第八章 功率放大電路

1、 8.1 功率放大電路的一般問(wèn)題 8.2 甲類(lèi)互補(bǔ)功放 8.3 乙類(lèi)雙電源互補(bǔ)功率放大器 8.4 甲乙類(lèi)雙電源互補(bǔ)功率放大器 8.5 集成功率放大器第八章 功率放大電路例例1： 擴(kuò)音系統(tǒng)擴(kuò)音系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)功率放大器的作用：功率放大器的作用： 用作放大電路的用作放大電路的輸出級(jí)輸出級(jí)，以驅(qū)，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動(dòng)作、動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動(dòng)作、 儀表儀表指針偏轉(zhuǎn)等。指針偏轉(zhuǎn)等。 功功率率放放大大電電壓壓放放大大信信號(hào)號(hào)提提取取8.1 功率放大電路的一般問(wèn)題例例2：溫度控制溫度控制R1-R3:標(biāo)準(zhǔn)電阻標(biāo)準(zhǔn)電阻Va : 基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓Rt :熱敏電阻熱敏電阻A：

2、電壓放大器：電壓放大器RtTVOT 溫度調(diào)節(jié)溫度調(diào)節(jié)過(guò)程過(guò)程VbVO1R1aR2voVsc+R3Rt 功功 放放b溫控室溫控室A+-vo1加熱元件加熱元件1功率放大電路的定義功率放大電路的定義 功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。它一般直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，帶負(fù)載能力要強(qiáng)。路。它一般直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，帶負(fù)載能力要強(qiáng)。2功率放大電路與電壓放大電路的區(qū)別功率放大電路與電壓放大電路的區(qū)別 (1).本質(zhì)相同本質(zhì)相同電壓放大電路或電流放大電路：主要用于增強(qiáng)電壓幅度電壓放大電路或電流放大電路：主要用于增強(qiáng)電壓幅度或電流幅度?；螂娏鞣?。功率放大電路功率放大電

3、路: 主要輸出較大的功率。主要輸出較大的功率。但無(wú)論哪種放大電路，在負(fù)載上都同時(shí)存在輸出電壓、電流但無(wú)論哪種放大電路，在負(fù)載上都同時(shí)存在輸出電壓、電流和功率，從能量控制的觀點(diǎn)來(lái)看，放大電路實(shí)質(zhì)上都是能量和功率，從能量控制的觀點(diǎn)來(lái)看，放大電路實(shí)質(zhì)上都是能量轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換電路。因此，功率放大電路和電壓放大電路沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。稱(chēng)呼因此，功率放大電路和電壓放大電路沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。稱(chēng)呼上的區(qū)別只不過(guò)是強(qiáng)調(diào)的輸出量不同而已。上的區(qū)別只不過(guò)是強(qiáng)調(diào)的輸出量不同而已。(2). 任務(wù)不同任務(wù)不同(3).指標(biāo)不同指標(biāo)不同(4).研究方法不同研究方法不同電壓放大電路：主要任務(wù)是使負(fù)載得到不失真的電壓信號(hào)。電壓放大電路

4、：主要任務(wù)是使負(fù)載得到不失真的電壓信號(hào)。輸出的功率并不一定大。在小信號(hào)狀態(tài)下工作輸出的功率并不一定大。在小信號(hào)狀態(tài)下工作.功率放大電路：主要任務(wù)是使負(fù)載得到不失真（或失真較?。┕β史糯箅娐罚褐饕蝿?wù)是使負(fù)載得到不失真（或失真較?。┑妮敵龉β?。在大信號(hào)狀態(tài)下工作。的輸出功率。在大信號(hào)狀態(tài)下工作。電壓放大電路：主要指標(biāo)是電壓增益、輸入和輸出阻抗電壓放大電路：主要指標(biāo)是電壓增益、輸入和輸出阻抗.功率放大電路：主要指標(biāo)是功率、效率、非線性失真。功率放大電路：主要指標(biāo)是功率、效率、非線性失真。電壓放大電路：圖解法、等效電路法電壓放大電路：圖解法、等效電路法功率放大電路：圖解法功率放大電路：圖解法 (1)

5、(1)輸出功率輸出功率PoPo盡可能大盡可能大(2)(2)效率效率 要高要高PoPo大，電路的能量損耗也大(3)(3)非線性失真非線性失真 要小要小大信號(hào)工作狀態(tài)， 與PoPo、 是一對(duì)矛盾(4)(4)功放管散熱和保護(hù)問(wèn)題功放管散熱和保護(hù)問(wèn)題 3.3.功率放大電路的特殊問(wèn)題功率放大電路的特殊問(wèn)題 要求Vo和Io都足夠大根據(jù)靜態(tài)偏置靜態(tài)偏置或輸出功放管導(dǎo)通角導(dǎo)通角的不同，功放電路可分為四種:4.4.功率放大電路的分類(lèi)功率放大電路的分類(lèi) 甲類(lèi)甲類(lèi) 乙類(lèi)乙類(lèi) 甲乙類(lèi)甲乙類(lèi)丙類(lèi)丙類(lèi)類(lèi)別 工作點(diǎn) 波 形 導(dǎo)通角 特點(diǎn)甲類(lèi)甲乙類(lèi)乙類(lèi)較高較高較低較低最低最低360 180 180 360 無(wú)失真無(wú)失真效率低

6、效率低失真大失真大效率最高效率最高失真大失真大效率較高效率較高功放電路分類(lèi)比較表功放電路分類(lèi)比較表T1+VccOCL(無(wú)輸出電容)雙雙管：NPN、PNP特性相同且互補(bǔ) 雙雙共集電路雙雙電源供電 8.3 乙類(lèi)雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路又稱(chēng)OCL互補(bǔ)功放8.3.1 電路組成T1+Vcc-VccT2RLvo+-Vi+-vi正半周時(shí)結(jié)論：結(jié)論： 兩個(gè)三極管，輪流導(dǎo)電輪流導(dǎo)電（正、負(fù)半周）互補(bǔ)不足互補(bǔ)不足忽略三極管的開(kāi)啟電壓:T1導(dǎo)電iC1通過(guò)RLvi負(fù)半周時(shí)T2導(dǎo)電iC2通過(guò)RL合成合成完整、不失真波形互補(bǔ)推挽T1+Vcc-VccT2RLvo+-Vi+-OtiC12TOtiC2TOtiLiC1iC2工

7、作原理負(fù)載上的最大不失真電壓最大不失真電壓為Vom=VCC -VCESvo=-vce8.3.2 分析計(jì)算L2CESCCL2omomaxR2)VV(R2VPoooIVP1輸出功率輸出功率Po)VVV(R2VPCESCComL2CCoM略最大不失真功率為：最大不失真功率為：理想最大輸出功率為：理想最大輸出功率為：以正半周為例wtvsinVomo設(shè)：功率三角形Vom: 峰值Lcemcem22RVVL2cem2 RVL2om2 RV2 2三極管的管耗三極管的管耗P PT T )d(21=0T1tivPCCET2T1P=P)sin(210omtVVCC)4(12omomCCLVVVR)d(sinomtR

8、tVLT1T2PP )4(22omomCCLVVVR3 3直流電源供給功率直流電源供給功率PV)d(sin220LomCCttRVVCCCCV=IVPLomCC2RVV)d(sin220omCCttIVTOV=PPP當(dāng)Vom = VCC 時(shí)，max=/4 =78.5。CComLomCC2LomVo4R22RVVVVVPP4效率效率L22CCT1maxRVP問(wèn)：?jiǎn)枺篤om=？ PT1最大, PT1max=？用PT1對(duì)Vom求導(dǎo)得出：)4(12omomCCL1VVVRPToML2CC2 . 022 . 0PRV8.3.3 功率BJT的選擇1最大管耗和最大輸出功率的關(guān)系最大管耗和最大輸出功率的關(guān)系將

9、Vom=0.64VCC代入PT1表達(dá)式得:PT1max發(fā)生在Vom=2VCC/=0. 64VCC處2. 功率BJT的選擇(1)最大允許管耗PCM(2)|V(BR)CEO|(3)最大集電極電流ICM0.2POM2VCCLCCRV散熱與最大功耗散熱與最大功耗PCMPCM的關(guān)系的關(guān)系 電源供給的功率，一部分轉(zhuǎn)換為負(fù)載的有用功率，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度超過(guò)管芯材料的最大允許結(jié)溫TjM(鍺管TjM約為75100,硅管TjM約為150200)，則晶體管將永久損壞。這個(gè)界限稱(chēng)為晶體管的最大允許功耗PCM。 描述熱傳導(dǎo)阻力大小的物理量稱(chēng)為熱阻RT。 R

10、T的量綱為/W，它表示每消耗1W功率結(jié)溫上升的度數(shù)。為減小散熱阻力，改善散熱條件，通常采用加散熱器的方法。圖 (a)給出一種鋁型材散熱器的示意圖。加散熱器后，熱傳導(dǎo)阻力等效通路如圖 (b)所示。圖中： RTj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； RTc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)； RTf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)。散熱器和熱傳導(dǎo)阻力等效通路(a)鋁型材散熱器示意圖；(b)熱傳導(dǎo)阻力等效通路(熱阻計(jì)算) 由圖可見(jiàn)，不加散熱器時(shí)，總熱阻RTo為 由于管殼散熱面積很小，RTfo是很大的。 加散熱器后，由于(

11、RTc+RTf)RTfo，所以，總熱阻RT為 顯然，RTRTo。 功率管的最大允許功耗PCM與總熱阻RT、最高允許結(jié)溫TjM和環(huán)境溫度To有關(guān)，其關(guān)系式為T(mén)foTjToRRRTfTcTjTRRRRTojMCMRTTP二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) 功率管在實(shí)際應(yīng)用中，常發(fā)現(xiàn)功耗并未超額，管子也不發(fā)燙，但卻突然失效。這種損壞不少是由于“二次擊穿”所致。 二次擊穿現(xiàn)象可由圖 (a)來(lái)說(shuō)明。當(dāng)集電極電壓vCE增大時(shí)，首先可能出現(xiàn)一次擊穿(圖中AB段)。這種擊穿是正常的雪崩擊穿。二次擊穿的起點(diǎn)與iB大小有關(guān)。通常將其起、始點(diǎn)連線稱(chēng)為二次擊穿臨界線，如圖 (b)所示。功率管的二次擊穿現(xiàn)

12、象(a)二次擊穿現(xiàn)象；(b)二次擊穿臨界線 為保證功率管安全可靠地工作，除保證電流小于ICM、功耗小于PCM、工作反壓小于一次擊穿電壓V(BR)CEO外，還應(yīng)避免進(jìn)入二次擊穿區(qū)。所以，功率管的安全工作區(qū)如圖所示。 雙極型功率管的安全工作區(qū)乙類(lèi)放大的輸入輸出波形關(guān)系乙類(lèi)放大的輸入輸出波形關(guān)系:Vi-VccT1T2uo+VccRLiL失真失真死區(qū)電壓死區(qū)電壓vivovov o tttt輸入信號(hào)輸入信號(hào) vi在過(guò)零前后，輸出在過(guò)零前后，輸出信號(hào)出現(xiàn)的失真。信號(hào)出現(xiàn)的失真。vi很小時(shí),在正、負(fù)半周交替過(guò)零處會(huì)出現(xiàn)非線性失真，這個(gè)失真稱(chēng)為交越失真。乙類(lèi)雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路存在的問(wèn)題 8.4 甲乙類(lèi)

13、互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路 為解決交越失真，可給三極管稍稍加一點(diǎn)偏置，使之工作在甲乙類(lèi)甲乙類(lèi)。(a)利用二極管提供偏置電壓 參數(shù)計(jì)算參數(shù)計(jì)算：與乙類(lèi)功放同：與乙類(lèi)功放同 偏置電壓/VICQ/mATHD /%0.600.0481.220.650.330.2440.702.200.00680.7513.30.0028諧波失真度8.4.1 甲乙類(lèi)雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路T1+VccVi+-VccT2RLvo+-(b)利用三極管恒壓源提供偏置VCE4=VBE4(R1+R2)/R2OTLOTL（無(wú)輸出變壓器（無(wú)輸出變壓器) ) 單電源單電源電容器電容器CoCo選擇：選擇：靜態(tài)靜態(tài):V:Vk k= =V VCCCC

14、/ /2 2LL21fRC (5-10)8.4.2 甲乙類(lèi)單電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路動(dòng)態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析設(shè)輸入端在設(shè)輸入端在 0.5VCC 直流電平基礎(chǔ)上加入正弦信號(hào)。直流電平基礎(chǔ)上加入正弦信號(hào)。若輸出電容足夠大，若輸出電容足夠大， VC基本基本保持在保持在0.5VCC ，負(fù)載上得到的，負(fù)載上得到的交流信號(hào)正負(fù)半周對(duì)稱(chēng)，但存交流信號(hào)正負(fù)半周對(duì)稱(chēng)，但存在交越失真。在交越失真。ic1ic2交越失真交越失真RLviT1T2+VCCCAVL+-0.5VCCvit時(shí)，時(shí)，T1導(dǎo)通、導(dǎo)通、T2截止；截止；2CCViv 時(shí)，時(shí)，T1截止、截止、 T2導(dǎo)通。導(dǎo)通。2CCViv 輸出功率及效率輸出功率及效率若忽略交越失真的

15、影響，且若忽略交越失真的影響，且 vi 幅度足夠大。則：幅度足夠大。則：vLVLmaxvitt參數(shù)計(jì)算參數(shù)計(jì)算：OCLOCL公式中以公式中以V VCCCC/ /2 2取代取代V VCCCC )(8CComL2CCoMCESVVVRVP略理想最大輸出功率為：理想最大輸出功率為：實(shí)用實(shí)用OTL互補(bǔ)輸出功放電路互補(bǔ)輸出功放電路調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)R,使靜態(tài)使靜態(tài)VAQ=0.5VCCD1 、 D2使使b1和和b2之間的之間的電位差等于電位差等于2個(gè)二極管正個(gè)二極管正向壓降，克服交越失真。向壓降，克服交越失真。Re1 、 Re2：電阻值：電阻值12 ，射極負(fù)反饋電阻，也起射極負(fù)反饋電阻，也起限流保護(hù)作用。限流保護(hù)作

16、用。D1D2vi+VCCRLT1T2T3CRBRe1Re2b1b2A 當(dāng)輸出功率較大時(shí)往往采用復(fù)合管當(dāng)輸出功率較大時(shí)往往采用復(fù)合管復(fù)合管有四種形式：復(fù)合管有四種形式：達(dá)林頓管：由NPN、PNP復(fù)合而成。復(fù)合管極性極性= =前面管極性采用復(fù)合管的互補(bǔ)功放改進(jìn)后的改進(jìn)后的OCL準(zhǔn)互補(bǔ)輸出功放電路：準(zhǔn)互補(bǔ)輸出功放電路： T1：電壓推動(dòng)級(jí)電壓推動(dòng)級(jí) T2、R1、R2： VBE倍增電路倍增電路 T3、T4、T5、T6： 復(fù)合管構(gòu)成的輸出級(jí)復(fù)合管構(gòu)成的輸出級(jí)準(zhǔn)互補(bǔ)準(zhǔn)互補(bǔ) 輸出級(jí)中的輸出級(jí)中的T4、T6均為均為NPN型晶體管，兩者特性容易對(duì)稱(chēng)。型晶體管，兩者特性容易對(duì)稱(chēng)。+Vcc-VccR1R2RLviT1

17、T2T3T4T5T6廣泛用于音響、電視和小電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方面。廣泛用于音響、電視和小電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方面。大多數(shù)集成功率放大器大多數(shù)集成功率放大器= =運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器+ +互補(bǔ)功率輸互補(bǔ)功率輸出。出。 使用方法原則上與集成運(yùn)放相同，注意使用方法原則上與集成運(yùn)放相同，注意極限參數(shù)（功耗、最大允許電源電壓等）極限參數(shù)（功耗、最大允許電源電壓等）一般一般加有足夠大的加有足夠大的散熱器散熱器8.5集成功率放大器特點(diǎn)：特點(diǎn)：工作可靠、使用方便。只需在器件外部適工作可靠、使用方便。只需在器件外部適當(dāng)連線，即可向負(fù)載提供一定的功率。當(dāng)連線，即可向負(fù)載提供一定的功率。集成功放集成功放LM384LM384：生產(chǎn)廠家

18、：生產(chǎn)廠家：美國(guó)半導(dǎo)體器件公司美國(guó)半導(dǎo)體器件公司電路形式：電路形式：OTLOTL輸出功率：輸出功率：8 8 負(fù)載上可得到負(fù)載上可得到5W5W功率功率電源電壓：電源電壓：最大為最大為28V 28V 集成功放集成功放 LM384LM384管腳說(shuō)明管腳說(shuō)明: :1414 - 電源端（電源端（ V Vcccc）3 3、4 4、5 5、7 - 7 - 接地端（接地端（ GNDGND）1010、1111、12 -12 - 接地端（接地端（GNDGND）2 2、6 -6 - 輸入端（一般輸入端（一般2 2腳接地）腳接地） 8 -8 -輸出端輸出端( (經(jīng)經(jīng)500500 電容接負(fù)載電容接負(fù)載) ) )1 12 23 34 45 5 6 67 78 89 9101011111212131314141 -1 - 接旁路電容接旁路電容(5(5 ) )9 9、13 -13 - 空腳（空腳（NCNC）集成功放集成功放 LM384 LM384 外部電路典型接法：外部電路典型接法：500500 -+ + 0.10.1 2.72.7 8 814146 62 21 15 5 V Vccccv vi i8 8 調(diào)節(jié)音量調(diào)節(jié)音量電源濾波電容電源濾波電容外接旁路電容外接旁路電容低通濾波低通濾波, ,去除高頻噪聲去除高頻噪聲