功率放大電路的特殊問(wèn)題

1、6.1 功率放大電路的功率放大電路的特殊問(wèn)題特殊問(wèn)題 l 輸出功率為主要技術(shù)指標(biāo)。輸出功率為主要技術(shù)指標(biāo)。 晶體管起能量轉(zhuǎn)換作用：晶體管起能量轉(zhuǎn)換作用： 電源提供的電源提供的直流電能直流電能轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化為由信號(hào)控制的為由信號(hào)控制的輸出交輸出交變電能變電能。l 功率放大簡(jiǎn)稱(chēng)功率放大簡(jiǎn)稱(chēng)功放功放，l 與電壓放大電路相比較，與電壓放大電路相比較，主要考慮以下問(wèn)題主要考慮以下問(wèn)題。 第第6章章 功率放大電路功率放大電路 輸出大功率輸出大功率l輸出功率輸出功率是指受信號(hào)控制的輸出交變電是指受信號(hào)控制的輸出交變電壓和交變電流的乘積，即負(fù)載所得到的壓和交變電流的乘積，即負(fù)載所得到的功率。功率。l要求要求功放管功

2、放管輸出大電流和電壓輸出大電流和電壓。l功放管工作在功放管工作在接近極限狀態(tài)接近極限狀態(tài)，選擇功放，選擇功放管要考慮極限參數(shù)。管要考慮極限參數(shù)。6.1 功率放大電路的特殊問(wèn)題功率放大電路的特殊問(wèn)題 提高效率提高效率 l功率放大電路的功率放大電路的效率效率(Efficiency)是指負(fù)是指負(fù)載得到的載得到的信號(hào)功率信號(hào)功率與與電源供給的電源供給的直流功直流功率率之比之比。l提高效率提高效率可以在相同輸出功率的條件下，可以在相同輸出功率的條件下，減小能量損耗，減小電源容量，降低成減小能量損耗，減小電源容量，降低成本。本。 減小失真減小失真 原因：功率放大電路的工作電流和電壓原因：功率放大電路的工作

3、電流和電壓要要超過(guò)特性曲線的線性范圍超過(guò)特性曲線的線性范圍，甚至接近，甚至接近于晶體管的飽和區(qū)和截止區(qū)。于晶體管的飽和區(qū)和截止區(qū)。造成非線性失真較嚴(yán)重，因此在使用中造成非線性失真較嚴(yán)重，因此在使用中必須必須兼顧兼顧提高交流提高交流輸出功率輸出功率和減小和減小非線非線性失真性失真這兩方面的指標(biāo)。這兩方面的指標(biāo)。 改善熱穩(wěn)定性改善熱穩(wěn)定性 l原因：原因：集電結(jié)上損耗功率大集電結(jié)上損耗功率大，會(huì)引起功放，會(huì)引起功放管結(jié)溫上升，可能會(huì)導(dǎo)致管子燒毀。管結(jié)溫上升，可能會(huì)導(dǎo)致管子燒毀。l因此大功率管都要因此大功率管都要安裝散熱器安裝散熱器，以便獲得，以便獲得大的輸出功率。大的輸出功率。l如何提高效率？如何提

4、高效率？甲類(lèi)工作狀態(tài)甲類(lèi)工作狀態(tài)l 管子導(dǎo)通時(shí)間為一個(gè)周期管子導(dǎo)通時(shí)間為一個(gè)周期。在單管放大電路中，。在單管放大電路中，為了得到不失真的輸出波形，將靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置為了得到不失真的輸出波形，將靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在合適位置。在合適位置。l 靜態(tài)時(shí)功耗大靜態(tài)時(shí)功耗大。iCiCtuCEQ00(a) 甲類(lèi)甲類(lèi)iC大于大于0乙類(lèi)工作狀態(tài)乙類(lèi)工作狀態(tài)l 導(dǎo)通時(shí)間為半個(gè)周期導(dǎo)通時(shí)間為半個(gè)周期。其工作點(diǎn)設(shè)置在截止區(qū)。其工作點(diǎn)設(shè)置在截止區(qū)。l 出現(xiàn)了嚴(yán)重的波形失真出現(xiàn)了嚴(yán)重的波形失真。iCiCtuCEQ00(c) 乙類(lèi)乙類(lèi)iC = 0的時(shí)間為半個(gè)周期的時(shí)間為半個(gè)周期甲乙類(lèi)甲乙類(lèi)工作狀態(tài)工作狀態(tài)l 導(dǎo)通時(shí)間大于半個(gè)周期

5、，小于一個(gè)周期。導(dǎo)通時(shí)間大于半個(gè)周期，小于一個(gè)周期。其工其工作點(diǎn)設(shè)置靠近截止區(qū)。作點(diǎn)設(shè)置靠近截止區(qū)。l 甲乙類(lèi)放大，甲乙類(lèi)放大，減小了靜態(tài)功耗減小了靜態(tài)功耗，但也出現(xiàn)了嚴(yán)但也出現(xiàn)了嚴(yán)重的波形失真重的波形失真。iCiCtuCEQ00(b) 甲類(lèi)甲類(lèi)iC = 0的時(shí)間小于半個(gè)周期的時(shí)間小于半個(gè)周期l功率放大器功率放大器：希望輸出功率大，電源功率：希望輸出功率大，電源功率消耗少，效率高。消耗少，效率高。l甲乙類(lèi)和乙類(lèi)放大甲乙類(lèi)和乙類(lèi)放大：減小了靜態(tài)功耗，但：減小了靜態(tài)功耗，但都出現(xiàn)了嚴(yán)重的波形失真。都出現(xiàn)了嚴(yán)重的波形失真。l為了利用其效率高的優(yōu)點(diǎn)，克服其削波失為了利用其效率高的優(yōu)點(diǎn)，克服其削波失真的

6、缺點(diǎn)，真的缺點(diǎn)，通常采用乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)放大電通常采用乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)放大電路路。1. 雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路 l 雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路又稱(chēng)無(wú)輸出電容電路，簡(jiǎn)稱(chēng)雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路又稱(chēng)無(wú)輸出電容電路，簡(jiǎn)稱(chēng)OCL(Output Capacitor Less) 電路電路。6.2 互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路 電路組成電路組成 ui0tuo0tiC1+VCC-VCCuiuoT1ioT2RL+_iC2l靜態(tài)靜態(tài)l動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)交越失真交越失真l 由于由于T1、T2管輸入特性存在死區(qū)，所以管輸入特性存在死區(qū)，所以輸出波輸出波形在信號(hào)過(guò)零附近產(chǎn)生失真形在信號(hào)過(guò)零附近產(chǎn)生失真交越失真交越失真。l 原

7、因原因：假設(shè)：假設(shè)T1、T2的死區(qū)電壓都是的死區(qū)電壓都是0.6V，那么，那么在輸入信號(hào)電壓在輸入信號(hào)電壓|Ui|0.6V期間，期間，T1和和T2截止，截止，輸出電壓為零，得到如圖所示失真了的波形，輸出電壓為零，得到如圖所示失真了的波形，圖6-3交越失真波形uiuott00消除交越失真的辦法消除交越失真的辦法 uo+VCCT1R3D1R1T2RL-VCC+ui+_D2圖6-4 消除交越失真的電路讓讓T1和和T2在靜態(tài)時(shí)就微導(dǎo)通。在靜態(tài)時(shí)就微導(dǎo)通。為此在為此在T1和和T2的基極之間接入的基極之間接入一個(gè)直流電壓。一個(gè)直流電壓。無(wú)論信號(hào)為正或?yàn)樨?fù)，都至少無(wú)論信號(hào)為正或?yàn)樨?fù)，都至少有一個(gè)管子導(dǎo)通，交越

8、失真也就有一個(gè)管子導(dǎo)通，交越失真也就不存在了。不存在了。 分析計(jì)算分析計(jì)算 l在對(duì)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)。由于管子在對(duì)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)。由于管子在大信號(hào)下工作，所以必須利用在大信號(hào)下工作，所以必須利用圖解分析圖解分析進(jìn)行分進(jìn)行分析。析。 輸出功率輸出功率l為了便于觀察互補(bǔ)電路中的每個(gè)管子的電流電為了便于觀察互補(bǔ)電路中的每個(gè)管子的電流電壓波形，壓波形，把把T2管特性曲線倒置于管特性曲線倒置于T1管特性曲線的管特性曲線的右下方右下方，并令二者在，并令二者在UCEQ = VCC處對(duì)準(zhǔn)，如圖所處對(duì)準(zhǔn)，如圖所示。示。L1Rl負(fù)載線通過(guò)負(fù)載線通過(guò)Q點(diǎn)點(diǎn)(UCE =VCC，iC=0)，且斜率為

9、，且斜率為 的直線。的直線。tiC1Q00iC1uCE10iC2uCE2uCES2VCC2VCCiC2Quce1uce2VCCVCCUcemT2導(dǎo)通導(dǎo)通T1導(dǎo)通導(dǎo)通T1截止截止T2截止截止220-1/RL-1/RLPT1T2Nl輸出功率輸出功率Po可以根據(jù)功率表達(dá)式可以根據(jù)功率表達(dá)式P = U2/R（U是交流有效值）求得，即是交流有效值）求得，即L2cemL2cemo2)2(RURUPcemcmcemLcemo2121UIURUP 輸出功率輸出功率理想條件下的理想條件下的最大輸出功率最大輸出功率l若輸入的正弦信號(hào)的幅度足夠大，并忽略若輸入的正弦信號(hào)的幅度足夠大，并忽略管子的飽和壓降管子的飽和壓

10、降UCES。lRL上最大的輸出電壓幅度上最大的輸出電壓幅度Ucem=VCC。在此。在此理想條件下，最大輸出功率為理想條件下，最大輸出功率為L(zhǎng)2CCOM2RVP 輸出功率輸出功率 效率效率 l 輸出功率占電源供給功率的比率稱(chēng)為輸出功率占電源供給功率的比率稱(chēng)為效率效率，用，用表示，表示，=PO/PV。 l 由于每個(gè)電源只提供半個(gè)周期的電流，所以由于每個(gè)電源只提供半個(gè)周期的電流，所以總總電源功率電源功率PV為為 LcemCCcmCC0V22dsin212RUVIVttIVPcmCCCCcemLcemCCL2cemVO4)2/()2(VURUVRUPP2) 11(|cosdsin00tttl在理想情況

11、下，在理想情況下，Ucem=VCC，則最大效率為，則最大效率為%5 .784max 效率效率 功率管的選擇功率管的選擇l消耗在晶體管的功率消耗在晶體管的功率PT=PVPO，由于，由于PO與與PV均與均與信號(hào)的幅值有關(guān)，故信號(hào)的幅值有關(guān)，故PT也隨之變化。也隨之變化。l為了求出為了求出何時(shí)管耗最大何時(shí)管耗最大，令，令CCcemVUK 2L2CCL2CCL2cemLcemCCT2222KRVKRVRURUVPl 上式對(duì)上式對(duì)K的導(dǎo)數(shù)為的導(dǎo)數(shù)為0時(shí)時(shí)，PT將為最大值將為最大值0222ddL2CCL2CCTKRVRVKP將其代入將其代入PT式中得式中得OMOM2L22CC2L2CCL2CCTmax4

12、. 0424222PPRVRVRVP每個(gè)管子的管耗約為每個(gè)管子的管耗約為0.2POmax，當(dāng)輸出功率當(dāng)輸出功率最大最大(K=1)時(shí)，總管耗約為時(shí)，總管耗約為0.27POmax。 OMOML2CCL2CCL2CCTP27. 0P4R2V)4(KR2VKRV2P2 功率管的要求功率管的要求 若想得到預(yù)期的最大輸出功率，則若想得到預(yù)期的最大輸出功率，則功率管的有關(guān)功率管的有關(guān)參數(shù)參數(shù)應(yīng)滿足下列條件：應(yīng)滿足下列條件： l 每只功率管的最大管耗每只功率管的最大管耗PCM0.2POmax；l 功率管功率管c-e極間的最大壓降為極間的最大壓降為2VCC，所以應(yīng)選，所以應(yīng)選|U(BR)CEO|2VCC；l 功

13、率管的最大集電極電流為功率管的最大集電極電流為VCC/RL，因此晶體，因此晶體管的管的ICM不宜低于此值。不宜低于此值。2. 復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路 復(fù)合管復(fù)合管(Darlington Connection) l 存在的問(wèn)題存在的問(wèn)題：大功率輸出極的工作電流大，而一：大功率輸出極的工作電流大，而一般大功率管的般大功率管的電流放大系數(shù)都較小電流放大系數(shù)都較小。l 通常采用所謂通常采用所謂“復(fù)合管復(fù)合管”的辦法來(lái)解決。的辦法來(lái)解決。l 設(shè)有兩只晶體管，把前一只管的集電極或發(fā)射極設(shè)有兩只晶體管，把前一只管的集電極或發(fā)射極接到下一只管的基極，這種連接所形成的晶體管接到下一只管的基極，這種連接

14、所形成的晶體管組合稱(chēng)為組合稱(chēng)為復(fù)合管復(fù)合管cebT1T2iBiC12iBiEiBiEbiCce(a) NPN型2.復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路 ecbT1T2iBiE12iBiCiBiCbiEec(b) PNP型2.復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路 cebT1T2iBiC12iBiEiBiEbiCce(c) PNP型2.復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路 cebT1T2iBiC12iBiEiBiEbiCce(d) NPN型2.復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路 復(fù)合管構(gòu)成規(guī)則復(fù)合管構(gòu)成規(guī)則l iB向管內(nèi)流向管內(nèi)流的復(fù)合管等效為的復(fù)合管等效為NPN管；管； iB向管外流向管外流的復(fù)合管等效為的復(fù)

15、合管等效為PNP管；管； iB的流向的流向由由T1管的基極電流決定管的基極電流決定，即由，即由T1管的類(lèi)管的類(lèi)型決定型決定。l 必須保證每只管各電極的電流都能順著各個(gè)管的必須保證每只管各電極的電流都能順著各個(gè)管的正常工作方向流動(dòng)；否則將是錯(cuò)誤的。正常工作方向流動(dòng)；否則將是錯(cuò)誤的。2.復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路 準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路(Quasi Complementary Emitter Follower) l 互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路中，兩個(gè)輸出管是互補(bǔ)工作的，互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路中，兩個(gè)輸出管是互補(bǔ)工作的，因而要求因而要求兩管為不同類(lèi)型，一個(gè)為兩管為不同類(lèi)型，一個(gè)為NPN型，而型，而另一個(gè)則為另一

16、個(gè)則為PNP型型。l 為了滿足電路對(duì)稱(chēng)就為了滿足電路對(duì)稱(chēng)就要求兩管特性一致要求兩管特性一致。l 這對(duì)這對(duì)NPN和和PNP兩種大功率管來(lái)說(shuō)，一般是難兩種大功率管來(lái)說(shuō)，一般是難以實(shí)現(xiàn)的，尤其是當(dāng)一個(gè)是硅管另一個(gè)是鍺管以實(shí)現(xiàn)的，尤其是當(dāng)一個(gè)是硅管另一個(gè)是鍺管時(shí)，若要兩管特性一致，最好使時(shí)，若要兩管特性一致，最好使T3和和T4是同一是同一種型號(hào)的管子。種型號(hào)的管子。+VCC-VCCRb1RD1T1T2Rb2D2Re1Rc2RLT3T4Re4Re3NPNPNPuoui+-圖6-8 準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路3. 單電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路單電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路 電路組成電路組成 l 雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路，需要兩個(gè)獨(dú)立電源，這給雙

17、電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路，需要兩個(gè)獨(dú)立電源，這給使用上帶來(lái)使用上帶來(lái)不方便不方便。l 所以所以實(shí)用上實(shí)用上常采用單電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路，如圖常采用單電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路，如圖6-9所示。所示。它去掉了負(fù)電源，接入一個(gè)電容它去掉了負(fù)電源，接入一個(gè)電容C，稱(chēng)為，稱(chēng)為無(wú) 輸 出 變 壓 器 電 路無(wú) 輸 出 變 壓 器 電 路 ， 簡(jiǎn) 稱(chēng)， 簡(jiǎn) 稱(chēng) O T L ( O u t p u t Transformer Less)電路電路。V1、V2是為了克服交越是為了克服交越失真而接入的正向偏置電源，在實(shí)際電路中可用失真而接入的正向偏置電源，在實(shí)際電路中可用兩個(gè)二極管來(lái)代替。兩個(gè)二極管來(lái)代替。VCC12+tui+VCCV

18、1V2T1NPNPNPiC1iC2iouo+-T2EICRL+-iC1t0-iC2t0uI0uot0圖6-9 單電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)原理電路l 靜態(tài)時(shí)使靜態(tài)時(shí)使UE =VCC/2，I點(diǎn)點(diǎn)電位電位UI以以VCC/2為基準(zhǔn)上為基準(zhǔn)上下變化，下變化，T1、T2輪流導(dǎo)通，輪流導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)雙向跟隨。實(shí)現(xiàn)雙向跟隨。l 電容上具有的恒定電壓電容上具有的恒定電壓VCC/2，則可看作信號(hào)負(fù)，則可看作信號(hào)負(fù)半周時(shí)半周時(shí)T2管的直流電源。管的直流電源。l 電容充放電回路時(shí)間常數(shù)電容充放電回路時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于信號(hào)周期，電容兩遠(yuǎn)大于信號(hào)周期，電容兩端電壓基本不變。端電壓基本不變。l動(dòng)態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)時(shí) 分析計(jì)算分析計(jì)算 l由上面的分析可以看出，由上面的分析可以看出，單電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)單電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路實(shí)質(zhì)上等效于具有電路實(shí)質(zhì)上等效于具有VCC/2雙電源的互雙電源的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路。l分析計(jì)算時(shí)只要把分析計(jì)算時(shí)只要把VCC/2替換替換前面式中的前面式中的VCC就可以得出單電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路的輸出就可以得出單電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路的輸出功率、直流電源供給的功率和效率等。功率、直流