功率放大電路基礎(chǔ)知識(shí)講解(doc 17頁(yè)).doc

第三章 功率放大電路第一節(jié) 學(xué)習(xí)要求第二節(jié) 功率放大電路的一般問(wèn)題第三節(jié) 乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路第四節(jié) 甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器第一節(jié) 學(xué)習(xí)要求：1了解功率放大電路的主要特點(diǎn)及其分類；2熟悉常用功放電路的工作原理及最大輸出功率和效率 的計(jì)算；3了解集成功率放大電路及其應(yīng)用。本章的重點(diǎn)：OCL、OTL 功率放大器本章的難點(diǎn)：功率放大電路主要參數(shù)分析與計(jì)算第二節(jié)功率放大電路的一般問(wèn)題功放以獲得輸出功率為直接目的。它的一個(gè)基本問(wèn)題就是在電源一定的條件下能輸出多大的信號(hào)功率。功率放大器既然要有較大的輸出功率，當(dāng)然也要求電源供給更大的注入功率。因此，功放的另一基本問(wèn)題是工作效率問(wèn)題。即有多少注入功率能轉(zhuǎn)換成信號(hào)功率。另外， 功放在大信號(hào)下的失真，大功率運(yùn)行時(shí)的熱穩(wěn)定性等問(wèn)題也是需要研究和解決的。一、功率放大電路的特點(diǎn)、基本概念和類型1、特點(diǎn)：(1) 輸出功率大(2) 效率高(3) 大信號(hào)工作狀態(tài)(4) 功率BJT的散熱2、功率放大電路的類型(1) 甲類功率放大器特點(diǎn)： 工作點(diǎn)Q處于放大區(qū)，基本在負(fù)載線的中間，見圖5.1。 在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)，三極管都有電流通過(guò)。 導(dǎo)通角為360度。缺點(diǎn)：效率較低，即使在理想情況下，效率只能達(dá)到50%。由于有ICQ的存在，無(wú)論有沒(méi)有信號(hào)，電源始終不斷地輸送功率。當(dāng)沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，這些功率全部消耗在晶體管和電阻上，并轉(zhuǎn)化為熱量形式耗散出去；當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，其中一部分轉(zhuǎn)化為有用的輸出功率。作用：通常用于小信號(hào)電壓放大器；也可以用于小功率的功率放大器。(2) 乙類功率放大器 特點(diǎn)： 工作點(diǎn)Q處于截止區(qū)。 半個(gè)周期內(nèi)有電流流過(guò)三極管，導(dǎo)通角為180度。 由于ICQ=0，使得沒(méi)有信號(hào)時(shí)，管耗很小，從而效率提高。缺點(diǎn)：波形被切掉一半，嚴(yán)重失真，如圖5.2所示。作用：用于功率放大。(3) 甲乙類功率放大器特點(diǎn)： 工作點(diǎn)Q處于放大區(qū)偏下。 大半個(gè)周期內(nèi)有電流流過(guò)三極管，導(dǎo)通角大于180度而小于360度。 由于存在較小的ICQ，所以效率較乙類低，較甲類高。 缺點(diǎn)： 波形被切掉一部分，嚴(yán)重失真，如圖5.3所示。作用： 用于功率放大。返回第三節(jié)乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路一、電路組成在圖5.4所示電路中，兩晶體管分別為NPN管和PNP管，由于它們的特性相近，故稱為互補(bǔ)對(duì)稱管。靜態(tài)時(shí)，兩管的ICQ=0；有輸入信號(hào)時(shí)，兩管輪流導(dǎo)通，相互補(bǔ)充 。既避免了輸出波形的嚴(yán)重失真，又提高了電路的效率。由于兩管互補(bǔ)對(duì)方的不足，工作性能對(duì)稱， 所以這種電路通常稱為互補(bǔ)對(duì)稱電路。 二、分析計(jì)算1. 輸出特性曲線的合成因?yàn)檩敵鲂盘?hào)是兩管共同作用的結(jié)果， 所以將T1、T2合成一個(gè)能反映輸出信號(hào)和通過(guò)負(fù)載的電流的特性曲線。合成時(shí)考慮到：（1）vi=0時(shí),VCEQ1=Vcc ， -VCEQ2=Vcc， 因此 Q1=Q2 。（2）由流過(guò)RL的電流方向知ic1與ic2方向相反。即兩個(gè)縱坐標(biāo)軸相反。（3）特性的橫坐標(biāo)應(yīng)符合：vCE1+vEC2=Vcc-(-Vcc)=2Vcc vCE1的原點(diǎn)與-vCE2=2Vcc點(diǎn)重合；-vCE2的原點(diǎn)與+vCE1=2Vcc點(diǎn)重合。由以上三點(diǎn)，得兩管的合成曲線如圖5.6所示。這時(shí)負(fù)載線過(guò)Vcc點(diǎn)形成一條斜線，其斜率為-/RL。顯然，允許的iC的最大變化范圍為2ICm，vCE的變化范圍為2（VCC-VCES）=2Vcem=2IcmRL。如果忽略BJT的飽和壓降VCES，Vcem=IcmRLVCC。2. 計(jì)算輸出功率Po在輸入正弦信號(hào)幅度足夠的前提下，即能驅(qū)使工作點(diǎn)沿負(fù)載線在截止點(diǎn)與臨界飽和點(diǎn)之間移動(dòng)。如圖5.6所示波形。 輸出功率用輸出電壓有效值V0和輸出電流I0的乘積來(lái)表示。設(shè)輸出電壓的幅值為Vom，則這恰好是圖5.6中ABQ的面積。因?yàn)镮om=Vom/RL，所以圖5.5中的T1 、T2可以看成工作在射極輸出器狀態(tài)，AV1。當(dāng)輸入信號(hào)足夠大，使Vim=Vom= Vcem= VCC- VCES VCC和Iom=Icm時(shí)，可獲得最大的輸出功率 由上述對(duì)Po的討論可知，要提供放大器的輸出功率，可以增大電源電壓VCC或降低負(fù)載阻抗RL。 但必須正確選擇功率三極管的參數(shù)和施加必要的散熱條件，以保證其安全工作。3.BJT的管耗PT4、電源提供的功率5、效率三、功率BJT的選擇1、最大管耗和最大輸出功率的關(guān)系上式表明：當(dāng)Vom 0.6VCC時(shí)，BJT具有最大的管耗，因此，功率三極管的選擇應(yīng)滿足以下條件： 例題：P220，5.2.3已知：vi為正弦波，RL=8W， VCES=0，Pom=9W求 （1）VCC的最小值， （2）BJT的ICM、 （3）Pom=9W時(shí)的Pv （4）BJT的PCM （5）vi的有效值解(1)(2)BJT的ICM Iom返回第四節(jié)甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器圖5.5所示電路具有電路簡(jiǎn)單，效率高等特點(diǎn)，廣泛用于直流電機(jī)和電磁閥控制系統(tǒng)中。 但由于BJT的ICQ=0, 因此在輸入信號(hào)幅度較小時(shí)，不可避免地要產(chǎn)生非線性失真 -交越失真，如圖5.7所示。產(chǎn)生交越失真的原因：功率三極管處于零偏置狀態(tài)，即：VBE1+VBE2=0 解決辦法：為消除交越失真，可以給每個(gè)三極管一個(gè)很小的靜態(tài)電流，這樣既能減少交越失真， 又不至于使功率和效率有太大影響。就是說(shuō)，讓功率三極管在甲乙類狀態(tài)下工作。增大VBE1+VBE2。一、甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路（OCL）1. 基本電路甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路如圖5.8所示。其中圖5.8（a）所示的偏置電路是克服交越失真的一種方法。由圖可見， T3組成前置放大級(jí)(注意,圖中末畫出T3的偏置電路),T1和T2組成互補(bǔ)輸出級(jí)。靜態(tài)時(shí),在D1、D2上產(chǎn)生的壓降為T1、 T2提供了一個(gè)適當(dāng)?shù)钠珘?使之處于微導(dǎo)通狀態(tài)。由于電路對(duì)稱，靜態(tài)時(shí)ic1=ic2,iL=0, vo=0。有信號(hào)時(shí)，由于電路工作在甲乙類, 即使vI很小(D1和D2的交流電阻也小)， 基本上可線性地進(jìn)行放大。上述偏置方法的缺點(diǎn)是，其偏置電壓不易調(diào)整。而在圖 5.8（b）中， 流人T4的基極電流遠(yuǎn)小于流過(guò) R1、 R2的電流， 則由圖可求出VCE4=VBE4(R1+R2)/R2，因此，利用T4管的VBE4基本為一固定值(硅管約為0.60.7V)，只要適當(dāng)調(diào)節(jié)R1、R2的比值,就可改變T1、T2的偏壓值。這種方法，在集成電路中經(jīng)常用到。2. 特點(diǎn)： 圖5.9是用NPN管驅(qū)動(dòng)的OCL電路，其特點(diǎn)與圖5.8所示電路一樣。（1） 靜態(tài)時(shí)RL上無(wú)電流 ；（2） D1、D2（或R，或R、D）供給T1、T2兩管一定的正偏壓，使兩管處于微導(dǎo)通狀態(tài) ；（3） RC是T3的集電極負(fù)載電阻， A、B兩點(diǎn)的直流電位差始終為1.4V左右，但交流電壓的變化量相等；（4）電路要求T1、T2的特性對(duì)稱；（5）需要使用對(duì)稱的雙電源。二、甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路（OTL）1、基本電路圖5.10是采用一個(gè)電源的互補(bǔ)對(duì)稱原理電路， 圖中由T3組成前置放大級(jí)，T1和T2組成互補(bǔ)對(duì)稱電路輸出級(jí)。靜態(tài)時(shí)，一般只要R1、R2有適當(dāng)?shù)臄?shù)值，就可使IC3、VB2和V1達(dá)到所需大小，給T1和T2提供一個(gè)合適的偏置，從而使K點(diǎn)電位VK=VCC/2。當(dāng)有信號(hào)vi時(shí)， 在信號(hào)的負(fù)半周， T1導(dǎo)電，有電流通過(guò)負(fù)載RL,同時(shí)向C充電；在信號(hào)的正半周，T2導(dǎo)電，則己充電的電容C起著圖5.8中電源-VCC的作用，通過(guò)負(fù)載RL放電，如圖5.11所示。 只要選擇時(shí)間常數(shù)RLC足夠大(比信號(hào)的最長(zhǎng)周期還大得多)， 就可以認(rèn)為用電容C和一個(gè)電源VCC可代替原來(lái)的+VCC和-VCC兩個(gè)電源的作用。2. 電路特點(diǎn)（1） 靜態(tài)時(shí)RL上無(wú)電流 ；（2） D1、D2（或R，或R、D）供給T1、T2兩管一定的正偏壓，使兩管處于微導(dǎo)通狀態(tài) ，即工作于甲乙類狀態(tài)；（3） RC3是T3的集電極負(fù)載電阻，b1、b2兩點(diǎn)的直流電位差始終為1.4V左右，但交流電壓的變化量相等；（4）僅需使用單電源，但增加了電容器C,C的選擇要滿足? =RLC足夠大（比vi的最大周期還要大得多），使VC=0.5VCC；（5）T3的偏置電壓取自K點(diǎn),具有自動(dòng)穩(wěn)定Q點(diǎn)的作用，調(diào)節(jié)R2可以調(diào)整VK。3. 靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)整電路如圖5.12所示。（1） VC=0.5VCC 的調(diào)整用電壓表測(cè)量K點(diǎn)對(duì)地的電壓，調(diào)整R2使VK=0.5VCC。（2）靜態(tài)電流IC1、IC2的調(diào)整首先將RW的阻值調(diào)到最小，接通電源后， 在輸入端加入正弦信號(hào)用示波器測(cè)量負(fù)載RL兩端的電壓波形， 然后調(diào)整RW，輸出波形的交越失真剛好消失為止。4、存在的問(wèn)題及解決辦法（1）存在問(wèn)題上述情況是理想的。實(shí)際上，圖5.10的輸出電壓幅值達(dá)不到Vom= Vom/2，這是因?yàn)楫?dāng)vi為負(fù)半周時(shí)，T1導(dǎo)電，因而iB1增加，由于RC3上的壓降和VBE1的存在，當(dāng)K點(diǎn)電位向+VCC接近時(shí)，T1的基流將受限制而不能增加很多，因而也就限制了T1輸向負(fù)載的電流，使RL兩端得不到足夠的電壓變化量，致使Vom明顯小于VCC/2。（2）改進(jìn)辦法如果把圖5.10中D點(diǎn)電位升高， 使VD+VCC， 例如將圖中D點(diǎn)與+VCC的連線切斷，VD由另一電源供給，則問(wèn)題即可以得到解決。通常的辦法是在電路中引人R3、C3等元件組成的所謂自舉電路，如圖5.13所示。（3）自舉電路的作用靜態(tài)時(shí)當(dāng)R3C3足夠大時(shí)，VC3不隨vi變化，可認(rèn)為基本不變。這樣，當(dāng)vi為負(fù)時(shí)，T1導(dǎo)電， vK將由VCC/2向更正方向變化， 考慮到vD=vC3+vK= VC3+vK，顯然，隨著K點(diǎn)電位升高，D點(diǎn)電位vD也自動(dòng)升高。 因而，即使輸出電壓幅度升得很高，也有足夠的電流iB1，使T1充分導(dǎo)電。這種工作方式稱為自舉，意思是電路本身把vD提高了。5、幾點(diǎn)說(shuō)明（1）由于T1、T2的工作電壓均為0.5Vcc，因而PO、PT、PV等的計(jì)算，只須將乙類互補(bǔ)電路指標(biāo)計(jì)算中的Vcc代之以0.5Vcc即可。（2）由于互補(bǔ)對(duì)稱電路中的晶體管都采用