模電第七章功率放大電路

1、第第7章章 功率放大電路功率放大電路7.2 7.2 甲類功率放大器甲類功率放大器7.3 7.3 互補對稱功率放大電路互補對稱功率放大電路7.4 7.4 丙類和丁類功率放大器丙類和丁類功率放大器7.1 7.1 功率放大電路的特點和分類功率放大電路的特點和分類7.5 7.5 集成功率放大器集成功率放大器7.1 功率放大電路的特點和分類功率放大電路的特點和分類v 特點和要求：特點和要求：（1 1）要有盡可能大的輸出功率。）要有盡可能大的輸出功率。（2 2）效率要高。）效率要高。（3 3）非線性失真要小。）非線性失真要小。（4 4）由于功率管工作在接近于極限運用的狀態(tài)，因此，在選擇功）由于功率管工作在

2、接近于極限運用的狀態(tài)，因此，在選擇功率管時必須考慮使它的工作狀態(tài)不超過其極限參數(shù)率管時必須考慮使它的工作狀態(tài)不超過其極限參數(shù) 、 和和 。（5 5）由于功率管的管秏較大，因此，在設(shè)計功放電路時，散熱問）由于功率管的管秏較大，因此，在設(shè)計功放電路時，散熱問題及過載保護問題不能忽視。題及過載保護問題不能忽視。CEOBRU)(CMICMP 功率放大失真或效率等電路研究（深度實驗） 功率放大失真或效率等電路研究功率放大失真或效率等電路研究（深度實驗）（深度實驗） 總諧波失真 (Total Harmonic Distortion)THD 標(biāo)稱額定功率時的失真度 10% 1% 0.1%晶體管圖示儀晶體管圖

3、示儀 失真度儀失真度儀 只提供實驗?zāi)康?、實驗要求等，要自選實驗室的儀器儀表，自己獨立選擇實驗電路、測試電路、改進電路，完成實驗數(shù)據(jù)的記錄和實驗總結(jié)。 深度實驗選題：v提高電壓放大倍數(shù)的穩(wěn)定性v增大共模抑制比v提高功率放大器效率v提高穩(wěn)流系數(shù)v提高穩(wěn)壓系數(shù)v運算放大器的自動增益控制v 等小課題 （學(xué)期內(nèi)完成）（學(xué)期內(nèi)完成）v 常見的分類方式有以下幾種。常見的分類方式有以下幾種。（1 1）按處理信號的頻率分類）按處理信號的頻率分類 低頻功放：音頻范圍在幾十赫茲至幾十干赫茲。低頻功放：音頻范圍在幾十赫茲至幾十干赫茲。 高頻功放：射頻范圍在幾百千赫茲至幾十兆赫茲。高頻功放：射頻范圍在幾百千赫茲至幾十兆

4、赫茲。（2 2）接功放電路中晶體管的導(dǎo)通時間分類）接功放電路中晶體管的導(dǎo)通時間分類 A類功率放大電路類功率放大電路(Class A Amplificating) B類功率放大電路類功率放大電路(Class B Amplificating)： AB類功率放大電路類功率放大電路(Class AB Amplificating) C類功率放大電路類功率放大電路(Class C Amplificating) D類功率放大電路類功率放大電路(Class D Amplificating) E類功率放大電路類功率放大電路 (Class E Amplificating) 圖圖7-1 7-1 功率放大電路的工作狀

5、態(tài)功率放大電路的工作狀態(tài) a）A類類 （甲類（甲類 ） b）B類類 （乙類（乙類 ） c）AB類（甲乙類類（甲乙類 ） d）C類類 （丙類（丙類 ）7.2 甲類功率放大器（甲類功率放大器（A類）類）（1 1）最大交流輸出功率）最大交流輸出功率 集電極電壓達到最大幅值集電極電壓達到最大幅值 CCVUcemax 集電極電流的最大幅值為集電極電流的最大幅值為CQIIcmax 三極管的最大交流輸出功率為三極管的最大交流輸出功率為（正弦波）（正弦波） CQCCcmcemIVIUP2122omax 圖圖7-2（2 2）電源功率）電源功率 由圖中的交流負載線可以知道，交流電流的最大幅值由圖中的交流負載線可以

6、知道，交流電流的最大幅值CQIIcm 所以集電極瞬時電流為所以集電極瞬時電流為 tIItiCQcsin)( CQ 直流電源的輸出功率為直流電源的輸出功率為CQCCCQCCCCCIVdttIIVTdttiVTP)sin(1)(1 CQ V 在輸出功率達到最大的情況下，最大轉(zhuǎn)換效率為在輸出功率達到最大的情況下，最大轉(zhuǎn)換效率為%5021maxCQCCCQCCVoIVIVPPA類功率放大器（甲類）類功率放大器（甲類）當(dāng)輸入信號為零時，輸出功率當(dāng)輸入信號為零時，輸出功率 ，此時三極管功，此時三極管功耗耗 ，即沒有輸人信號時，直流電源的所有功率都，即沒有輸人信號時，直流電源的所有功率都轉(zhuǎn)換為晶體管的功耗晶

7、體管的功耗達到最大；當(dāng)輸入信號轉(zhuǎn)換為晶體管的功耗晶體管的功耗達到最大；當(dāng)輸入信號增大時，增大時， 逐漸變大逐漸變大， 變小，晶體管的功耗反而變小。變小，晶體管的功耗反而變小。（3 3）集電極損耗功率）集電極損耗功率 三極管的損耗功率近似為三極管的損耗功率近似為oTPPPV 0oPV PPToPTP7.3 互補對稱功率放大電路互補對稱功率放大電路7.3.1 OCL7.3.1 OCL功率放大電路功率放大電路1. B1. B類功率放大電路類功率放大電路（乙類）（乙類）圖7-3 B類雙電源功率放大電路a）輸入信號 b）基本電路 c）輸出信號(理想情況)理想化特性理想化特性1. B1. B類功率放大電路

8、類功率放大電路（乙類）（乙類）消除失真的方法：消除失真的方法：設(shè)置合適的靜態(tài)工作點。設(shè)置合適的靜態(tài)工作點。信號在零附近兩信號在零附近兩只管子均截止只管子均截止開啟開啟電壓電壓 2L2oo O RUIUIUPomomom222CESCCUVUomax LCESCCoRUVP2)(2max如果晶體管的飽和壓降為如果晶體管的飽和壓降為 ，則則CESU如果忽略三極管的飽和壓降和穿透電流，負載獲得最大輸出電壓時，如果忽略三極管的飽和壓降和穿透電流，負載獲得最大輸出電壓時，其輸出電壓峰值近似等于電源電壓其輸出電壓峰值近似等于電源電壓V VCCCC，故負載得到的最大輸出功率，故負載得到的最大輸出功率為為1

9、1）輸出功率）輸出功率 2L2maxoRVPCC2 2）直流電源提供的功率）直流電源提供的功率 20)(21tdiVPVCCE0sin1tIiomE)2)()0(ttLomCComCCCCERUVIVtdiVP 201V1)(21LCESCCCCLomCComCCERUVVRUVIVP222因此，兩個電源提供的功率為因此，兩個電源提供的功率為LCCERVP2max2 0CESU如果如果 ，兩個直流電源也提供最大功率，兩個直流電源也提供最大功率3 3）效率）效率 CCCESCCEoVUVPP4max0CESU如果如果 %5 .7844 4）管耗）管耗 LomLCComOEVRURVUPPP222

10、當(dāng)當(dāng) 時，時，CComVU2maxmax222max4 . 042ooLCCVPPRVP單管的最大管耗為單管的最大管耗為 max22max212 . 021oLCCVVVPRVPPP5 5）功率管的選擇）功率管的選擇 功率管集電極的最大允許功耗功率管集電極的最大允許功耗 maxmax2 . 021oVCMPPP 功率管的最大耐壓功率管的最大耐壓CCCROBRVU2)(功率管的最大集電極電流功率管的最大集電極電流 LCCCMRVI2. AB2. AB類互補對稱功率放大電路類互補對稱功率放大電路 0V0V0.5V由于晶體管有死區(qū)電壓由于晶體管有死區(qū)電壓 圖圖7-4 交越失真波形交越失真波形 直流偏

11、壓直流偏壓 圖圖7-5 7-5 甲乙類互補對稱功率放大電路甲乙類互補對稱功率放大電路圖7-6甲乙類互補對稱功率放大電路 3BE3R3R2RUII)1 ( )( )(32BE3323BE332R2CE3BB21RRURRRURRIUU例例7-1 7-1 電路如圖電路如圖7-57-5所示的所示的B B類類OCLOCL功率放大電路的功率放大電路的 , , , , , ,設(shè)輸入信號為正弦波，求：設(shè)輸入信號為正弦波，求：（）最大不失真功率（）最大不失真功率（）計算功率管的參數(shù)（）計算功率管的參數(shù)maxoP、效率、效率21VVPP 、和管秏和管秏V15CCV 4LRV3CESU解：解： （）最大輸出功率（

12、）最大輸出功率 WRUVPLCESCCo1842)315(2)(22max%8 .62154)315(4CCCESCCVUVWRURVUPPPLomLCComOEV67.1042) 315(415) 315(22222 WPPPVVV33. 52121W92 . 021maxmaxoVCMPPPVVUCCCROBR302)(A75. 3415LCCCMRVI（）（） 3. 3. 用復(fù)合管組成的互補對稱電路用復(fù)合管組成的互補對稱電路 （1 1）復(fù)合管）復(fù)合管 圖7-7 復(fù)合管a) NPN與NPN復(fù)合成NPN b) PNP與PNP復(fù)合成PNP c) NPN與PNP復(fù)合成NPN 1 2 復(fù)合管構(gòu)成方

13、式很多。不論哪種等效方式，等效復(fù)合管構(gòu)成方式很多。不論哪種等效方式，等效后晶體管的性能確定均如下：后晶體管的性能確定均如下：d) PNP與NPN復(fù)合成PNP2121121)1 (bccbciiiiibe21be1be21be1be)1 (RRRRiuRbbed) PNP與NPN復(fù)合成PNP（2 2）采用復(fù)合管的互補功率放大電路）采用復(fù)合管的互補功率放大電路 圖7- 復(fù)合管互補對稱功率放大電路 圖7- 準(zhǔn)互補對稱功率放大電路2CCEBIVUUu靜態(tài)時，2)2(CESCComUVU7.3.2 OTL功率放大電路功率放大電路L2CCL2CESCCmaxo8 2)2(RVRUVP圖7-10 單電源互補

14、對稱功率放大電路a) 基本電路 b）甲乙類單電源互補對稱功率放大電路實用單電源互補對稱電路 C C2 2、R R3 3組成組成“自舉電路自舉電路” 圖7-11 實用單電源互補對稱電路7.3.3 BTL功率放大電路功率放大電路 LCESCCoRUVP2)2(2max22CESCComUVUCCCESCCVUV24圖1-3 二聲道功率放大電路的實樣和電路圖（P2）7.4 丙類和丁類功率放大器丙類和丁類功率放大器 7.4.1 7.4.1 丙丙類功率放大電路類功率放大電路（ C類）類）設(shè)輸入一余弦信號設(shè)輸入一余弦信號tUuIcosIm則三極管的發(fā)射結(jié)電壓則三極管的發(fā)射結(jié)電壓 tUVuVuBBIBBBE

15、cosImtnItItIIiCcos2coscoscnmc2mc1mc0Bi因為管子只在小半周期內(nèi)導(dǎo)通，因而因為管子只在小半周期內(nèi)導(dǎo)通，因而Ci為脈沖電流。放大后的為脈沖電流。放大后的也為脈沖電流。根據(jù)傅氏級數(shù)展開得也為脈沖電流。根據(jù)傅氏級數(shù)展開得 tUtRIuCmPCCcoscos1圖7-14 諧振功率放大電路原理圖7.4 丙類和丁類功率放大器丙類和丁類功率放大器 7.4.1 C7.4.1 C類功率放大電路類功率放大電路圖7-1 功率放大電路的工作狀態(tài) a）A類 b）B類 c）AB類 d）C類7.4.2 丁類功率放大電路丁類功率放大電路（ D類類） 圖7-15 PWM型D類功放電路原理圖 a）原理框圖 b）波形圖圖7-16 簡單的PWM型D類功放電路7.5 集成功率放大器集成功率放大器 集成功率放大器具有集成功率放大器具有 輸出功率大、外圍連接元件少、使用方便輸出功率大、外圍連接元件少、使用方便等優(yōu)點，目前使用越來越廣泛。等優(yōu)點，目前使用越來越廣泛。 圖7-18 集成音頻功放LM386的引腳圖LM386內(nèi)部電路原理圖圖7-17 LM386內(nèi)部電路原理圖圖7-19 LM386組成的OTL電路圖7-20 LM386組成的BTL電路7.5 集成功率放大器集成功率放大器 集成功率放大器具有輸出功率大、外圍連接元件少、使用方便等優(yōu)點，目前使用越來越廣泛。 圖7-21 TDA2030A集