功率放大電路解讀

1、第五章功率放大電路學習要求：前面已經(jīng)介紹了一些電子電路，經(jīng)過這些電路處理后的信號，往往要送到負載，去驅(qū)動一定的裝置。例如，這些裝置有收音機中揚聲器的音圈、電動機控制繞組、計算機監(jiān)視器或電視機的掃描偏轉(zhuǎn)線圈等。這時我們要考慮的不僅僅是輸出的電壓或電流的大小，而是要有一定的功率輸出。這類主要用于向負載提供功率的放大電路常稱為功率放大電路。本章以分析功率放大電路的輸出功率、效率和非線性失真之間的矛盾為主線，逐步提出解決矛盾的措施。在電路方面，以互補對稱功率放大電路為重點進行較詳細的分析與計算，并介紹了集成功率放大器實例。最后，對功率器件的散熱問題、功率BJT和VMO籬等也予以介紹。1熟練掌握如何解決

2、輸出功率、效率和非線性失真三者之間的矛盾；2要熟練掌握乙類互補對稱功率放大電路的組成、分析計算和功率BJT的選擇；3正確理解甲乙互補對稱功放電路的工作原理及計算；4了解各種功率器件及散熱問題；5了解集成功率放大器的使用（可作為選講內(nèi)容）。本章的重點：OCLOTL功率放大器本章的難點：功率放大電路主要參數(shù)分析與計算第一節(jié)功率放大電路的一般問題功放以獲得輸出功率為直接目的。它的一個基本問題就是在電源一定的條件下能輸出多大的信號功率。功率放大器既然要有較大的輸出功率，當然也要求電源供給更大的注入功率。因此，功放的另一基本問題是工作效率問題。即有多少注入功率能轉(zhuǎn)換成信號功率。另外，功放在大信號下的失真

3、，大功率運行時的熱穩(wěn)定性等問題也是需要研究和解決的。一、功率放大電路的特點、基本概念和類型1、特點：(1)輸出功率大效率高(3)大信號工作狀態(tài)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： 工作點Q處于放大區(qū)，基本在負載線的中間，見圖5.1 在輸入信號的整個周期內(nèi)，三極管都有電流通過。 導通角為360度。缺點：效率較低，即使在理想情況下，效率只能達到50%由于有ICQ的存在，無論有沒有信號，電源始終不斷地輸送功率。當沒有信號輸入時，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；當有信號輸入時，其中一部分轉(zhuǎn)化為有用的輸出功率。作用：通常用于小信號電壓放大器；也可以

4、用于小功率的功率放大器。(2)乙類功率放大器如稔(JQ WE特點:工作點Q處于截止區(qū)。半個周期內(nèi)有電流流過三極管,由于ICQ=O,使得沒有信號時,導通角為180 度。管耗很小，從而效率提高。缺點:波形被切掉一半，嚴重失真，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： 工作點Q處于放大區(qū)偏下。 大半個周期內(nèi)有電流流過三極管，導通角大于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：波形被切掉一部分，嚴重失真，如圖5.3所示。作用：用于功率放大。第二節(jié)乙類雙電源互補對稱功率放大電路一、電路組成在圖5.4所示電路中，兩晶體管分別為NPNt和PNP

5、t,由于它們的特性相近，故稱為互補對稱管。Vcc圖5.4靜態(tài)時，兩管的icQ=a有輸入信號時，兩管輪流導通，相互補充。既避免了輸出波形的嚴重失真，又提高了電路的效率。由于兩管互補對方的不足，工作性能對稱，所以這種電路通常稱為互補對稱電路。圖5.5二、分析計算1 .輸出特性曲線的合成因為輸出信號是兩管共同作用的結(jié)果，所以將T1、T2合成一個能反映輸出信號和通過負載的電流的特性曲線。合成時考慮到：(1) vi=0時,VCEQ1=Vcc,-VCEQ2=Vcq因此Q1=Q2。(2)由流過RL的電流方向知ic1與ic2方向相反。即兩個縱坐標軸相反。(3)特性的橫坐標應(yīng)符合：vCE1+vEC2=Vcc-(

6、-Vcc)=2VccvCE1的原點與-vCE2=2Vcc點重合；-vCE2的原點與+vCE1=2Vcc點重合。由以上三點，得兩管的合成曲線如圖5.6所示。這時負載線過Vcc點形成一條斜線，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VCESVcem=IcmRLVCC2 .計算輸出功率Po在輸入正弦信號幅度足夠的前提下，即能驅(qū)使工作點沿負載線在截止點與臨界飽和點之間移動。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的乘積來表示。設(shè)輸出電壓的幅值為Vom則這恰好是圖5.6中4A

7、BQ勺面積。因為Iom=Vom/RL所以P年一亞圖5.5中的T1、T2可以看成工作在射極輸出器狀態(tài)，AV1。當輸入信號足夠大，使Vim=Vom=Vcem=VCCVCESVCC?口Iom=Icm時，可獲得最大的輸出功率2K工2凡2處由上述對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VCCE降低負載阻抗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PT117產(chǎn)Pri=ficd（哂二高嚏-Vg）d（0t）上覆0上o11kZTT.、匕琥HngJ、=f（-%sm*-2-d（出）2%V3sin所-sin&ytd（創(chuàng)）凡ir喂曝K丁Pr =弓+ Pr

8、22尸s%曝、_rLrI_rCJmiLArS-11）&智44、電源提供的功率一曦2公曦匕；_22曦葭江4/嗎若曦”8則叫二4碼5、效率4&J；吟.一匕7LPv242%、4%當對限時1=7”%三、功率BJT的選擇1、最大管耗和最大輸出功率的關(guān)系.,口.11%.門號打4一疊_1（飛曝）&mR工我ZL-TO上令曾二o則噎_J=qd嚎TT2故y竺-0.6%上式表明：當Vom0.6VCC時，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:(1)例題：P220,5.2.3已知：vi為正弦波，RL=8WVCES=0Pom=9W求(1)VCC勺最小值，(2) BJT的ICMK(3) Pom=9慟的

9、Pv(4)BJT的PCM(5)vi的有效值解%二莊三=J2h9=1貨WTarh*!*BJT的ICMIom1.22分r=24y又=簧2x12 1皿fy 11.4 61y(4)“F”0.2Ao,2 梁12,二 Q2x 二1.斷2x8V12彳=卡=陽8.49,J2V2第三節(jié)甲乙類互補對稱功率放大器圖5.5所示電路具有電路簡單，效率高等特點，廣泛用于直流電機和電磁閥控制系統(tǒng)中。但由于BJT的ICQ=0,因此在輸入信號幅度較小時，不可避免地要產(chǎn)生非線性失真-交越失真，如圖5.7所示。明八f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，可以給每個三極管一

10、個很小的靜態(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，讓功率三極管在甲乙類狀態(tài)下工作。增大VBE1+VBE2、甲乙類雙電源互補對稱電路（OCL二艱管偏置9升最擴大由踏偏置%喂式居1 .基本電路甲乙類雙電源互補對稱電路如圖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（注意，圖中末畫出T3的偏置電路）,T1和T2組成互補輸出級。靜態(tài)時，在D1、D2上產(chǎn)生的壓降為T1、T2提供了一個適當?shù)钠珘?，使之處于微導通狀態(tài)。由于電路對稱，靜態(tài)時ic1=ic2,iL=0,vo=0。有信號時，由于電路工作在甲乙類,即使vI很小（D1和

11、D2的交流電阻也小），基本上可線性地進行放大。上述偏置方法的缺點是，其偏置電壓不易調(diào)整。而在圖5.8（b）中，流人T4的基極電流遠小于流過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:印31圖5.9是用NPNt驅(qū)動的OCL電路，其特點與圖5.8所示電路一樣。(1)靜態(tài)時RL上無電流；(2) D1、D2(或R,或RD)供給T1、T2兩管一定的正偏壓，使兩管處于微導通狀態(tài)；(3) RC是T3的集電極負載電阻，

12、A、B兩點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的特性對稱；(5)需要使用對稱的雙電源。、甲乙類雙電源互補對稱電路(OTDD1、基本電路圖5.10是采用一個電源的互補對稱原理電路，圖中由T3組成前置放大級，T1和T2組成互補對稱電路輸出級。靜態(tài)時，一般只要R1、R2有適當?shù)臄?shù)值，就可使IC3、VB2和V1達到所需大小，給T1和T2提供一個合適的偏置，從而使K點電位VK=VCC/2當有信號vi時，在信號的負半周，T1導電，有電流通過負載RL,同時向C充電；在信號的正半周，T2導電，則己充電的電容C起著圖5.8中電源-VCC的作用，通過負載RL放電，如圖5

13、.11所示。只要選擇時間常數(shù)RLC足夠大（比信號的最長周期還大得多），就可以認為用電容C和一個電源VCCM代替原來的+VCCK-VCCM個電源的作用2.電路特點(1)靜態(tài)時RL上無電流；(2) D1、D2(或R,或RD)供給T1、T2兩管一定的正偏壓，使兩管處于微導通狀態(tài)，即工作于甲乙類狀態(tài)；(3) RC3是T3的集電極負載電阻，bl、b2兩點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，具有自動穩(wěn)定Q點的作用，調(diào)節(jié)R2可以調(diào)整VK3

14、.靜態(tài)工作點的調(diào)整電路如圖5.12所示圖5,12(1)VC=0.5VCC的調(diào)整用電壓表測量K點對地的電壓，調(diào)整R2使VK=0.5VCC(2)靜態(tài)電流IC1、IC2的調(diào)整首先將RW勺阻值調(diào)到最小，接通電源后，在輸入端加入正弦信號用示波器測量負載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、存在的問題及解決辦法(1)存在問題上述情況是理想的。實際上，圖5.10的輸出電壓幅值達不到Vom=Vom/2這是因為當vi為負半周時，T1導電，因而iB1增加，由于RC3上的壓降和VBE1的存在，當K點電位向+VCC8近時，T1的基流將受限制而不能增加很多，因而也就限制了T1輸向負載的電流

15、，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)改進辦法如果把圖5.10中D點電位升高，使VA+VCC例如將圖中D點與+VCC勺連線切斷，VD由另一電源供給，則問題即可以得到解決。通常的辦法是在電路中引人R&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%=也-%瑪當R3c昵夠大時，VC3不隨vi變化，可認為基本不變。這樣，當vi為負時，T1導電，vK將由VCC/2向更正方向變化，考慮至ijvD=vC3+vK=VC3+vK顯然，隨著K點電位升高，D點電位vD也自動升高。因而，即使輸出電壓幅度升得很高，也有足夠的電流iB1,使T1充分導電。這種工

16、作方式稱為自舉，意思是電路本身把vD提高了。5、幾點說明(1)由于T1、T2的工作電壓均為0.5Vcc,因而POPTPV等的計算，只須將乙類互補電路指標計算中的Vcc代之以0.5Vcc即可。(2)由于互補對稱電路中的晶體管都采用共集電極的接法，所以輸入電壓必須稍大于輸出電壓。為此，輸入信號需經(jīng)1-2級電壓放大后，再用來驅(qū)動互補對稱功率放大器。(3)應(yīng)采取復合管解決功率互補管的配對問題。異型管的大功率配對比同型管的大功率配對困難。為此，常用一對同型號的大功率管和一對異型號的互補的小功率管來構(gòu)成一對復合管取代互補對稱管。復合管的連接形式如5.145.16所示,圖5 15圖5,1t5其等效電流放大系數(shù)和輸入阻抗可以表示為：”：0P1P2%k=%十。十離)km(4)必要時注意增加功率管保護電路。本章小結(jié)1 .功率放大電路是在大信號下工作，通常采用圖解法進行分析。研究的重點是如何在允許的失真情況下，盡可能提高輸出功率和效率。2 .與甲類功率放大電路相比，乙類互補對稱功率放大電路的主要優(yōu)點是效率高，在理想情況下，其最大效率約為7.85%。為彳證BJT安全工作，雙電源互補對稱電路工作在乙類時，器件的極限參數(shù)必須滿足：PCIMPT1-0.2Pom,V(BB)CEO2VCCICMVCC/