第10章功率放大電路

1、第第10章章 功率放大電路功率放大電路10.1 功率放大電路的特殊問題及其分類功率放大電路的特殊問題及其分類10.2互補對稱功率放大電路互補對稱功率放大電路10.3集成功率放大器集成功率放大器10.4功率管的散熱與二次擊穿功率管的散熱與二次擊穿本節(jié)重點本節(jié)重點: :1 1、正確理解乙類互補對稱功率放大電路放大電路的、正確理解乙類互補對稱功率放大電路放大電路的分析方法；分析方法；2 2、掌握乙類互補對稱功率放大電路性能指標的計算。、掌握乙類互補對稱功率放大電路性能指標的計算。例：例： 擴音系統(tǒng)擴音系統(tǒng)什么是功率放大電路？什么是功率放大電路？ 在電子系統(tǒng)中，模擬信號被放在電子系統(tǒng)中，模擬信號被放大

2、后，往往要去推動一個實際的負載。如使揚聲器發(fā)聲、繼大后，往往要去推動一個實際的負載。如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動作、電器動作、 儀表指針偏轉(zhuǎn)等。推動一個實際負載需要的功率儀表指針偏轉(zhuǎn)等。推動一個實際負載需要的功率很大。能夠輸出較大功率的放大電路稱為很大。能夠輸出較大功率的放大電路稱為功率放大電路功率放大電路。電電壓壓放放大大功功率率放放大大信信號號提提取取10.1 功率放大電路的特殊問題及其分類功率放大電路的特殊問題及其分類10.1.1 功率放大電路的特殊問題功率放大電路的特殊問題10.1.2 功率放大電路的分類功率放大電路的分類1、安全的提供盡可能大的輸出功率、安全的提供盡可能大的輸出功率10.

3、1.1 功率放大電路的特殊問題功率放大電路的特殊問題MomMomMoMoMo)()(21)()()(IUIUP2、提供盡可能高的功率轉(zhuǎn)換效率、提供盡可能高的功率轉(zhuǎn)換效率CCVoPP例如，某放大電路的效率例如，某放大電路的效率=50%，說明電源提供的功率只，說明電源提供的功率只有一半轉(zhuǎn)換成輸出功率傳給了負載，另一半消耗在電路內(nèi)有一半轉(zhuǎn)換成輸出功率傳給了負載，另一半消耗在電路內(nèi)部。部。 最大輸出功率最大輸出功率是指在正弦輸入信號下，輸出波形不超過規(guī)定是指在正弦輸入信號下，輸出波形不超過規(guī)定的非線性失真指標時，放大電路最大輸出電壓和最大輸出電的非線性失真指標時，放大電路最大輸出電壓和最大輸出電流有效

4、值的乘積流有效值的乘積。3、允許一定非線性失真、允許一定非線性失真4、分析方法采用圖解法、分析方法采用圖解法5、功率管的散熱和保護問題、功率管的散熱和保護問題6、負載匹配問題、負載匹配問題 功率放大電路是在大信號下工作，所以不可避免地會功率放大電路是在大信號下工作，所以不可避免地會產(chǎn)生非線性失真。輸出功率和非線性失真是一對矛盾，但產(chǎn)生非線性失真。輸出功率和非線性失真是一對矛盾，但可以根據(jù)應用場合的不同來調(diào)和這對矛盾?？梢愿鶕?jù)應用場合的不同來調(diào)和這對矛盾。 功率放大電路工作在大信號狀態(tài)，不采用微變等效電路功率放大電路工作在大信號狀態(tài)，不采用微變等效電路法。法。 相當大的功率消耗在管子上，為了保證

5、功率管的安全工相當大的功率消耗在管子上，為了保證功率管的安全工作，常常要給大功率管加裝散熱片，必要時還可采用風冷、作，常常要給大功率管加裝散熱片，必要時還可采用風冷、水冷、油冷等方式來散熱。水冷、油冷等方式來散熱。 為了獲得較大的輸出功率和效率，功率放大電路與負為了獲得較大的輸出功率和效率，功率放大電路與負載要匹配。載要匹配。 1按放大信號頻率分類按放大信號頻率分類低頻功率放大電路：音頻幾十低頻功率放大電路：音頻幾十Hz 幾十幾十kHz高頻功率放大電路高頻功率放大電路 ：射頻幾百：射頻幾百kHz 幾十幾十MHz2按晶體管導通時間分類按晶體管導通時間分類10.1.2 功率放大電路的分類功率放大電

6、路的分類甲類放大電路甲類放大電路 = 360 特點：特點：波形失真小，靜態(tài)電流大，管耗大，效率低。波形失真小，靜態(tài)電流大，管耗大，效率低。乙類放大電路乙類放大電路 = 180 特點：特點：波形失真大，靜態(tài)電流為零波形失真大，靜態(tài)電流為零 ，管耗小，效率高。，管耗小，效率高。甲乙類放大電路甲乙類放大電路180 0 V1 導通，導通，V2 截止截止iC1io = iE1 = iC1, uO = iC1RLui 0 VT1 微導通微導通 充分充分導通導通VT2 微導通微導通 截止截止當當 ui 0 VT2 微導通微導通 充分導通充分導通VT1 微導通微導通 截止截止動態(tài)時動態(tài)時甲乙類互補對稱功率放大

7、電路的甲乙類互補對稱功率放大電路的參數(shù)計算公式同乙類互參數(shù)計算公式同乙類互補對稱功率放大電路。補對稱功率放大電路。采用二極管進行偏置的缺點是偏置電壓是固定的，不易調(diào)整。采用二極管進行偏置的缺點是偏置電壓是固定的，不易調(diào)整。 利用利用UBE擴大電路進行偏置的互補對稱電路擴大電路進行偏置的互補對稱電路 BE421CE4/1URRU只要適當調(diào)節(jié)只要適當調(diào)節(jié)R1、R2的比值，就可改變的比值，就可改變VT1、VT2的偏壓值。的偏壓值。 【例例10-5】 在圖所示電路中，已知在圖所示電路中，已知VCC=15V，輸入電壓為正弦波，晶，輸入電壓為正弦波，晶體管的飽和壓降體管的飽和壓降|UCES|=3V，電壓，

8、電壓放大倍數(shù)約為放大倍數(shù)約為l，負載電阻，負載電阻RL=4。 （1）求解負載上可能獲得的最）求解負載上可能獲得的最大功率和效率。大功率和效率。 （2）若輸入電壓最大有效值為）若輸入電壓最大有效值為8V，則負載上能夠獲得的最大功，則負載上能夠獲得的最大功率為多少？率為多少？（3）若）若VT1管的集電極和發(fā)射極管的集電極和發(fā)射極短路，則將產(chǎn)生什么現(xiàn)象短路，則將產(chǎn)生什么現(xiàn)象?【例例10-5】 （1）求解負載上可能獲得的）求解負載上可能獲得的 最大功率和效率。最大功率和效率。 V12)V315()(CESCCMomUVUW18W4212)(21)(2L2MomMoRUP%8 .6215124)(4CC

9、MomMVU【例例10-5】 （2）若輸入電壓最大有效值為）若輸入電壓最大有效值為8V，則負載上能夠獲得的最大功率為多則負載上能夠獲得的最大功率為多少？少？iouu V8)()(MiMo UUW16W48)()(2L2MoMoRUP【例例10-5】 （3）若）若VT1管的集電極和發(fā)射極短路，管的集電極和發(fā)射極短路，則將產(chǎn)生什么現(xiàn)象則將產(chǎn)生什么現(xiàn)象?CC32CCbeVTVRVCQ2BQ2IIVT2功耗過大而損壞功耗過大而損壞 【例例10-6】OCL互補對稱電路及元件參數(shù)如圖，已測得互補對稱電路及元件參數(shù)如圖，已測得VT1和和VT2管的飽和壓降管的飽和壓降|UCES|=1V 。（1）ui的幅值的幅

10、值Uim為多大時，為多大時，RL上可達到最大不失真輸出電上可達到最大不失真輸出電壓壓(Uom)M？（2）應如何選擇晶體管）應如何選擇晶體管VT1、VT2的參數(shù)的參數(shù)ICM，U(BR)CEO？ 7V1)V118()(CESCCMomUVUiii1Fo611060011UUURRUV279. 0V611761)()(MomMimUU解：（解：（1）RL上的最大不失真輸出電壓為上的最大不失真輸出電壓為 A25. 2A818LCCCMRVIV36V1822CC(BR)CEO VU（2）晶體管）晶體管VT1、VT2的參數(shù)為的參數(shù)為 2. OTL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CCK2

11、1VU 當輸出當輸出uo達到正半周最大幅值時，要求達到正半周最大幅值時，要求K點點電位電位UK接近于接近于+VCC。而實際上從電源。而實際上從電源VCC經(jīng)過經(jīng)過RC1、UBE2的降壓后，的降壓后，UK不可能為不可能為+VCC。 在在ui正半周，正半周，iC2逐漸增大，逐漸增大，iC3逐漸減逐漸減小，小，VT3截止；在負半周，截止；在負半周，iC3逐漸增逐漸增大，大，iC2逐漸減小，逐漸減小，VT2截止。截止。 VKVB1 IB1IC1 VC1VK采用負反饋穩(wěn)定采用負反饋穩(wěn)定VKD1 、 D2使使b1和和b2之間的電位差等于之間的電位差等于2個二極管個二極管正向壓降，克服交越失真正向壓降，克服交

12、越失真。3. 具有自舉電路的具有自舉電路的OTL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 具有自舉電路的OTL電路 KCCKC2KC2G21uVuUuuuCCCCCCKGC22121VVVUUUCCCC21VVuK在 之間變化 UG隨輸出電壓上升而自動抬高，以增加正半周輸出幅度。隨輸出電壓上升而自動抬高，以增加正半周輸出幅度。即使輸出電壓幅度升得很高，也有足夠電流iB2使VT2充分導通，使Uom接近CC21V 10.2.4 OCL準互補對稱功率放大電路準互補對稱功率放大電路 接有泄放電阻的復合管接有泄放電阻的復合管 甲、乙類互補對稱功率放大電路的另一個缺點：對稱甲、乙類互補對稱功率

13、放大電路的另一個缺點：對稱管難以匹配的問題。管難以匹配的問題。準互補準互補OCL電路電路 只要選擇合適的電路參數(shù)R1和R2，就可以獲得UBE任意倍數(shù)的直流偏壓，從而適應不同功率放大電路對偏壓的不同要求。 10.3 集成功率放大器集成功率放大器10.3.1 LM386集成功率放大器集成功率放大器10.3.2 其它集成功率放大器其它集成功率放大器集成功率放大器組成：集成功率放大器組成：前置級、中間級、輸出級、偏置電路前置級、中間級、輸出級、偏置電路集成功率放大器特點：集成功率放大器特點：輸出功率大、效率高輸出功率大、效率高有過流、過壓、過熱保護有過流、過壓、過熱保護1電路組成電路組成 10.3.1

14、 LM386集成功率放大器集成功率放大器1. 8 開路時，開路時， Au = 20( (負反饋最強負反饋最強) )1. 8 交流短路交流短路 Au = 200( (負反饋最弱負反饋最弱) )1. 8接接電阻電容電阻電容時，時， Au = 50 2LM386的引腳圖及特性的引腳圖及特性 特性：特性： 靜態(tài)功耗低，約為靜態(tài)功耗低，約為4mA，可用于電池供電；可用于電池供電； 工作電壓范圍寬，工作電壓范圍寬，4-12V 或或 5-18V；外圍元件少；外圍元件少；電壓增益可調(diào)，電壓增益可調(diào)，20-200；低失真度；低失真度；當電源電壓為當電源電壓為12V時，在時，在8的負載情況下，可提供的負載情況下，

15、可提供幾百幾百mW的功率；的功率；典型輸入阻抗為典型輸入阻抗為50k。 （1）LM386電壓增益最小的接法電壓增益最小的接法3LM386在實際電路中的應用在實際電路中的應用 靜態(tài)時輸出電容上電壓為靜態(tài)時輸出電容上電壓為VCC2，LM386的最大不失真的最大不失真輸出電壓的峰輸出電壓的峰-峰值約為電源電壓峰值約為電源電壓VCC。設負載電阻為。設負載電阻為RL，最大輸出功率表達式為最大輸出功率表達式為L2CCL2CCMo822/)(RVRVP（2）LM386電壓增益最大的接法電壓增益最大的接法（3）LM386的一般接法的一般接法 10.3.2 其它集成功率放大器其它集成功率放大器1SHM1150型

16、集成功率放大器型集成功率放大器2LM4860橋式集成功率放大器橋式集成功率放大器 3D2002小功率通用型集成功率放大器小功率通用型集成功率放大器 (a) D2002外型及管腳外型及管腳 (b) D2002應用電路應用電路10.4 功率管的散熱與二次擊穿功率管的散熱與二次擊穿10.4.1 功率管的散熱功率管的散熱10.4.2 功率管的二次擊穿功率管的二次擊穿10.4.1 功率管的散熱功率管的散熱1.熱阻：熱阻：阻礙熱的傳導的阻力阻礙熱的傳導的阻力 。sacsjcRRRR2. 晶體管的散熱計算晶體管的散熱計算 (a) 齒輪形齒輪形 (b) 指狀形指狀形 (c) 板條形板條形圖圖10-27 散熱器

17、的幾種形狀散熱器的幾種形狀 當集電極中產(chǎn)生的熱量與傳輸?shù)街車h(huán)境中的熱量達到動當集電極中產(chǎn)生的熱量與傳輸?shù)街車h(huán)境中的熱量達到動態(tài)平衡時，結(jié)溫就不再上升，其值態(tài)平衡時，結(jié)溫就不再上升，其值滿足下列熱平衡方程滿足下列熱平衡方程 CajRPTT R為熱阻，為熱阻，Ta為環(huán)境溫度，為環(huán)境溫度，PC為功率管集電極耗散功率為功率管集電極耗散功率 當晶體管結(jié)溫功耗達到最大允許值當晶體管結(jié)溫功耗達到最大允許值TjM RTTPajMCMTa常取常取25 C為基準，晶體管手冊中給出的為基準，晶體管手冊中給出的PCM是在采用指定是在采用指定尺寸的散熱器并規(guī)定尺寸的散熱器并規(guī)定Ta取取25 C時的數(shù)值。也就是說管子

18、的時的數(shù)值。也就是說管子的型號一旦確定，則型號一旦確定，則TjM隨之確定。隨之確定。 10.4.2 功率管的二次擊穿功率管的二次擊穿1. 二次擊穿現(xiàn)象二次擊穿現(xiàn)象2. 二次擊穿產(chǎn)生的原因二次擊穿產(chǎn)生的原因管內(nèi)的結(jié)構(gòu)缺陷，例如結(jié)面不均勻，晶格缺陷。管內(nèi)的結(jié)構(gòu)缺陷，例如結(jié)面不均勻，晶格缺陷。3. 防止二次擊穿的措施防止二次擊穿的措施（1）在設計電路時，要設法使晶體管工作在安全區(qū)以內(nèi)，）在設計電路時，要設法使晶體管工作在安全區(qū)以內(nèi)，而且還要留有余地。而且還要留有余地。（2）使用時要盡量避免產(chǎn)生過壓和過流的可能性，不要將）使用時要盡量避免產(chǎn)生過壓和過流的可能性，不要將負載開路或短路，不要突然加強信號，

19、同時不允許電源電負載開路或短路，不要突然加強信號，同時不允許電源電壓有很大波動。壓有很大波動。（3）采取適當?shù)拇胧?。）采取適當?shù)拇胧?. 功率放大電路的主要任務是在非線性失真允許的范圍內(nèi)，功率放大電路的主要任務是在非線性失真允許的范圍內(nèi)，高效地獲得盡可能大的輸出功率。其主要功能是向負載提供高效地獲得盡可能大的輸出功率。其主要功能是向負載提供交流功率，帶動一定裝置執(zhí)行動作。交流功率，帶動一定裝置執(zhí)行動作。2. 功率放大電路的特點是信號的電流和電壓動態(tài)范圍大，工功率放大電路的特點是信號的電流和電壓動態(tài)范圍大，工作時易接近功率管的極限參數(shù)和特性曲線的非線性區(qū)。作時易接近功率管的極限參數(shù)和特性曲線的非線性區(qū)。3. 甲類功率放大電路的特點是失真小，但因為效率低，靜態(tài)甲類功率放大電路的特點是失真小，但因為效率低，靜態(tài)功耗高，所以采用乙類互補對稱功率放大電路，其理想情況功耗高，所以采用乙類