结电位配合，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。2.UBE电压倍增电路B1

B2

+-BER1

R2

U

IB

I

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(8-38)(1-38)第9章功率放大电路结束3.电路中增加复合管增加复合管的目的是：扩大电流的驱动能力。复合管的构成方式：cbeT1

T2

ib

ic

becib

ic

方式一：(8-39)(1-39)第9章功率放大电路结束becib

ic

1

2

晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。

方式二：cbeT1

T2

ib

ic

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：(8-40)(1-40)第9章功率放大电路结束改进后的OCL准互补输出功放电路：

T5、R3、R4：

UBE倍增电路

T1、T2、T3、T4：

复合管构成的输出级准互补

输出级中的T2、T4均为NPN型晶体管，两者特性容易对称。图3.3.18采用复合管的准互补级输出(8-41)(1-41)第9章功率放大电路结束假设

ui为正弦波且幅度足够大，T1、T2导通时均能饱和，此时输出达到最大值。ULmax

iL

-VCC

RL

ui

T1

T2

UL

+VCC

则负载（RL)上的电压和电流的最大幅值分别为：9.2.2OCL电路的输出功率及效率(8-42)(1-42)第9章功率放大电路结束负载上得到的最大不失真输出电压、电流有效值及最大输出功率分别为：2.OCL电路的输出功率和效率9.2互补功率放大电路2BackNextHome(8-44)(1-44)第9章功率放大电路结束电源提供的直流平均功率计算：

每个电源中的电流为半个正弦波，其平均值为:两个电源提供的总功率为：VCC1=VCC2=VCC

(8-45)(1-45)第9章功率放大电路结束效率为：在理想情况下，若忽略晶体管的饱和压降UCES

效率为：(8-46)(1-46)第9章功率放大电路结束9.2.3OCL电路中晶体管的选择在功率放大器中，应根据晶体管所承受的最大管压降、集电极最大电流和最大功耗来选择晶体管。一、最大管压降在输入信号的正半周，当ui从0逐渐增大时，T1

和T2

的发射结电位uE从0逐渐增大到VCC-UCES1,T2管压降为(8-47)(1-47)第9章功率放大电路结束同理，在输入信号的负半周，T1管压降为在功率放大器中，根据晶体管所承受的最大管压降选择晶体管时，应考虑留有一定的余量。二、集电极最大电流在功率放大器中，根据晶体管的集电极最大电流选择晶体管时，同样应考虑留有一定的余量。(8-48)(1-48)第9章功率放大电路结束三、集电极最大功耗管压降和集电极电流瞬时值的表达式分别为每只晶体管集电极功耗的表达式为(8-49)(1-49)第9章功率放大电路结束令当忽略晶体管的饱和压降UCES时在功率放大器中，根据晶体管的集电极最大功耗选择晶体管时(8-50)(1-50)第9章功率放大电路结束令当忽略晶体管的饱和压降UCES时在功率放大器中，根据晶体管的集电极最大功耗选择晶体管时因此，选择晶体管时，其极限参数将UOM代入PT的表达式，可得优点：电路省掉大电容，改善了低频响应，又有利于实现集成化。缺点：三极管发射极直接连到负载电阻上，若静态工作点失调或电路内元器件损坏，将造成一个较大的电流长时间流过负载，造成电路损坏。实际使用的电路中常常在负载回路接入熔断丝作为保护措施。OCL电路的优缺点：例9.2.1C1

C2

RL

Ui

Uo

+VCC

Rb

++-Re

-解：甲类功率放大电路可由最简单的单电源射极输出器组成，要得到最大输出功率应将静态工作点设置在负载线的中点。

甲类电路的静态电流较大，效率较低。OTL乙类功放OCL乙类功放乙类功放静态功耗等于零，效率较高。例9.2.2解：OTL电路OCL电路在相同的Vcc和RL下，OCL电路比OTL电路的最大输出功率大许多。差动放大级

反馈级偏置电路

共射放大级UBE

倍增电路

恒流源负载准互补功放级保险管负载+24Vui

RL

T7

T8

RC8

-24VR2

R3

T6

Rc1

T1

T2

Rb1

Rb2

C1

Rf

R1

D1

D2

T3

Re3

T4

Re4

C2

T5

Re5

C3

C4T9

T10

Re10

Re7

Re9

C5

R4

BX使互补对称电路工作在甲乙类状态，减小交越失真引入电压串联负反馈C5、R4为补偿元件，使负载接近纯电阻。C2、C3、C4防止自激振荡§9.2.4实际的功率放大电路（OCL)Theend！(8-59)(1-59)第9章功率放大电路结束9.3.1功放管的散热问题一、热阻的概念比例系数称为热阻

(8-60)(1-60)第9章功率放大电路结束图9.3.2晶体管的散热

二、热阻的估算(8-61)(1-61)第9章功率放大电路结束图9.3.2晶体管的散热

二、热阻的估算(8-62)(1-62)第9章功率放大电路结束图9.3.2晶体管的散热

二、热阻的估算(8-63)(1-63)第9章功率放大电路结束图9.3.2晶体管的散热

二、热阻的估算9.3.2OTL互补对称电路一、OTL乙类互补对称电路在输入信号的正半周，VT1导通，iC1流过负载；负半周，VT2导通，iC2流过负载。在信号的整个周期都有电流流过负载，负载上iL和uO基本上是正弦波。存在的问题：交越失真交越失真图9.2.1OTL乙类互补电路图解分析Icm1=Icm1＝Icm，Ucem1=Ucem2=Ucem，图9.2.3二、OTL甲乙类互补对称电路图9.2.4OTL互补对称输出级R、VD1、VD2为两管提供一小的静态偏置电压，使得在输入信号等于零时，管子微导通，以克服交越失真。图9.2.5OTL互补电路波形图tuIOtiC1OtiC2OtuOO9.3.2OCL互补对称电路图9.2.6OCL互补对称电路Ucem=VCC

-

UCES图9.3.19.3.4实际的功率放大电路9.3.4OTL音频功率放大电路中间级前置放大级功率放大级1.闭环电压放大倍数2.最大输出功率9.3.5OTL高保真功率放大电路图9.3.2高保真OTL功率放大电路1.闭环电压放大倍数2.最大输出功率9.3.6集成功率放大器图9.4.1集成功放5G31的电路原理图1.闭环电压放大倍数2.最大输出功率§9.5集成功率放大器特点：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