第4章模拟电路(杨素行)-课件

第四章功率放大电路4.1功率放大电路的主要特点4.2互补对称式功率放大电路

4.2.1电路组成和工作原理

4.2.2互补对称电路主要参数的估算4.3采用复合管的互补对称式放大电路

4.3.1复合管的接法及其β和rbe4.3.2复合管组成的互补对称放大电路第一节功率放大电路的主要特点对放大电路的要求放大电路中三极管的工作状态放大电路的分析方法在一些电子设备中，常要求放大电路的输出级能带动某种负载，因而要求放大电路有足够大的输出功率。这种放大电路通称为功率放大器。1.根据负载要求，提供足够的输出功率。最大输出功率Pom

：在正弦输入信号下，输出波形不超过规定的非线性失真指标时，放大电路最大输出电压和最大输出电流有效值的乘积。21UcemIcm=

2·Icm2Pom=Ucem共射接法下一、对放大电路的要求式中po

为放大电路输出给负载的功率，而pv

为直流电源Vcc所提供的功率。popvη=放大电路的效率可表示为2.具有较高的效率。放大电路输出给负载的功率由直流电源提供。在输出功率比较大的情况下，效率问题更为重要。如果功率放大电路的效率不高，不仅造成能量的浪费，而且消耗在放大电路内部的电能将转换成为热量，使管子、元件等温度升高，因而不得不选用较大容量的放大管和其他设备，很不经济。

功率放大电路的主要特点功放与其它放大电路的不同：

1、对电路的要求不同放大电路：主要提供比较大的电压放大倍数；功放：根据负载的要求，提供足够的输出功率，同时希望具有较高的效率，并尽量减小非线性失真。

2、主要技术指标不同放大电路：电压放大倍数、输入电阻、输出电阻功放：最大输出功率、效率3、分析的方法和工具不同放大电路：工作在小信号状态，可利用微变等效电路法，图解法功放：工作在大信号状态，只能用图解法功放的分类变压器耦合功放、直接耦合的互补对称功放直接耦合的功放按电路的结构可分为：

OTL互补对称功放、OCL互补对称功放按功率三极管的导电角可分为：甲类：当输入信号为正弦波时，若晶体管在信号的整个周期内均导通（即导通角），则称之为工作在甲类状态；乙类：若晶体管仅在信号的正半周或负半周导通（即），则称之为工作在乙类状态；甲乙类：若晶体管的导通时间大于半个周期且小于整个周期（即），则称之为工作在甲乙类状态。按电路元件是否集成：

分立元件功放、集成功放选用放大三极管时，极限参数应留有一定的余地。二、放大电路中三极管的工作状态在功率放大电路中，三极管工作在大信号状态，使得管子的特性曲线的非线性问题充分暴露出来。在实际的功率放大电路中，应根据负载的要求，尽量设法减小输出波形的非线性失真。当功率放大电路工作时，应防止三极管的工作点超出安全工作去的范围。在功率放大电路中，由于三极管的工作点在大范围内变化，因此，对电路进行分析时，一般不能采用微变等效电路法，常采用图解法分析放大电路的静态和动态工作情况。三、放大电路的分析方法从功率放大电路的上述特点，可以组成功率放大的具体电路。考虑电路的具体形式时，主要应注意使放大电路具有足够的输出功率和较高的效率，并尽量减小输出波形的非线性失真。输出电阻低，带负载能力比较强，可作为基本功率放大电路。缺点：对正、负向输入信号跟随的能力不同。通常对负向输入电压的跟随范围相对较小。0uit0uot射极输出器的特点:RLReVT

VCCuiuo射极输出器最大负向输出电压最大正向输出电压0uit+UOm

=VCC–UCESRL+ReRL(

-VEE

)-UOm

=通常VCC=VEE，所以+UOm

＞-

UOm

可增大VEE或减小Re使+UOm

=-

Uom

，但将增加电路的静态功耗。RLRe-VEEVT

VCCuiuo第二节

互补对称式功率放大电路电路的组成和工作原理互补对称电路主要参数的估算一、电路组成和工作原理1.

OTL乙类互补对称电路R1

和R2确定放大电路的静态电位。2

VCC调整R1

和

R2的值，使静态时两管的发射极电位为2

VCC电容C2两端的电压也等于动态时电容两端的电压保持0.5VCC的数值基本不变。R2+R1+VCCC2-VT1NPNuiuoVT2PNPRLOTL乙类互补对称电路C1+otic1otic2otiLotui交越失真ic1ic2iLui>0时VT1导通VT2截止。ui<0时VT2导通VT1截止。iL=iC1–iC2R2+R1+VCCC2-VT1NPNuiuoVT2PNPRLC1+2.

OTL甲乙类互补对称电路iC1iC2iLiB1iB2R

、VD1和VD2为两管提供了静态基极电流IB1和IB2避免了ui较小时两管同时截止减小了交越失真。iC1

和

iC2不为零，静态时为零R2R1ui++VCCC1-VT1NPNuoVT2PNP2VCCRLVD1VD2b1b2R+OtiC1OtiC2OtiLOTL甲乙类互补对称电路的波形图OtuiR2R1ui++VCCC1-VT1NPNuoVT2PNP2VCCRLVD1VD2b1b2R+iC1iC2iLUcem

=VCC-UCES

静态时

UCE1=+VCC,UCE2=-VCC。OCL甲乙类互补对称输出级-VCCR2R1ui+VCCVT1NPNuoVT2PNPRLVD1VD2b1b2RiC1iC2iL3.

OCL甲乙类互补对称电路OCL电路省去了大电容，即改善了低频响应，又有利于实现集成化，应用更为广泛。OCL电路存在的主要问题：两个三极管的发射极直接连到负载电阻上，如果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，可能造成电路损坏。为了防止出现此种情况，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。ui>0时工作点沿QA上移。ui<0时工作点沿QB下移。Ucem=Vcc-UCES若VT1、VT2对称-uCE2QiC1OiC2uCE1AOB

OCL互补电路的图解法Icm1Icm2Ucem1UCESVCC二、互补对称电路主要参数的估算1.OCL互补对称电路主要参数的估算Ucem

=VCC-UCES

Pom

≈2RLV2CCPom==21RLU2cem21RL(VCC–UCES)2（1）最大输出功率当满足条件UCES<<VCC时PV=×Icmsinωtd(ωt)=

≈VCCπ1π0π2VCCIcmπRL2V2CCpompvη=≈=78.5%4π（2）效率当输出最大功率时，放大电路的效率等于最大输出功率pom与直流电源提供的功率PV之比。当忽略饱和管压降UCES时，OCL乙类和甲乙类互补对称电路的效率为如果考虑三极管的饱和管压降UCES，则OCL乙类和甲乙类互补对称电路的效率将低于此值。（3）功率三极管的极限参数在OCL互补对称电路中，流过三极管的最大集电极电流为：▼集电极最大允许电流ICM因此选择功率三极管时，其集电极最大允许电流应为：在OCL互补对称电路中，两个三极管的集电极电压之和等于2VCC，即▼集电极最大允许反向电压U(BR)CEO当VT2导电时，VT1截止，此时VT1的集电极承受反向电压。当VT2饱和时，VT1的集电极电压达到最大，此时：或因此，功率三极管的集电极最大允许反向电压应为当忽略三极管的管压降时，PTm=0.2Pom

在OCL互补对称电路中，直流电源提供的功率PV，一部分转换成输出功率Po传送给负载，另一部分则消耗在三极管内部，成为三极管的耗散功率PT

，使管子发热。▼集电极最大允许耗散功率PCM当集电极输出电压的峰值UOM

≈0.6

VCC时，三极管的功率损耗达到最大，即PT=

PTm

。此时，每个三极管的最大管耗为:因此，在选择功率三极管时应满足，PCM>0.2Pom

Ucem=-2VccUCES若VT1、VT2对称-uCE2QiC1OiC2uCE1AOB

OTL互补对称电路的图解法Icm1Icm2Ucem1UCESVCC交流负载线2.OTL互补对称电路主要参数的估算2Pom=Ucem

Icm=2121RLU2cemPom

≈81RLV2CCPV=×Icmsinωtd(ωt)2VCCπ1π0pompvη=

≈==78.5%81RLV2CC2πRLV2CC4π21RL(VCC/2–UCES)2=若满足UCES

<<2VCC2πRLV2CC≈πVCCIcm=（1）最大输出功率（2）效率（3）功率三极管的极限参数▼集电极最大允许电流ICM▼集电极最大允许反向电压U(BR)CEOPTm=0.2Pom

▼集电极最大允许耗散功率PCMPCM>0.2Pom

ICUCEOQiCtOICUCEOQiCtOICUCEOQiCtO晶体管的工作状态甲类工作状态晶体管在输入信号的整个周期都导通静态IC较大，波形好,管耗大效率低。乙类工作状态晶体管只在输入信号的半个周期内导通，静态IC=0，波形严重失真,管耗小效率高。甲乙类工作状态晶体管导通的时间大于半个周期，静态IC

0，一般功放常采用。第三节采用复合管的互补对称放大电路复合管的接法及其β和rbe复合管组成的互补对称放大电路一、复合管的接法及其β和rbe复合管可由两个或两个以上的三极管组合而成。它们可以由相同类型的三极管组成，也可以由不同类型的三极管组成。无论由相同或不同类型的三极管组成复合管时，首先，在前后两个三极管的连接关系上，应保证前级三极管的输出电流与后级三极管的输入电流的实际方向一致。其次，外加电压的极性应保证前后两个三极管均为发射结正偏，集电结反偏，使两管都工作在放大区。rbe=

rbe1

+（1+

β1）rbe2(β1+β2+β1β2)ΔiBΔiE=(1+β2)(1+β1)ΔiB1=ΔiB+ΔiCβ=ΔiCΔiB=

β1+β2+β1β2

≈

β1β2ic1ic2iE1=iB2iEiciBiB1ΔiC1

=β1Δ

iB1ΔiE1=ΔiB2=(1+β1)ΔiB1ΔiC2

=β2(1+β1)ΔiB1与NPN型三极管等效VT1VT2becic1=iB2iE2iB1iBic2iciE1iEΔic=β1(1+β2)ΔiB1=(β1+β1β2)ΔiBΔiE=(1+β1+β1β2)ΔiB1=ΔiC+ΔiBβ

=

β1（1

+β2）≈

β1β2rbe=

rbe1与NPN型三极管等效ΔiE1=(1+β1)ΔiB1ΔiC1=ΔiB2=β1ΔiB1Δic2=β1β2ΔiB1VT2VT1becrbe=

rbe1

+（1+

β1）rbe2β=

β1+β2+β1β2

≈

β1β2与PNP型三极管等效β

=

β1（1

+β2）≈

β1β2rbe=

rbe1与PNP型三极管等效iC1iE1=iB2iC2VT1VT2iEiCiB1iBbeciC1=iB2VT1VT2iEiC2iB1iBiCiE1bec结论：1、由两个相同类型的三极管组成的复合管，其类型与原来相同。复合管的，复合管的。2、由两个不同类型的三极管组成的复合管，其类型与前级三极管相同。复合管的，复合管的。二、复合管组成的互补对称放大电路VT1VT2+VCC-VCCuiRLuoRR2R1VD2VD1VT3VT4VT3、VT4很难互补对称VT3、VT4可实现互补对称VT1VT2+VCC-VCCuiRLuoRR2R1VD2VD1VT3VT4Re1Re2例题：OCL功放如图，VT1、VT2为互补对称管。1.静态时，流过负载电阻RL的电流多大？2.静态时，输出电压UO应是多少？调整哪个电阻能满足这一要求？3.R1、R2、R3、D1、D2各起什么作用？4.动态时，若输出电压波形出现交越失真，应调整哪个电阻？如何调整？5.设VCC=10V,R1=R3=2K，晶体管的UBE=0.7V,=50,PCM=200mW,静态时UO=0，若D1、D2和R2三个元件中任何一个开路，将会产生什么后果？6.若D1、D2中有一个接反，会出现什么后果？1、IL＝0；2、Uo＝0，调R1和R3可满足要求。3、R1、R3为功放管T1、T2提供基极电流通路，也为二极管支路提供电流通路。R2、D1、D2为T1、T2提供静态偏置电压UBE1＋|UBE2|，使之工作在甲乙类状态。4、增大R2。5、此时T1、T2上的静态功耗均为：故T1、T2管将烧毁。6、T2将失去跟随作用，并导致T1、T2的基极电流过大，甚至有可能烧坏功放管。第四节集成功率放大器集成功率放大器的电路组成集成功率放大器的主要技术指标集成功率放大器的引脚和典型接法目前，利用集成电路工艺已经能够生产出品种繁多的集成功率放大器。集成功放除了具有一般集成电路的共同特点外，还有一些突出的优点，主要有温度稳定性好，电源利用率高，功耗较低，非线性失真较小等，还可以将各种保护电路也集成在芯片内部，使用更加安全。集成功放从用途划分，有通用型功放和专用型功放。从芯片内部的构成划分，有单通道功放和双通道功放，从输出功率划分，有小功率功放和大功率功放。集成功率放大器与一般集成运算放大器的主要区别在于，对前者要求输出更大的功率。为了达到这个要求，集成功放的输出级常常采用复合管组成。另外，通常要求更高的直流电源电压。对于输出功率比较高的集成功放，有时要求其外壳装散热片。由于集成工艺的限制，集成功放中的某些元件要求外接。有时为了使用方便而有意识地留出若干引线端，允许用户外接元件以灵活地调节某些技术指标。一、集成功率放大器的电路组成82716354R3R2R1R4R5R7R615kΩ15kΩ50kΩ1.35kΩ150kΩ15kΩ50kΩVT1VT2VT3VD1VT10VT4VT5VT7VT8VT6VT9VD2输入级为双端输入、单端输出差分放大电路镜像电流源中间级引入一个电压串联负反馈，减小非线性失真。二、集成功率放大器的主要技术指标参数测试条件最小典型最大单位工作电源电压（V+）LM386N-1,-3，LM386M-1LM386N-4451218VV静态电流（IQ）V+=6V,Ui=048mA输出功率（PO）LM386N-1，LM386M-1LM386N-3LM386N-4V+=6V,RL=8Ω,THD=10%V+=9V,RL=8Ω,THD=10%V+=16V,RL=32Ω,THD=10%2505007003257001000mWmWmW电压增益（Au）V