第8章功率放大電路

1、傳感器傳感器負(fù)載負(fù)載電壓放大電壓放大功率放大功率放大放大電路放大電路非電量非電量信號源信號源把電信號轉(zhuǎn)換成把電信號轉(zhuǎn)換成其他形式的能量其他形式的能量功率放大電路與電壓放大電路的相同點：功率放大電路與電壓放大電路的相同點： 放大電路實質(zhì)上都是能量轉(zhuǎn)換電路。是利用三極管的放大電路實質(zhì)上都是能量轉(zhuǎn)換電路。是利用三極管的控制作用把直流電源的能量按照輸入信號的變化規(guī)律進(jìn)控制作用把直流電源的能量按照輸入信號的變化規(guī)律進(jìn)行放大后傳送給負(fù)載。行放大后傳送給負(fù)載。 在工程上要驅(qū)動負(fù)載，不僅要求有較大的電壓輸出，在工程上要驅(qū)動負(fù)載，不僅要求有較大的電壓輸出，同時還要求有較大的電流輸出，因此放大電路的末級常是同時還

2、要求有較大的電流輸出，因此放大電路的末級常是功率放大電路。功率放大電路。第第8章章 功率放大電路功率放大電路1.1.功率放大電路的主要特點功率放大電路的主要特點2.2.要解決的問題要解決的問題 提高效率提高效率 減小失真減小失真 管子的保護(hù)管子的保護(hù)一般直接驅(qū)動負(fù)載，帶負(fù)載能力要強(qiáng)。一般直接驅(qū)動負(fù)載，帶負(fù)載能力要強(qiáng)。3.3.提高效率的途徑提高效率的途徑 降低靜態(tài)功耗，即減小靜態(tài)電流。降低靜態(tài)功耗，即減小靜態(tài)電流。8.1 功率放大電路的一般問題功率放大電路的一般問題1 . 要求給負(fù)載提供足夠大的功率。要求給負(fù)載提供足夠大的功率。2 . 在輸入為大信號下工作。在輸入為大信號下工作。3 . 分析方法

3、以圖解法為主。分析方法以圖解法為主。4 . 非線性失真矛盾突出。非線性失真矛盾突出。 5. 提高效率成為重要的關(guān)注點。提高效率成為重要的關(guān)注點。6. 功率器件的安全問題必須考慮功率器件的安全問題必須考慮。4. BJT三種工作狀態(tài)三種工作狀態(tài) 三極管根據(jù)正弦信號整三極管根據(jù)正弦信號整個周期內(nèi)的導(dǎo)通情況，可個周期內(nèi)的導(dǎo)通情況，可分為幾個工作狀態(tài)：分為幾個工作狀態(tài)：乙乙 類：類：導(dǎo)通角等于導(dǎo)通角等于180甲甲 類：類：一個周期內(nèi)均導(dǎo)通一個周期內(nèi)均導(dǎo)通甲乙類：甲乙類：導(dǎo)通角大于導(dǎo)通角大于1805.功放的分類功放的分類根據(jù)管子靜態(tài)工作點的不同分為三類根據(jù)管子靜態(tài)工作點的不同分為三類 甲類功放、乙類功放、

4、甲乙類功放甲類功放、乙類功放、甲乙類功放（1）甲類功放）甲類功放靜點在負(fù)載線的中點，在整個信號周期內(nèi)管子都導(dǎo)通。靜點在負(fù)載線的中點，在整個信號周期內(nèi)管子都導(dǎo)通。特點特點：集電極電流大、管耗大，集電極電流大、管耗大，效率效率50%低、低、波形不失真波形不失真用途用途：小信號放大小信號放大甲類功放：射極輸出器甲類功放：射極輸出器iCt0ICQuCEiCuCEt00UCEQQ（2） 乙類功放乙類功放在半個信號周期內(nèi)，管子導(dǎo)通，靜點在橫軸上。在半個信號周期內(nèi)，管子導(dǎo)通，靜點在橫軸上。iCt0uCEiCuCEt00Q特點特點：IC=0效率高效率高78.5%失真大失真大用途用途：用于互補(bǔ)對稱的功放用于互補(bǔ)

5、對稱的功放（3） 甲乙類工作狀態(tài)甲乙類工作狀態(tài)半個周期管子導(dǎo)通時間一個周期，靜電在交流負(fù)載半個周期管子導(dǎo)通時間一個周期，靜電在交流負(fù)載線中點以下橫軸之上。線中點以下橫軸之上。iCt0uCEiCuCEt00Q特點特點：IC小小效率高效率高失真小失真小用途用途：OCL互補(bǔ)對稱的功放互補(bǔ)對稱的功放8.2.18.2.1電路組成電路組成 由一對由一對NPNNPN、PNPPNP特性相同特性相同的互補(bǔ)三極管組成，采用正、的互補(bǔ)三極管組成，采用正、負(fù)雙電源供電。這種電路也稱負(fù)雙電源供電。這種電路也稱為為OCLOCL互補(bǔ)對稱功率放大電路?；パa(bǔ)對稱功率放大電路。工作原理工作原理 兩個三極管在信號正、兩個三極管在信

6、號正、負(fù)半周輪流導(dǎo)通，使負(fù)載負(fù)半周輪流導(dǎo)通，使負(fù)載得到一個完整的波形。得到一個完整的波形。8.2 乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路8.2.2 分析計算分析計算一、靜態(tài)分析一、靜態(tài)分析偏置電流為零，管子工作在乙類狀態(tài)。偏置電流為零，管子工作在乙類狀態(tài)。0, 021CCBIII因為兩個管子參數(shù)特性相同，所以因為兩個管子參數(shù)特性相同，所以0, 0OEVV二、動態(tài)分析二、動態(tài)分析 當(dāng)當(dāng)ui為正半周時，為正半周時，T1正偏導(dǎo)通，正偏導(dǎo)通，T2反偏截止，輸出反偏截止，輸出uo正半周波形；正半周波形；當(dāng)當(dāng)ui為負(fù)半周時，為負(fù)半周時，T2正偏導(dǎo)通，正偏導(dǎo)通，T1反偏截止，輸出反偏截

7、止，輸出uo負(fù)半周波形。負(fù)半周波形。負(fù)載在輸入信號的整個周期內(nèi)都有電流，輸出電壓為一完整正弦波。負(fù)載在輸入信號的整個周期內(nèi)都有電流，輸出電壓為一完整正弦波。兩管交替工作，互相補(bǔ)充并且電路對稱所以稱為互補(bǔ)對稱的功放。兩管交替工作，互相補(bǔ)充并且電路對稱所以稱為互補(bǔ)對稱的功放。V VCESCESV VCCCC1.1.輸出功率輸出功率P Po oL2CCL2CESCCL2CESCComax22)()2(=RVRVVRVVP 最大不失真最大不失真輸出功率輸出功率P PomaxomaxL2omLomomooo222=RVRVVIVP輸出電壓與輸出電流有效值的乘積。輸出電壓與輸出電流有效值的乘積。)(d )

8、(21=0LooCCT1tRvvVP 2. 2. 管耗管耗P PT T兩管管耗兩管管耗 T2T1T=PPP)4(22omomCCLVVVR )d( sin)sin(210LomomCCtRtVtVV )d( )sinsin(2102L2omLomCCttRVtRVV )4(12omomCCLVVVR 3.3.電源供給的功率電源供給的功率P PV V ToV=PPPLomCC2RVV 當(dāng)當(dāng)時，時， CComVV 2L2CCVmRVP 4.4.效率效率 CComVo4=VVPP 當(dāng)當(dāng)時，時， CComVV % 78.54 1.1.最大管耗與最大輸出功率的關(guān)系最大管耗與最大輸出功率的關(guān)系當(dāng)當(dāng)VOM0

9、.6VCC時每管具有最大管耗時每管具有最大管耗omT1m2 . 0PP 選管依據(jù)選管依據(jù): :2.2. 功率功率BJT的選擇的選擇omT1m2 . 0 PP|V|V(BR)CEO(BR)CEO| 2V| 2VCCCCI ICM CM V VCCCC/R/RL L8.2.3 功率功率BJT的選擇的選擇3. 3. 改善器件的散熱條件改善器件的散熱條件 普通功率三極管的外殼較小普通功率三極管的外殼較小, , 散熱效果差散熱效果差, ,所以允許的耗散功率低。當(dāng)加上散熱片所以允許的耗散功率低。當(dāng)加上散熱片, ,使得器使得器件的熱量及時散熱后件的熱量及時散熱后, ,則輸出功率可以提高很多。則輸出功率可以提

10、高很多。例如低頻大功率管例如低頻大功率管3AD63AD6在不加散熱片時在不加散熱片時, ,允許的允許的最大功耗最大功耗P Pcmcm僅為僅為1W,1W,加了加了120mm120mm120mm120mm4 mm4 mm的的散熱片后散熱片后, , 其其P Pcmcm可達(dá)到可達(dá)到10 W10 W。 在實際功率放大電路中在實際功率放大電路中, ,為了提高輸出信號功為了提高輸出信號功率率, ,在功放管一般加有散熱片。在功放管一般加有散熱片。 功放電路如圖所示，設(shè)功放電路如圖所示，設(shè)VCC=12V，RL=8，BJT的的極極限參數(shù)為限參數(shù)為ICM=2A，|V（BR）CEO|=30V，PCM=5W。試試求：求

11、：1.最大的輸出功率最大的輸出功率Pom，檢驗檢驗BJT能否安全工作？能否安全工作？2.放大電放大電路在路在=0.6時的時的輸出功率輸出功率Po值。值。解：解：1WRVPLCCom982122122能安全工作， BJTWPPVVvAIiWPPVVvARViCmmTCEOBRCEmCmCmommTCCCEmLCCCm5,30|,28 . 192 . 02 . 02412225 . 18121)(1例題2.當(dāng)當(dāng)=0.6時，求輸出功率時，求輸出功率PoWRVPVVVVVLomoCComCCom3 . 5822 . 9212 . 91246 . 04422乙類互補(bǔ)對稱電路存在的問題乙類互補(bǔ)對稱電路存在

12、的問題8.3 甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路0.6V-0.6V1.1.靜態(tài)偏置靜態(tài)偏置可克服交越失真可克服交越失真2.2.動態(tài)工作情況動態(tài)工作情況二極管等效為恒壓模型二極管等效為恒壓模型8.3.1 甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路設(shè)設(shè)T T3 3已有合適已有合適的靜態(tài)工作點的靜態(tài)工作點T3、Re3、D1、D2、RC3組成前組成前置放大級，置放大級，T1和和T2組成互補(bǔ)組成互補(bǔ)對稱功放輸出級。對稱功放輸出級。靜態(tài)時，靜態(tài)時， D1、D2產(chǎn)生的壓降為產(chǎn)生的壓降為T1和和T2提供偏壓，使管子微導(dǎo)通。提供偏壓，使管子微導(dǎo)通。由于電路對稱：由于電路對稱：0, 0,2

13、1OLCCviii當(dāng)有輸入信號時，電路工作在甲乙類，進(jìn)行線性放大。當(dāng)有輸入信號時，電路工作在甲乙類，進(jìn)行線性放大。電路的缺點：偏置電壓不能調(diào)整電路的缺點：偏置電壓不能調(diào)整R1T1R2RLRe3R3T2T3T4+VCC-VEEiC1iC2iLvivo 是利用是利用UBE倍壓電路向兩倍壓電路向兩管提供所需管提供所需的偏壓的偏壓, 其關(guān)系推其關(guān)系推導(dǎo)如下導(dǎo)如下: )(212124EBBEBEUURRRU4214221)1 (21BEBEEBBEURRURRRUU 由于由于UBE4為為0.60.7V值固定，所以調(diào)節(jié)電阻的比值固定，所以調(diào)節(jié)電阻的比值即可改變兩管的偏壓值即可改變兩管的偏壓1. 1. 靜態(tài)

14、偏置靜態(tài)偏置2. 2. 動態(tài)工作情況動態(tài)工作情況 調(diào)整調(diào)整R R1 1、R R2 2阻值阻值的大小，可使的大小，可使CCK21VV 此時電容上電壓此時電容上電壓CCC21VV 此電路存在的問題：此電路存在的問題：K K點電位受到限制點電位受到限制8.3.2 甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路（OTL）3.3.帶自舉電路的單電源功放帶自舉電路的單電源功放靜態(tài)時靜態(tài)時CCK21VV C C3 3充電后，其兩充電后，其兩端有一固定電壓端有一固定電壓動態(tài)時動態(tài)時C C3 3充當(dāng)一個電源充當(dāng)一個電源自舉電路自舉電路自舉電路自舉電路8.4 8.4 功率器件功率器件 功率管的最大工作電流必須小于該功率管的功率管的最大

15、工作電流必須小于該功率管的最大允許電流最大允許電流I ICMCM；最大工作反壓必須小于允許的；最大工作反壓必須小于允許的擊穿電壓擊穿電壓U U(BR)CEO(BR)CEO；功率管的功耗要小于允許的最；功率管的功耗要小于允許的最大功耗大功耗P PCMCM。8.4.1 8.4.1 雙極型大功率晶體管雙極型大功率晶體管(BJT)(BJT) 這里有兩個問題還需加以說明：一是散熱與最這里有兩個問題還需加以說明：一是散熱與最大功耗的關(guān)系，二是有關(guān)二次擊穿和安全工作區(qū)。大功耗的關(guān)系，二是有關(guān)二次擊穿和安全工作區(qū)。一、散熱與最大功耗一、散熱與最大功耗PCM的關(guān)系的關(guān)系 電源供給的功率，一部分轉(zhuǎn)換為負(fù)載的有用電

16、源供給的功率，一部分轉(zhuǎn)換為負(fù)載的有用功率，另一部分則消耗在功率管的集電結(jié)，變?yōu)楣β?，另一部分則消耗在功率管的集電結(jié)，變?yōu)闊崮芏构苄镜慕Y(jié)溫上升。如果晶體管管芯的溫?zé)崮芏构苄镜慕Y(jié)溫上升。如果晶體管管芯的溫度超過管芯材料的最大允許結(jié)溫度超過管芯材料的最大允許結(jié)溫TjM(鍺管鍺管TjM約為約為75100,硅管硅管TjM約為約為150200)，則晶體管，則晶體管將永久損壞。我們把這個界限稱為晶體管的最大將永久損壞。我們把這個界限稱為晶體管的最大允許功耗允許功耗PCM。 描述熱傳導(dǎo)阻力大小的物理量稱為熱阻描述熱傳導(dǎo)阻力大小的物理量稱為熱阻R RT T。 R RT T的量綱為的量綱為/W/W，它表示每消

17、耗，它表示每消耗1W1W功率結(jié)溫上功率結(jié)溫上升的度數(shù)。升的度數(shù)。 為減小散熱阻力，改善散熱條件，通常采用為減小散熱阻力，改善散熱條件，通常采用加散熱器的方法。下圖給出一種鋁型材散熱器的加散熱器的方法。下圖給出一種鋁型材散熱器的示意圖。示意圖。圖中：圖中： RTj內(nèi)熱阻，表示管芯到管殼的熱阻；內(nèi)熱阻，表示管芯到管殼的熱阻； RTfo管殼到空間的熱交換阻力；管殼到空間的熱交換阻力； RTc管殼到散熱器之間的接觸熱阻，與管殼到散熱器之間的接觸熱阻，與 管殼和散熱器之間的接觸狀況有關(guān)；管殼和散熱器之間的接觸狀況有關(guān)； RTf散熱器到空間的熱交換阻力，與散散熱器到空間的熱交換阻力，與散 熱器的形狀、材料以及面積有關(guān)。熱器的形狀、材料以及面積有關(guān)。加散熱器后，熱加散熱器后，熱傳導(dǎo)阻力等效通傳導(dǎo)阻力等效通路如圖所示。路如圖所示。TfoTjToRRR+=由圖可見，不加散熱器時，總熱阻由圖可見，不加散熱器時，總熱阻RTo為為TfTcTjTRRRR+由于管殼散熱面積很小，由于管殼散熱面