模拟电子技术基础 课件 （张菁）第8、9章 功率放大电路、直流稳压电源

第8章功率放大电路8.1功率放大电路概述8.2互补功率放大电路8.3集成功率放大电路本章讨论的问题：1、什么是功率放大电路，功率放大电路是放大功率吗？对功率放大电路的基本要求是什么？电压放大电路和功率放大电路有什么区别？2、什么是晶体管的甲类、乙类和甲乙类工作状态？3、功率放大电路的输出功率是交流功率还是直流功率?晶体管的耗散功率最大时，电路的输出功率是最大吗？4、在已知电源电压和负载的情况下，如何估算出最大输出功率以及转换效率？5、功放管和小信号放大电路中晶体管的选择有何不同？如何选择？8.1功率放大电路概述

能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路，简称功放。

功率放大电路与其他放大电路在本质上没有根本的区别；只是功放既不单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。因此，从功放电路的组成和分析方法，到其元器件的选择都与小信号放大电路又着明显的区别。

功率放大电路的作用：是放大电路的输出级，去推动负载工作。例如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转、电动机旋转等。

对输出级的要求互补输出级是直接耦合的功率放大电路。

对输出级的要求：带负载能力强；直流功耗小；负载电阻上无直流功耗；最大不失真输出电压最大，即输出功率尽可能大。射极输出形式静态工作电流小输入为零时输出为零双电源供电时Uom的峰值接近电源电压。单电源供电Uom的峰值接近二分之一电源电压。

8.1.1功率放大电路的特点一、主要技术指标1.最大输出功率Pom功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。是交流功率，表达式为Po＝IoUo。最大输出功率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

功率放大电路的最大输出功率与电源提供的直流功率之比。直流功率等于电源输出电流平均值及电压之积。效率尽可能高，因而电路损耗的直流功率尽可能小，静态时功放管的集电极电流近似为0。3.非线性失真要小4.散热问题额定功率是指在失真允许的范围内放大器输出的最大功率。最大不失真功率是指在不失真的情况下最大输出功率。功放管通常为大功率管，要特别注意其散热条件，使用时必须安装散热片，有时还要采取各种保护措施。三、分析方法

因大信号作用，故应采用图解法。晶体管集电极电流最大时接近ICM晶体管承受的最大管压降最大时接近c-e反向击穿电压U（BR）CEO晶体管消耗的最大功率接近集电极最大耗散功率PCM二、晶体管的选用

根据极限参数选择晶体管。在功率放大电路中，为使输出功率尽可能大，要求晶体管工作在极限应用状态。选择功放管时，要注意极限参数的选择，以保证管子正常工作；另外还要注意其散热条件，使用时必须安装合适的散热片和各种保护措施。晶体管集电极电流最大时接近ICM晶体管承受的最大管压降最大时接近c-e反向击穿电压U（BR）CEO晶体管消耗的最大功率接近集电极最大耗散功率PCM晶体管集电极电流最大时接近ICM晶体管承受的最大管压降最大时接近c-e反向击穿电压U（BR）CEO晶体管消耗的最大功率接近集电极最大耗散功率PCM四.对功率放大路的要求（1）甲类方式：晶体管在信号的整个周期内均处于导通状态（2）乙类方式：晶体管仅在信号的半个周期处于导通状态（3）甲乙类方式：晶体管在信号的多半个周期处于导通状态（1）在电源电压一定的情况下，最大不失真输出电压最大，即输出功率尽可能大。（2）效率尽可能高，因而电路损耗的直流功率尽可能小，静态时功放管的集电极电流近似为0。五、晶体管的工作方式为什么共射放大电路不宜作功率放大电路？直流电源提供的功率为ICQVCC,晶体管的集电极耗散功率为ICQUCEQ

静态时：输入正弦波时：电源输出的平均电流为ICQ,因此电源提供功率不变，管压降电流的最大分量为ICQRL’,有效值为ICQRL’/√2,所以负载上可能获得的最大功率为RL数值越小，功率越小为了提高功率，可以去掉集电极电阻RC,直接将负载接在集电极，并利用变压器实现阻抗变换①输入信号增大，输出功率如何变化？②输入信号增大，管子的平均电流如何变化？③输入信号增大，电源提供的功率如何变化？效率如何变化？适合做功放吗？8.1.2功率放大电路的组成1、变压器耦合功率放大电路--甲类(

=2

)1、变压器耦合功率放大电路---甲类(

=2

)：电源提供的功率ICQUCC调整变压器匝数RL’=(N1/N2)2RL，使交流负载线交于2UCC交流输出最大功率2、乙类(

=

)乙类(

=

)乙类互补对称(

=

)（1）变压器耦合乙类推挽电路

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。（2）OTL电路—无输出变压器功率放大电路

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。（3）OCL电路—无输出电容功率放大电路输入电压的正半周：＋VCC→T1→RL→地输入电压的负半周：

地→RL→T2→－VCC两只管子交替导通，两路电源交替供电，双向跟随。静态时，UEQ＝UBQ＝0。

互补对称电路是集成功率放大电路输出级的基本形式。当它通过容量较大的电容与负载耦合时，由于省去了变压器而被称为无输出变压器(OutputTransformerless)电路，简称OTL电路。若互补对称电路直接与负载相连，输出电容也省去，就成为无输出电容(OutputCapacitorless)电路，简称OCL电路。

OTL电路采用单电源供电，

OCL电路采用双电源供电。8.2互补功率放大电路8.2.1双电源互补对称功率放大电路(OCL)(OCL—OutputCapacitorless)一、乙类OCL互补功率放大电路T1、T2理想对称，静态时T1、T2均截止，UB=UE=0(OCL—OutputCapacitorless)1、电路组成及工作原理RLT1T2+UCC+ui

+uo

UCCui>0T1导通T2截止iC1io=iE1=iC1,uO=iC1RLui<0T2导通T1截止iC2io=-iE2=-iC2,uO=-iC2RLui=0T1、T2截止iO2、交越失真消除失真的方法：设置合适的静态工作点。信号在零附近两只管子均截止开启电压存在问题：当输入电压小于死区电压时，三极管截止，引起

交越失真。3、消除交越失真的互补输出级对偏置电路的要求：有合适的Q点，且动态电阻尽可能小，即动态信号的损失尽可能小。如果信号为零时两只管子处于临界导通或微导通状态，那么当有信号输入时两只管子中至少有一只导通，因而消除了交越失真。二极管导通时，对直流电源的作用可近似等效为一个0.6～0.8V的直流电池，对交流信号的作用可等效为一个数值很小的动态电阻。二、甲乙类双电源互补功率放大电路---消除交越失真ui=0，给T1、T2提供静态电压准互补输出级---消除交越失真为保持输出管的良好对称性，输出管应为同类型晶体管。

二管导通的时间都比输入信号的半个周期更长，功放工作在甲乙类状态。求解输出功率和效率的方法:然后求出电源的平均功率，效率在已知RL的情况下，先求出UO，则三、OCL功率放大电路的图解分析-----当输入电压足够大，且又不产生饱和失真的图解分析---当输入电压足够大，且又不产生饱和失真的图解分析OCL功率放大电路的图解分析1.

输出功率2.

效率3.OCL电路中晶体管的选择--极限参数PT1对UOm求导，并令其为0，可得证明：管子功耗与输出电压峰值的关系因此，选择晶体管时，其极限参数将UOm代入PT1的表达式，可得【OCL电路小结】1.输出功率2.电源功率PE=2V2CC/

RL3.效率实际约为60%最大输出功率时：RL+VCC+ui

+uo

VCC每只管子最大管耗为

0.2Pom5.选管原则PCM>0.2PomU(BR)CEO>2VCCICM>VCC/RL4.管耗RL+VCC+ui

+uo

VCC[例1]

在图示电路中已知VCC

＝15V，输入电压为正弦波，晶体管的饱和管压降UCES＝3V，电压放大倍数约为1，负载电阻RL＝4

。（1）求解负载上可能获得的最大功率和效率（2）若输入电压最大有效值为8V，则负载上能够获得的最大功率为多少。解（1）（2）因为UO≈Ui，所以UO≈8V。最大输出功率[例2]

已知：VCC=VEE=24V，RL=8

，忽略UCE(sat)

求Pom

以及此时的

PE、PT1，并选管。[解]PE=

2V2CC/

RL=2242//(

8)=45.9(W)=0.5(45.936)=4.9(W)U(BR)CEO>48VICM>24/8=3(A)可选：U(BR)CEO=60

100VICM=5APCM=10

15WRL+VCC+ui

+uo

VCC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。8.2.2单电源互补对称功率放大电路—OTL电路(OutputTransformerless)一、OTL乙类互补对称电路存在的问题：交越失真2.OTL乙类互补电路图解分析电容C2的作用：1)充当VCC/2电源2)耦合交流信号当ui=0时，1.电路结构二、OTL甲乙类互补对称电路当ui=0时：调节R1、R2，使T1、T2有个合适的偏置，并且当ui>0时：T2导通，C2放电，T2的等效电源电压

0.5VCC。当ui<

0时：T1导通，C2充电，T1的等效电源电压

+0.5VCC。应用OCL电路有关公式时，要用VCC/2取代VCC。2.OTL电路工作原理OCL电路和OTL电路的比较OCLOTL

电源双电源单电源信号交、直流交流频率响应好fL

取决于输出耦合电容C电路结构较简单较复杂Pomax讨论一：出现下列故障时，将产生什么现象?1.R1短路；2.R1断路；3.D1短路；4.D1断路；5.T1集电极开路。讨论二：出现下列故障时，将产生什么现象?1.R2短路；2.R2断路；3.D1短路；4.D1断路；5.T1集电极开路。T2、T5的极限参数：PCM＝1.5W，ICM＝600mA，UBR（CEO）＝40V。

1、R1、R2和T3组成什么电路，在电路中起何作用？2、恒流源I在电路中起何作用？3、电路中引入D1、D2作为过载保护，试说明其理由。讨论三:OCL互补对称放大电路习题8.11：单电源供电的音频功率放大电路如图8.17所示，试回答：（1）T1~T6构成何种组态电路？（2）D1~D3的作用？（3）R4、R5和R6、R7、R8的作用？（4）C2的作用？（5）T7、T8和T9~T11各等效为什么类型的三极管？习题8.12：电路如图8.18所示，已知T1和T2的饱和管压降|UCES|=2V直流功耗可忽略不计；集成运放为理想运放。回答下列问题：试求这时：（1）D1和D2的作用是什么？（2）负载上可能获得的最大输出功率Pom和电路的转换效率各为多少？（3）T1和T2的三个极限参数ICM、U（BR）CEO、PCM至少应选多少？（4）电路中引入哪种组态的交流负反馈？其电压放大倍数Au=？（5）若uI=2sinωt/V，则此时电路的输出功率Po=？1.闭环电压放大倍数2.最大输出功率8.3实际的功率放大电路8.3.1

OTL音频功率放大电路中间级前置放大级功率放大级第九章直流电源内容概述要使放大电路能正常工作是离不开直流电源供电的，获得直流电源的方法较多，如干电池、蓄电池、直流发电机等，实际中一般采用对交流电源经过变换而成的直流电源。本章主要讨论这种直流电源的组成及各部分的具体电路结构和工作原理。

教学内容9.1直流稳压电源概述9.2单相整流电路9.3滤波电路9.4线性稳压电源9.5开关型稳压电源§9.1

直流电源的组成

单相整流滤波电路一、直流电源的组成及各部分的作用二、单相整流电路三、滤波电路模拟电子技术一、直流电源的组成及各部分的作用改变电压值通常为降压交流变脉动的直流减小脉动1)负载变化输出电压基本不变；2)电网电压变化输出电压基本不变。。

直流电源是能量转换电路，将220V（或380V）50Hz的交流电转换为直流电。半波整流全波整流

在分析电源电路时要特别考虑的两个问题：允许电网电压波动±10％，且负载有一定的变化范围。二、直流稳压电路的性能指标1.输出电压2.输出电流3.稳压系数表明电网电压波动时电路的稳压性能。在负载电流不变时，输出电压相对变化量与输入电压变化量之比。4.输出电阻表明负载电流变化时电路的稳压性能。在电网电压不变时，负载变化引起的输出电压的变化量与输出电流的变化量之比。5.纹波电压测试出输出电压的交流分量。三、单相整流电路对整流电路要研究清楚以下问题：1.电路的工作原理：二极管工作状态、波形分析2.输出电压和输出电流的平均值：输出为脉动的直流电压3.整流二极管的选择：二极管承受的最大整流平均电流和最高反向工作电压

为分析问题简单起见，设二极管为理想二极管，变压器内阻为0。整流二极管的伏安特性：实际特性理想化特性正向导通电压为0，正向电阻为0。1.单相半波整流电路（1）工作原理u2的正半周，D导通，A→D→RL→B，uO=u2

。u2的负半周，D截止，承受反向电压，为u2；uO=0。（2）UO（AV）和IL（AV）的估算

已知变压器副边电压有效值为U2

考虑到电网电压波动范围为±10％，二极管的极限参数应满足：（3）二极管的选择2.

单相桥式整流电路u2的正半周

A→D1→RL→D3→B，uO=u2u2的负半周

B→D2→RL→D4→A，uO=-u2四只管子如何接？

集成的桥式整流电路称为整流堆。（1）工作原理若接反了呢？（2）估算（3）二极管的选择

考虑到电网电压波动范围为±10％，二极管的极限参数应满足：3.二倍压整流电路分析时的两个要点：设①负载开路，②电路进入稳态。u2负半周，u2加C1上电压对C2充电：P→D2→C2→A，最终u2正半周C1充电：A→D1→C1→B，最终P4、多倍压整流电路三、滤波电路（1）工作原理1.

电容滤波电路充电放电速度与正弦波下降速度相似按指数规律下降滤波后，输出电压平均值增大，脉动变小。（1）工作原理：考虑变压器和整流电路的内阻C越大，RL越大，τ放电将越长，曲线越平滑，脉动越小。（2）二极管的导通角导通角

无滤波电容时θ＝π。有滤波电容时θ<π，且二极管平均电流增大，故其峰值很大！θ小到一定程度，难于选择二极管！

简单易行，UO（AV）高，C足够大时交流分量较小；不适于大电流负载。（3）电容的选择及UO（AV）的估算若负载开路UO（AV）＝？（4）优缺点2.

电感滤波电路

当回路电流减小时，感生电动势的方向阻止电流的减小，从而增大二极管的导通角。电感对直流分量的电抗为线圈电阻，对交流分量的感抗为ωL。适于大电流负载！3.

复式滤波电路为获得更好的滤波效果，可采用复式滤波电路。电感应与负载串联，电容应与负载并联。表–1各种滤波器性能比较外特性序号

性能类型(小电流)适用场合整流管的冲击电流外特性1电容滤波≈1.2小电流大2RC-π型滤波≈1.2小电流大3LC-π型滤波≈1.2小电流大4L滤波0.9大电流小5LC滤波0.9适应性较强小讨论一

已知变压器副边电压有效值为10V，电容足够大，判断下列情况下输出电压平均值UO（AV）≈？

1.正常工作；

2.C开路；

3.RL开路；

4.D1和C同时开路。讨论二

整流电路如图所示，分别求解下列两种情况下输出电压的波形和平均值、整流二极管的最大整流电流和最高反向工作电压。

1.变压器副边电压有效值U21＝U22＝20V；

2.U21＝22V、U22＝22V。§9.2

稳压电路一、稳压电路的性能指标二、稳压管稳压电路三、串联型稳压电路四、集成稳压器五、开关型稳压电路模拟电子技术一、稳压管稳压电路稳定电压UZ：稳压管的击穿电压稳定电流IZ：使稳压管工作在稳压状态的最小电流最大耗散功率PZM：允许的最大功率，PZM=IZMUZ动态电阻rz：工作在稳压状态时，rz＝ΔU/ΔI1.

稳压管的伏安特性和主要参数伏安特性符号等效电路2.

稳压管稳压电路的工作原理(1)负载电阻RL不变(2)输入电压UI保持不变3.

稳压管稳压电路的主要指标（1）输出电压UO＝UZ（2）输出电流IZmax－IZmin≤IZM－IZ（3）稳压系数（4）输出电阻

简单易行，稳压性能好。适用于输出电压固定、输出电流变化范围较小的场合。4.

特点为减小Sr,R、UI取值矛盾!5.

稳压管稳压电路的设计（1）UI的选择UI＝（2～3）UZ（2）稳压管的选择UZ＝UO

IZM－IZ>ILmax－ILmin（3）限流电阻的选择保证稳压管既稳压又不损坏。电网电压最低且负载电流最大时，稳压管的电流最小。电网电压最高且负载电流最小时，稳压管的电流最大。1111【例1】稳压电路如图所示,稳压管为2CW14,其参数是Uz=6V,Iz=10mA,Pz=200mW,rz＜15Ω。整流滤波输出电压UI=15V。

(1)试计算当UI变化±10%,负载电阻在0.5～2kΩ范围变化时,限流电阻R值。

(2)按所选定的电阻R值,计算该电路的稳压系数及输出电阻。解:(1)即0.29kΩ＜R＜0.34kΩ,可选

R=320Ω,电阻的额定功率

(2)

二、串联型稳压电路1.

基本调整管稳压电路为了使稳压管稳压电路输出大电流，需要加晶体管放大。稳压原理：电路引入电压负反馈，稳定输出电压。调整管的作用及如何提高稳压性能

不管什么原因引起UO变化，都将通过UBE的调节使UO稳定，故称晶体管为调整管。

若要提高电路的稳压性能，则应加深电路的负反馈，即提高放大电路的放大倍数。通常是在基本调整管电路引入放大环节，组成具有放大环节的串联型稳压电路。UO不可调,且输出电压因为UBE的变化而变，稳压性差2.

具有放大环节的串联型稳压电路（1）稳压原理：若由于某种原因使UO增大（2）输出电压的调节范围同相比例运算电路则UO↑→U-↑→UB↓→UO↓（3）串联型稳压电路的基本组成及其作用调整管取样电阻调整管：是电路的核心，UCE随UI和负载产生变化以稳定UO。比较放大基准电压基准电压：是UO的参考电压。取样电阻：对UO

的取样，与基准电压共同决定UO

。比较放大：将UO

的取样电压与基准电压比较后放大，决定电路的稳压性能。（4）串联型稳压电源中调整管的选择IEmax＝IR1＋ILmax≈ILmax<ICMUCEmax＝UImax－UOmin<U(BR)CEO

PTmax＝IEmaxUCEmax<PCM根据极限参数ICM、U(BR)CEO、PCM选择调整管！应考虑电网电压的波动和负载电流的变化！三、集成稳压器（三端稳压器）输出电压：5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V输出电流：1.5A（W7800）、0.5A（W78M00）、0.1A（W78L00）1.

W7800系列

（1）简介（2）基本应用消除高频噪声使Co不通过稳压器放电抵销长线电感效应，消除自激振荡

将输入端接整流滤波电路的输出，将输出端接负载电阻，构成串类型稳压电路。（3）输出电流扩展电路

为使负载电流大于三端稳压器的输出电流，可采用射极输出器进行电流放大。很小三端稳压器的输出电压若UBE=UD，则二极管的作用：消除UBE对UO的影响。（4）输出电压扩展电路IW为几mA，UO与三端稳压器参数有关。隔离作用基准电压电路复杂2.

基准电压源三端稳压器W117

输出电压UREF＝1.25V，调整端电流只有几微安。减小纹波电压保护稳压器四、开关型稳压电路

1.

开关型稳压电源的特点

线性稳压电源：结构简单，调节方便，输出电压稳定性强，纹波电压小。缺点是调整管工作在甲类状态，因而功耗大，效率低（20％～49％）；需加散热器，因而设备体积大，笨重，成本高。

若调整管工作在开关状态，则势必大大减小功耗，提高效率，开关型稳压电源的效率可达70％～95％。体积小，重量轻。适于固定的大负载电