功率放大電路

1、課題項(xiàng)目:音頻放大電路器的制作 任務(wù)：功率放大電路的制作課程名稱(chēng)實(shí)用模擬電子電子技術(shù)項(xiàng)目教程授課類(lèi)型新授班級(jí)13應(yīng)用電子3+2班日期2014.5.6課時(shí)6教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：了解功率放大電路的常見(jiàn)類(lèi)型，區(qū)分OCL功率放大電路與OTL功率放大電路的結(jié)構(gòu)，分析其工作原理。安裝調(diào)試常用集成音頻功率放大電路能力目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生的理解能力，分析能力，動(dòng)手能力情感目標(biāo)：能安裝調(diào)試音頻放大電路教學(xué)重點(diǎn)功率放大電路的結(jié)構(gòu)，工作原理教學(xué)難點(diǎn)功率放大電路的結(jié)構(gòu)，工作原理教學(xué)方法講述法；演示法；案例教學(xué)法課前準(zhǔn)備1.相關(guān)項(xiàng)目模塊2.參考教材3.教案教學(xué)后記及改進(jìn)措施課 堂 教 學(xué) 安 排一、功率放大電路的特點(diǎn)功率放大電

2、路在多級(jí)放大電路中處于最后一級(jí)，又稱(chēng)輸出級(jí)，其任務(wù)是輸出足夠大的功率去驅(qū)動(dòng)負(fù)載，如揚(yáng)聲器、伺服電動(dòng)機(jī)、指示儀表等。從能量控制的觀點(diǎn)來(lái)看，功率放大電路與電壓放大電路沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，但由于功率放大電路的任務(wù)是輸出功率，通常在大信號(hào)狀態(tài)下工作，所以功率放大電路與電壓放大電路相比，功率放大電路又有一些新的特點(diǎn)：1.輸出功率大為了獲得大的功率輸出，功放管的輸出電壓和電流的幅度足夠大，往往在接近極限狀態(tài)下工作。 2.效率高由于輸出功率大，因此直流電源消耗的功率也大，這就存在一個(gè)效率問(wèn)題。所謂效率就是負(fù)載得到的有用信號(hào)功率和電源供給的直流功率的比值。 3.非線性失真功率放大電路是在大信號(hào)下工作，通常工作在在

3、飽和區(qū)與截止區(qū)的邊沿，所以不可避免地會(huì)產(chǎn)生非線性失真。 4.三極管的散熱功率放大器在輸出功率的同時(shí)，三極管消耗的能量亦較大，為了充分利用允許的管耗而使三極管輸出足夠大的功率，三極管的散熱就成為一個(gè)重要問(wèn)題。 5.性能指標(biāo) 以分析功率為主，主要計(jì)算輸出功率、管子消耗功率、電源供給的功率和效率。 此外，在分析方法上，由于三極管處于大信號(hào)下工作，通常采用圖解法。二、功率放大電路的分類(lèi)根據(jù)功率放大電路中三極管靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置的不同，可分成甲類(lèi)、乙類(lèi)和甲乙類(lèi)三種甲類(lèi)放大器的工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)的中間，這種電路的優(yōu)點(diǎn)是在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)三極管都處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出信號(hào)失真較?。ㄇ懊嬗懻摰碾妷悍糯笃鞫脊ぷ髟谶@

4、種狀態(tài)），缺點(diǎn)是在沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，三極管有較大的靜態(tài)電流，這時(shí)管耗大, 電路能量轉(zhuǎn)換效率低。乙類(lèi)放大器的工作點(diǎn)設(shè)置在截止區(qū)，這時(shí), 由于三極管的靜態(tài)電流=0， 所以能量轉(zhuǎn)換效率高，它的缺點(diǎn)是只能對(duì)半個(gè)周期的輸入信號(hào)進(jìn)行放大，非線性失真大。 甲乙類(lèi)放大電路的工作點(diǎn)設(shè)在放大區(qū)但接近截止區(qū)，靜態(tài)時(shí)三極管處于微導(dǎo)通狀態(tài)，這樣可以有效克服乙類(lèi)放大電路的失真問(wèn)題，且能量轉(zhuǎn)換效率也較高，目前使用較廣泛。乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率大電路（OCL電路）一、電路組成及工作原理圖5.2.2(a)是雙電源乙類(lèi)互補(bǔ)功率放大電路。 這類(lèi)電路又稱(chēng)無(wú)輸出電容的功率放大電路，簡(jiǎn)稱(chēng)OCL電路。為NPN型管，為PNP型管,兩管參數(shù)對(duì)稱(chēng)。兩管

5、的基極相連作為輸入端，兩管的射極相連作為接負(fù)載的輸出端，兩管的集電極分別接上一組正電源和一組負(fù)電源。從電路可知，每個(gè)管子組成共集電極組態(tài)放大電路，即射極電壓跟隨器電路。 1.靜態(tài)分析靜態(tài)時(shí)，由于電路無(wú)偏置電壓，兩三極管都工作在截止區(qū)，此時(shí)、均為零，負(fù)載上無(wú)電流通過(guò)，輸出電壓。2.動(dòng)態(tài)分析設(shè)輸入信號(hào)為正弦電壓，如圖5.2.2(b)所示。在輸入信號(hào)為正半周，三極管導(dǎo)通，截止，管的射極電流經(jīng)自上而下流過(guò)負(fù)載，在上形成正半周輸出電壓，。在輸入信號(hào)為負(fù)半周，三極管導(dǎo)通，截止，管的射極電流經(jīng)自下而上流過(guò)負(fù)載，在負(fù)載上形成負(fù)半周輸出電壓，。這樣在負(fù)載上獲得了完整的正弦波信號(hào)電壓，如圖5.2.2(c)所示。輸

6、出電壓雖未被放大，但由于，具有電流放大作用，因此具有功率放大作用。這種電路的結(jié)構(gòu)和工作情況處于對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，且兩管在信號(hào)的正、負(fù)半周輪流導(dǎo)通工作，故稱(chēng)之為互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路。圖5.2.3中顯示了乙類(lèi)對(duì)稱(chēng)互補(bǔ)功率放大電路的電流和電壓的波形。圖中為了便于分析，將管的特性曲線倒置在特性曲線的右下方。由圖可見(jiàn)，允許的的最大變化范圍為，的變化范圍為，如果忽略管子的飽和壓降，則。二、乙類(lèi)雙電源互補(bǔ)功率放大電路功率參數(shù)計(jì)算對(duì)功率放大電路主要根據(jù)圖5.2.3所示的正弦波形來(lái)分析計(jì)算輸出功率、電源供給功率、管耗及效率等參數(shù)。1.輸出功率輸出功率是負(fù)載上的電流和電壓有效值的乘積，即 當(dāng)信號(hào)足夠大時(shí)，所以最大不失真輸出功率

7、2.直流電源供給的功率直流電源供給的功率是電源供給管子的電流平均值與電源電壓的乘積。我們知道，對(duì)于最大電流為的正弦半波電流，其直流平均電流，所以,電源提供的功率 考慮到正、負(fù)兩組電源供電，所以電路電源供給的總功率 當(dāng)輸出功率做大時(shí)，所以 3.管耗電源供給的功率的一部分轉(zhuǎn)化為功率輸出后，其余部分消耗在功率管上變?yōu)闊崃?，利用式和?.2.4）可得 顯然，當(dāng)，即無(wú)信號(hào)時(shí)，管子的損耗為零。當(dāng)輸出電壓時(shí)，由式可求出乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路每個(gè)管子的管耗為 0.137 可用求極值的方法，求出最大管耗。對(duì)式（5.2.6）求導(dǎo)，并令其為零 得 說(shuō)明當(dāng)0.6時(shí)，管耗最大，代入式（5.2.6）得到每只管子的最大功耗值為

8、0.24.效率效率是指輸出功率與電源供給的功率之比，即 當(dāng)時(shí) 78.5 5.功率管的選擇條件功率管的極限參數(shù)、，應(yīng)滿足下列條件（1）功率管最大允許功耗0.2 （2）功率管的最大耐壓 2 這是由于，當(dāng)一只管子飽和導(dǎo)通時(shí)，另一只管子承受的最高反壓為2。（3）功率管的最大集電極電流 甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路一、甲乙類(lèi)雙電源互不對(duì)稱(chēng)功率放大電路（OCL）1.交越失真前面討論了有兩個(gè)射極輸出器組成的乙類(lèi)基本互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路圖5.2.2（a），實(shí)際上這種電路并不能使輸出波形很好地反映輸入的變化，由于沒(méi)有直流偏置，管子的必須在大于一個(gè)數(shù)值（即門(mén)坎電壓，硅管約為0.6V，鍺管約為0.2 V）時(shí)，才有顯著變化。當(dāng)

9、輸入信號(hào)低于這個(gè)數(shù)值時(shí)，和管都截止，和基本為零，負(fù)載上無(wú)電流電壓，出現(xiàn)一段死區(qū)，如圖5.3.1所示。這種現(xiàn)象稱(chēng)為交越失真。 2.甲乙類(lèi)雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路 為減少和克服交越失真，通常采用圖5.2.5所示的電路。由前置激勵(lì)電壓放大級(jí)上的集電極靜態(tài)電流流經(jīng)、形成的壓降，供給和兩管一定的正偏壓，使兩管在靜態(tài)時(shí)處于微導(dǎo)通狀態(tài)。由于電路對(duì)稱(chēng)，兩管的靜態(tài)電流相等，因而負(fù)載上無(wú)靜態(tài)電流流過(guò)，兩管的發(fā)射極電壓=0。這樣，當(dāng)有信號(hào)時(shí)，就可使放大器輸出在零點(diǎn)附近仍能基本得到放大，也就是和 基本呈線性關(guān)系，此時(shí)電路就工作在甲乙類(lèi)。但是，為了提高工作效率，在設(shè)置偏壓時(shí)，應(yīng)盡可能接近乙類(lèi)狀態(tài)。二、甲乙類(lèi)單電源互補(bǔ)

10、對(duì)稱(chēng)功率放大電路（OTL）1.基本電路及工作原理 雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路由于靜態(tài)時(shí)輸出端電位為零，負(fù)載可以直接連接，不需要耦合電容，因而它具有低頻響應(yīng)好、輸出功率大、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，但需要雙電源供電，使用起來(lái)有時(shí)會(huì)感到不便，如果采用單電源供電，只需在兩管發(fā)射極與負(fù)載之間接入一個(gè)大容量電容即可。這種電路通常又稱(chēng)無(wú)輸出變壓器的電路，簡(jiǎn)稱(chēng)OTL電路，如圖5.2.6所示。圖中組成前置放大級(jí)，和組成互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路輸出級(jí)。靜態(tài)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)的阻值，可使點(diǎn)的電位，電容兩端的靜態(tài)電壓也為，這樣兩管的集、射極之間如同分別加上了和的電源電壓，取代了雙電源功放電路中的。另外，點(diǎn)的電位通過(guò)、分壓后，作為管放大電路的偏

11、置電壓。當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，在信號(hào)的負(fù)半周，的集電極電壓信號(hào)為正半周，導(dǎo)通，截止，以射極輸出器形式將信號(hào)傳送給負(fù)載, 同時(shí)對(duì)電容充電，隨著輸入信號(hào)的減小，點(diǎn)的電位逐漸上升。若輸入信號(hào)足夠大，在輸入信號(hào)到達(dá)負(fù)的幅值時(shí)刻，處于飽和狀態(tài)，點(diǎn)的電位接近于，由于電容的容量大，其兩端的電壓基本不變，使負(fù)載獲得輸出信號(hào)電壓正半周的幅值為；在輸入信號(hào)的正半周，的集電極電壓信號(hào)為負(fù)半周，導(dǎo)通，截止，這時(shí)電容上的電壓（）作為管的直流工作電源，通過(guò)向放電，只要選擇時(shí)間常數(shù)足夠大（比信號(hào)周期大得多），可認(rèn)為電容兩端的電壓基本不變，隨著輸入信號(hào)的增加，點(diǎn)的電位逐漸下降，若輸入信號(hào)足夠大，在輸入信號(hào)到達(dá)正幅值時(shí)刻，處于飽和狀

12、態(tài)，點(diǎn)的電位接近于0，使負(fù)載獲得輸出信號(hào)負(fù)半周電壓的幅值為。2.功率參數(shù)的計(jì)算單電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功放電路的每一個(gè)功率管的實(shí)際工作電壓為，為雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路功放電路功率管電源電壓的一半。因此在計(jì)算功率參數(shù)時(shí)，可利用雙電源功放電路的計(jì)算公式（5.2.1）（5.2.13），只需將其中的參數(shù)全部改為就可以了。例如最大輸出信號(hào)電壓的幅值為，而其最大輸出功率。 3.具有自舉電路的電路 從上述單電源互不對(duì)稱(chēng)功放電路的分析可知，在輸入信號(hào)作用下，負(fù)載兩端可獲得輸出電壓最大幅值為。上述情況時(shí)理想的，實(shí)際上，圖5.2.6是達(dá)不到的，這是因?yàn)楫?dāng)為負(fù)半周時(shí)，導(dǎo)通，它輸出到負(fù)載的電流增加，因而的基極電流也增加，由于的壓降

13、和的存在，當(dāng)點(diǎn)的電位向接近時(shí)，的基極電流將受限制而不能增加很多，因而也就限制了輸向負(fù)載的電流，式負(fù)載兩端得不到足夠的電壓變化量，致使輸出電壓幅值遠(yuǎn)小于。圖5.2.7所示為具有自舉電路的單電源甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功放電路，該電路在圖5.2.6電路的基礎(chǔ)上增加了由、組成的自舉電路。靜態(tài)時(shí)，若不考慮上較小的壓降，而，因此電容兩端電壓被充電到。在動(dòng)態(tài)時(shí)，由于的時(shí)間常數(shù)足夠大，電容兩端電壓基本不變，不隨輸入信號(hào)的的變化而改變。這樣當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)半周時(shí)，導(dǎo)通，將有向更正的方向變化，考慮到點(diǎn)的電位，顯然，隨著點(diǎn)的電位升高，點(diǎn)的電位也自動(dòng)升高。在對(duì)和電源隔離作用下，可使，這樣即使輸出電壓幅度升得很高，也有足夠的電流

14、流過(guò)的基極，使充分導(dǎo)通，使接近。這種工作方式稱(chēng)為自舉，意思是電路本身把提高了。值得注意的是，圖5.2.7中的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路與前置級(jí)是直接耦合的，前后級(jí)之間存在著互相聯(lián)系何影響。調(diào)整時(shí)不能采用分級(jí)調(diào)整的方法，因此調(diào)整比較困難。對(duì)于圖5.2.7電路，一般可以改變的阻值的大小來(lái)改變，從而改變、的基極電位，使和的集電極和發(fā)射極之間的電壓相等（均為）。用來(lái)調(diào)節(jié)消除交越失真，使交越失真剛好消除。但由于調(diào)節(jié)是為了改變的大小，這又會(huì)影響、的基極電位，致使功率管工作點(diǎn)改變，因此又可能重新產(chǎn)生交越失真或過(guò)調(diào)。調(diào)節(jié)雖能消除交越失真，但又會(huì)影響點(diǎn)的電位。因此，和要反復(fù)調(diào)整才能符合要求。另外，在調(diào)整時(shí)，千萬(wàn)不能將、斷開(kāi)，否則，會(huì)使的基極電位升高，的基極電位變低，使、的電流變得很大而導(dǎo)致?lián)p壞。復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路在輸出功率要求較大時(shí)，輸出管就要求采用中功率或大功率管。但是，要是較大功率的和管的輸入特性和輸出特性都接近是很困難的，而選擇特性相同的兩個(gè)管或兩個(gè)管作輸出，則比較容易。可是這樣在一個(gè)信號(hào)作用下難以實(shí)現(xiàn)兩輸出管交替工作。解決這個(gè)矛盾的方法通常時(shí)采