第四章功率放大电路(1).ppt

1、第四章 功率放大电路,4.1功率放大电路特点与类型,4.2互补对称功率放大电路,4.3集成功率放大器,本章重点和考点：,1.重点掌握功放的最大输出电压、最大输出功率和效率的计算。,2.掌握集成功放的使用。,本章讨论的问题：,1.功率放大是放大功率吗？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.晶体管的最大耗散功率是否是电路的最大输出功率？晶体管的耗散功率最大时，电路的输出功率是最大吗？,4.互补式功放电路的输出功率是否为单管功放电路的二倍？,本章讨论的问题：,5.在已知电源电压相同且负载电阻也相同的情况下，如何估算出最大输出功率？,6.在已知电源

2、电压相同且负载电阻也相同的情况下，对于不同电路形式的功放，最大输出功率都相同吗？它们与电路中晶体管的工作状态有关吗？,7.功放管和小功率放大电路中晶体管的选择有何不同？如何选择？,第11讲,一、讲授内容 4.1 功率放大电路的特点与类型 二、教学目的及要求（学生掌握、了解的要点） 掌握功率放大电路的基本概念和分类，功率放大电路的特点，功率放大电路的几种工作状态，功率放大电路的类型。 三、教学重点 功率放大电路的特点（与电压放大电路比较）及类型。 四、教学难点 根据Q点分析功率放大电路的分类和特点及效率问题。 五、本讲计划学时及时间分配 2学时,4.1功率放大电路特点与类型（第11讲）,能够向负

3、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。,功放既不是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。,功放电路的要求：,4.1.1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PoIoUo。,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。,3.最大输出电压Uom,二、功率放大电路中的晶体管,在功率放大电路中，为使输出功率

4、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，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。,三、功率放大电路的分析方法,采用图解法,4.1.1.2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4.1.1 (a)共射放大电路,图4.1.1b输出功率和效率的图解分析,直流电源提供的直流功率为ICQ VCC 即图中矩形ABCO的面积。,集电极电阻RC的功率损耗为I2CQRC 即图中矩形QBCD的面积。,晶体管集电极耗散功率为ICQ UCEQ 即图中矩形AQDO的面积。,1.无输入信号作用时,图4.1.2输出功率和效率的图解分析,2

5、.在输入信号为正弦波时，若集电极电流也为正弦波,直流电源提供的直流功率不变,负载电阻RL上所获得的功率PO仅为P/Om的一部分。,R/L(=RC/RL)上获得的最大交流功率P/Om为,即图中三角形QDE的面积,共射放大电路输出功率小，效率低（25） ，不宜作功放。,二、变压器耦合功率放大电路,传统的功放为变压器耦合式电路,电源提供的功率为PVICQ VCC ，全部消耗在管子上。,则可作出交流负载线,RL等效到原边的电阻为,在理想变压器的情况下，最大输出功率为,即三角形QAB的面积,在输入信号为正弦波时，若集电极电流也为正弦波,直流电源提供的功率不变,电路的最大效率为: Pom / PV =50

6、 ,实用的变压器功率放大电路,希望输入信号为零时，电源不提供功率，输入信号愈大，负载获得的功率也愈大，电源提供的功率也随之增大，从而提高效率。,变压器耦合乙类推挽功率放大电路,图4.1.3(a)变压器耦合乙类推挽功率放大电路,同类型管子在电路中交替导通的方式称为“推挽”工作方式。,无输入信号，二管截止,有输入信号，二管交替导通,4.1.2 功率放大电路的类型,在放大电路中，若输入信号为正弦波时，根据晶体管在信号整个周期内导通情况分类,甲类( = 2 ),乙类( = ),甲乙类( 2 ),丙类： 导通角小于 。,丁类：功放管工作在开关状态，管子仅在饱和导通时消耗功率。,集电极电流iC将严重失真。

7、,简介：无输出变压器的功率电路Output Transformerless （OTL电路）,用一个大容量电容取代了变压器(电容：几百几千微法的电解电容器）,图4.1.4OTL电路,静态时：前级电路应使基极电位为VCC/2，发射结电位为VCC/2 ，故电容上的电压也VCC/2。,单电源供电。T1和T2特性对称,工作时： T1和T2轮流导通，电路为射极跟随状态。,OTL工作在乙类工作状态， 会出现交越失真。,如何消除？,动画avi17-4.avi,简介：无输出电容的功率放大电路 Output Capacitorless（OCL电路）,双电源供电,T1和T2特性对称,图4.1.5OCL电路,静态时:

8、 T1和T2均截止，输出电压为零。,工作时: T1和T2交替工作，正、负电源交替供电，输出与输入之间双向跟随。,不同类型的二只晶体管交替工作，且均组成射极输出形式的电路称为“互补”电路；二只管子的这种交替工作方式称为“互补”工作方式。,简介：桥式推挽功率放大电路 Balanced Transformerless（BTL电路）,图4.1.6BTL电路,单电源供电，四只管子特性对称,静态时，四只晶体管均截止，输出电压为零。,当 ui0时 ，T1和T4导通， T2和T3 截止，负载上获得正半周电压；,当 ui0时 ，T2和T3导通， T1和T4 截止，负载上获得负半周电压。,因而负载上获得交流功率,

9、工作时，,第12讲,一、讲授内容 4.2乙类互补推挽功率放大电路 二、教学目的及要求（学生掌握、了解的要点） 1.掌握OCL、OTL电路的组成及工作原理 2.掌握OCL、OTL电路的输出功率及效率 3.掌握OCL、OTL电路中晶体管的选择 4.复合管的构成原则及其电流放大倍数 5.掌握交越失真的原因及解决措施 三、教学重点 OCL、OTL甲乙类互补对称功率放大电路的结构、特点及工作原理。 功率、效率和管耗的计算及相互关系。 功放管的选择。 四、教学难点 功率放大电路的分析与计算。 五、本讲计划学时及时间分配 2学时,4.2.1乙类互补对称电路的组成及工作原理,一、电路组成,ui 0 T1 导通

10、 T2 截止,iC1,io = iE1 = iC1, uO = iC1RL,ui 0 T2 导通 T1 截止,iC1,io = iE2 = iC2, uO = iC2RL,ui = 0 T1 、 T2 截止,4.2乙类互补功率放大电路（第12讲）,目前使用最广泛的功放是OTL电路和OCL电路,若考虑三极管的开启电压，输出波形将产生交越失真。,动画avi17-3.avi,二、OCL电路的输出功率及效率,当输入电压足够大，且又不产生饱和失真的图解分析,图4.2.4OCL电路的图解分析,图中I区为T1管的输出特性，II区为T2管的输出特性；,二只管子的静态电流很小，可认为Q点在横轴上。,Uop =

11、VCC UCES,最大输出电压幅值,最大不失真输出电压的有效值,动画avi17-1.avi,最大输出功率,电源VCC提供的电流,电源在负载获得最大交流功率时所消耗的平均功率等于其平均电流与电源电压之积。,转换效率,理想情况下， UCES可忽略；但大功率管UCES较大，不能忽略,OCL电路中晶体管的选择,一、最大管压降,UCEmax=2VCC,二、集电极最大电流,三、集电极最大功耗,如何求PT的最大功率？,晶体管集电极最大功耗仅为最大输出功率的五分之一。,在查阅手册选择晶体管时，应使极限参数,BUCEO2VCC ICMVCC/RL PCM0.2Pom,4.2.2甲乙类互补对称功率放大电路,iC,

12、消除交越失真思路：,ui = 0，给 T1、T2 提供静态电压,UB1、B2UD1UD2UR2,UB1、B2略大于T1管发射结和T2管发射结开启电压之和，两管均处于微导通状态，即都有一个微小的基极电流，分别为IB1和IB2 。静态时应调节R1 ，使UE为0,即u0为0。,动画avi17-2.avi,当 ui = 0 时，T1、T2 微导通。,当 ui 0 ( 至 )， T1 微导通 充分导通 微导通；,T2 微导通 截止 微导通。,当 ui 0 ( 至 )， T2 微导通 充分导通 微导通；,T1 微导通 截止 微导通。,当输入信号为正弦交流电时,图4.2.3 T1和T2 管在ui作用下输入特

13、性中的图解分析,二管导通的时间都比输入信号的半个周期更长，功放电路工作在甲乙类状态。,例4.2.1在图4.2.7所示电路中已知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欧，,（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UOUi，所以UOm8V。最大输出功率,双电源互补对称功率放大电路由于静态时输出端电位为零，负载可以直接连接，不需要耦合电容，因而OCL电路具有低频响应好、输出功率大、便于集成等优点，但需要双电源供电，使用起来有时会感到不便。如果采

14、用单电源供电，只要在两管发射极与负载之间接入一个大容量电容即可。这种电路通常称为无输出变压器电路，简称OTL(Output Transformer Less)电路，如图4.2.4所示。,下一页,返回,上一页,单电源互补对称功率放大电路（OTL电路）,1. 电路组成 图4.2.4中，V1、V2组成互补对称输出级，R1、R2、VD1、VD2保证电路工作于甲乙类状态，C2为大电容。静态时，适当选择偏置电阻R1、R2的阻值，使两功放管发射极电压为VCC /2，电容C2两端电压也稳定在VCC /2，这样两管的集、射极之间如同分别加上了VCC /2和VCC /2的电源电压。 2. 工作原理 在输入信号ui

15、正半周，V1导通，V2截止，V1以射极输出器形式将正向信号传送给负载，同时对电容C2充电；,下一页,返回,上一页,在输入信号ui负半周，V1截止，V2导通，已充电的电容C2代替负电源向V2供电，使V2也以射极输出器形式将负向信号传送给负载。只要电容C2的容量足够大，使其充、放电时间常数RLC2远大于信号周期T，就可认为在信号变化过程中，电容两端电压基本保持不变。这样，负载RL上就可得到一个完整的信号波形。 与OCL电路相比，OTL电路少用一个电源，故使用方便。但由于输出端的耦合电容容量大，电容器内铝箔卷圈数多，呈现的电感效应大，它对不同频率的信号会产生不同的相移，输出信号有附加失真，这是OTL

16、电路的缺点。从基本工作原理上看，两个电路基本相同，只是在单电源互补对称电路中每个功放管的工作电压不是VCC，而是VCC /2。,下一页,返回,上一页,3 .复合互补对称功率放大电路 互补对称功率放大电路中，要求两个功放管完全对称，这对于大功率管来说实现起来比较困难。实际工作中，常常采用复合管的接法来实现互补。 1.复合管的结构 复合管又称为达林顿管，是由两个或两个以上三极管按照一定的方式连接而成的，如图4.2.5是四种常见的复合管类型。 由图4.2.5可以看出，复合管的类型取决于V1管。如图4.2.5(a)中，V1管为NPN型，V2管为NPN型，复合管等效为NPN型。,5.2 互补推挽功率放大

17、电路,下一页,返回,上一页,图4.2.5(b)中，V1管为NPN型，V2管为PNP型，则复合管仍然等效为NPN型。 2. 复合管的特点 1) 电流放大系数很大 复合管的电流放大系数近似为组成该复合管各三极管的乘积，其值很大。由图5-7(a)可得复合管的电流放大系数为,下一页,返回,上一页,2. 复合管构成的OTL功率放大电路 如图4.2.6所示为复合管构成的OTL功率放大电路。图4.2.6中，运算放大器A对输入信号先进行适当放大，以驱动功放管工作，常称为前置放大级。V4 V7为复合管构成的功放管，V4和V6组成NPN型复合管，V5和V7组成PNP型复合管。D1、D2和D3为功放管的基极提供静态

18、偏置电压，使其静态时处于微导通状态。R7和R8称为泄放电阻，用来较小复合管的穿透电流。电阻R6是V4和V5管的平衡电阻，电阻R9和R10用来稳定电路的静态工作点，并具有过流保护的作用。电阻R1和R11构成电压并联负反馈电路，用来稳定电路的输出电压，提高电路的带负载能力。,返回,上一页,复习：,1.功放电路的性能指标： 最大输出电压、最大输出功率和效率,2.功放电路的分类： 甲类、乙类、甲乙类、丙类和丁类 变压器耦合、OTL、OCL和BTL,3.OCL功放的性能指标：,Uop = VCC UCES,第13讲,一、讲授内容 4.3集成功率放大器和习题课 二、教学目的及要求（学生掌握、了解的要点）

19、1.了解集成功率放大电路的分析及主要性能指标 2.理解集成功放电路的应用 3.复习本章知识点。 三、教学重点 集成功率放大电路的结构、功能、性能指标的意义及其应用。 四、教学难点 集成功率放大电路的应用。 五、本讲计划学时及时间分配 2学时,4.3集成功率放大电路（第13讲）,OTL、OCL和BTL电路均有各种不同电压增益多种型号的集成电路。只需外接少量元件，就可成为实用电路。,4.3.1集成功率放大电路分析,LM386是一种音频集成功放，具有功耗小，电压增益可调节，电源电压范围大，外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。,掌握集成功放的电路组成，工作原理、主要性能指标和

20、典型运用。,一、LM386内部电路,图4.3.1LM386内部电路原理图,第一级差分放大电路（双入单出）,第二级共射放大电路（恒流源作有源负载）,第三级OTL功放电路,输出端应外接输出电容后再接负载。,电阻R7从输出端连接到T2的发射极形成反馈通道，并与R5和R6构成反馈网络，引入深度电压串联负反馈。,二、LM386的电压放大倍数,1.当引脚1和8之间开路时,2.当引脚1和8之间外接电阻R时,3.当引脚1和8之间对交流信号相当于短路时,4.在引脚1和5之间外接电阻，也可改变电路的电压放大倍数,电压放大倍数可以调节， 调节范围为20200。,三、LM386引脚图,图4.3.2LM386的外形和引

21、脚,4.3.2集成功率放大电路的应用,一、集成OTL电路的应用,1.LM386外接元件最少的用法,静态时输出电容上电压为,VCC /2,最大不失真输出电压的峰峰值为电源电压VCC,最大输出功率为,输入电压有效值,2.LM386电压增益最大的用法,3.LM386的一般用法,图4.3.4 LM386电压增益最大的用法,图4.3.5 LM386的一般用法,引脚1和引脚8接10uF电解电容器，1和8之间交流短路。,引脚1和引脚5接电阻，也可改变电压放大倍数。,二、集成OCL电路的应用,TDA1521的基本接法,TDA1521为2通道OCL电路，可作为立体声扩音机左、右两个声道的功放。,最大输出功率 P

22、om12W 最大不失真输出电压 Uom 9.8V,三、集成BTL电路的应用,TDA1556为2通道BTL电路。可作为立体声扩音机左，右两个声道的功放。,TDA1556的基本接法,集成DG4112典型电路应用,图4.3.7 由DG4112构成的集成功放电路,【本章小结】,1.功率放大电路是在电源电压确定情况下，以输出尽可能大的不失真的信号功率和具有尽可能高的转换效率为组成原则，功放管常常工作在极限应用状态。低频功放有变压器耦合乙类推挽电路、OTL、OCL、BTL等电路。 2.功放的输入信号幅值较大，分析时应采用图解法。 OCL电路为直接耦合功率放大电路，为了消除交越失真，静态时应使功放管微导通，

23、因而OCL电路中功效管常工作在甲乙类状态。 所选用的功放管的极限参数应满足U（BR）CEO2VCC，ICMVCCRL ，PCM0.2Pom。 3.OTL、OCL和 BTL均有不同性能指标的集成电路，只需外接少量元件，就可成为实用电路。在集成功放内部均有保护电路，以防止功放管过流、过压、过损耗或二次击穿。,一、分析下列说法是否正确，凡对的在括号内打“”，反之则在括号内打“”。（210）,（1）在功率放大电路中，输出功率愈大，功放管的功耗愈大。（ ） （2）功率放大电路的最大输出功率是指在基本不失真情况下，负载上可能获得的最大交流功率。（ ） （3）功率放大器为了正常工作需要在功率管上装置散热片，

24、功率管的散热片接触面是粗糙些好。（ ） （4）乙类推挽电路只可能存在交越失真，而不可能产生饱和或截止失真。（ ） （5）功率放大电路，除要求其输出功率要大外，还要求功率损耗小，电源利用率高。（ ） （6）乙类功放和甲类功放电路一样，输入信号愈大，失真愈严重，输入信号小时，不产生失真。（ ） （7）在功率放大电路中，电路的输出功率要大和非线性失真要小是对矛盾。（ ）,（8）功率放大电路与电压放大电路、电流放大电路的共同点是 1）都使输出电压大于输入电压；（ ） 2）都使输出电流大于输入电流；（ ） 3）都使输出功率大于信号源提供的输入功率。（ ） （9）功率放大电路与电压放大电路的区别是 1）前者比后者电源电压高；（ ） 2）前者比后者电压放大倍数数值大；（ ） 3）前者比后者效率高；（ ） 4）在电源电压相同的情况下，前者比后者的最大不失真输出电压大；（ ） （10）功率放大电路与电流放大电路的区别是 1）前者比后者电流放大倍数大；（ ） 2）前者比后者效率高；（ ）,二、选择题（310）,1、已知电路如图测1所示，T1和T2管的饱和管压降UCES3V，UCC15V， RL8，。选择正确答案填入空内。 （1