功率放大器課件

1、1 第八章第八章 功率放大器功率放大器模擬電路模擬電路 第八章第八章 功率放大器功率放大器8.1 功率放大電路概述功率放大電路概述8.2 互補(bǔ)對稱功率放大電路互補(bǔ)對稱功率放大電路8.3 實(shí)際功放電路實(shí)際功放電路8.4 集成功率放大器集成功率放大器8.5 變壓器耦合式功放電路變壓器耦合式功放電路例例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輸出級，以驅(qū)，以驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動作、動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動作、 儀表儀表指針偏轉(zhuǎn)等。指針偏轉(zhuǎn)等。 8.1 功率放大電路概述功率放大電路概述功功率率放放大大電

2、電壓壓放放大大信信號號提提取取例例2：溫度控制溫度控制R1-R3:標(biāo)準(zhǔn)電阻標(biāo)準(zhǔn)電阻Ua : 基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓Rt :熱敏電阻熱敏電阻A：電壓放大器：電壓放大器RtTUOT 溫度調(diào)節(jié)溫度調(diào)節(jié)過程過程UbUO1R1aR2uoUsc+R3Rt 功功 放放b溫控室溫控室A+-uo1加熱元件加熱元件分析功放電路應(yīng)注意的問題分析功放電路應(yīng)注意的問題(1) 功放電路中電流、電壓要求都比較大，功放電路中電流、電壓要求都比較大，必須注意電路參數(shù)不能超過晶體管的極必須注意電路參數(shù)不能超過晶體管的極限值限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。 ICMPCMUCEMIcuce(2) 電流、電壓信號比較大，必須注意防

3、止電流、電壓信號比較大，必須注意防止波形失真。波形失真。(3) 電源提供的能量盡可能轉(zhuǎn)換給負(fù)載，減少電源提供的能量盡可能轉(zhuǎn)換給負(fù)載，減少 晶體管及線路上的損失。即注意提高電路晶體管及線路上的損失。即注意提高電路的的效率效率（ ）。）。Pomax : 負(fù)載上得到的交流信號功率。負(fù)載上得到的交流信號功率。PE ： 電源提供的直流功率。電源提供的直流功率。%100maxEoPP不合適，因不合適，因?yàn)樾侍蜑樾侍?。 uotuo射極輸出器輸出電阻低，帶負(fù)載射極輸出器輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，可以用做功率放大器嗎能力強(qiáng)，可以用做功率放大器嗎？問題討論問題討論:ibRbuoUSCuiRE估算射極輸出

4、器的效率估算射極輸出器的效率 ：QicuceUSCESCRU(設(shè)設(shè)RL=RE)為使輸出信號的幅值盡可能大為使輸出信號的幅值盡可能大(要保證不失真要保證不失真)，靜，靜態(tài)工作點(diǎn)（態(tài)工作點(diǎn)（Q）設(shè)置較高（靠近負(fù)載線的中部）。）設(shè)置較高（靠近負(fù)載線的中部）。若忽略晶體管的飽和若忽略晶體管的飽和壓降和截止區(qū)，輸出壓降和截止區(qū)，輸出信號信號uo的峰值最大只的峰值最大只能為：能為：uo的取的取值范圍值范圍QIcuCEUSCESCRU直流負(fù)直流負(fù)載線載線交流負(fù)交流負(fù)載線載線UCEQ = 0.5USC 靜態(tài)工作點(diǎn)：靜態(tài)工作點(diǎn)：LSCESCCQRURUI5 . 05 . 0SComUU5 . 0maxTCSCE

5、dtiUTP01LSCLSCLomORURURUP825 . 02222maxmax%25maxmaxEOPP放大電路的輸出沒有失真的工作方式稱為放大電路的輸出沒有失真的工作方式稱為甲類放大甲類放大。)sin(tIIiIicmCQcCQCLSCCQSCTCSCTCSCERUIUdtiTUdtiUTP212001. 直流電源輸出的功率直流電源輸出的功率2. 最大負(fù)載功率最大負(fù)載功率3. 最大效率最大效率(RL=RE時(shí)時(shí))如何解決效率低的問題？如何解決效率低的問題？辦法：辦法：降低降低Q點(diǎn)。點(diǎn)。既降低既降低Q點(diǎn)又不會引起截止失真的辦法：點(diǎn)又不會引起截止失真的辦法：采用采用推挽輸出電路，推挽輸出電路

6、，或或互補(bǔ)對稱射極輸互補(bǔ)對稱射極輸出器。出器。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：但又會引起截止失真。但又會引起截止失真。8.2 互補(bǔ)對稱功率放大電路互補(bǔ)對稱功率放大電路 互補(bǔ)對稱功放的類型互補(bǔ)對稱功放的類型 無輸出變壓器形式無輸出變壓器形式 （ OTL電路）電路）無輸出電容形式無輸出電容形式 （ OCL電路）電路）OTL: Output TransformerLessOCL: Output CapacitorLess互補(bǔ)對稱：互補(bǔ)對稱：電路中采用兩支晶體管，電路中采用兩支晶體管，NPN、 PNP各一支；兩管特性一致。各一支；兩管特性一致。類型：類型：8.2.1 無輸出電容的互補(bǔ)對稱功放電路無輸出電容的互補(bǔ)對稱功放電

7、路一、工作原理（設(shè)一、工作原理（設(shè)ui為正弦波）為正弦波）電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：ui-USCT1T2uo+USCRLiL1. 由由NPN型、型、PNP型三極型三極管構(gòu)成兩個(gè)對稱的射極管構(gòu)成兩個(gè)對稱的射極輸出器對接而成。輸出器對接而成。2. 雙電源供電。雙電源供電。3. 輸入輸出端不加隔直電輸入輸出端不加隔直電容。容。ic1ic2動態(tài)分析：動態(tài)分析：ui 0VT1截止，截止，T2導(dǎo)通導(dǎo)通ui 0VT1導(dǎo)通，導(dǎo)通，T2截止截止iL= ic1 ;ui-USCT1T2uo+USCRLiLiL=ic2T1、T2兩個(gè)晶體管都只在半個(gè)周期內(nèi)工作的方兩個(gè)晶體管都只在半個(gè)周期內(nèi)工作的方式，稱為式，稱為

8、乙類放大乙類放大。因此，不需要隔直電容。因此，不需要隔直電容。靜態(tài)分析：靜態(tài)分析：ui = 0V T1、T2均不工作均不工作 uo = 0V乙類放大的輸入輸出波形關(guān)系乙類放大的輸入輸出波形關(guān)系:ui-USCT1T2uo+USCRLiL交越失真交越失真死區(qū)電壓死區(qū)電壓uiuouou o tttt交越失真：交越失真：輸入信號輸入信號 ui在過零在過零前后，輸出信號出現(xiàn)的失真便前后，輸出信號出現(xiàn)的失真便為交越失真。為交越失真。ui-USCT1T2uo+USCRLiL(1) 靜態(tài)電流靜態(tài)電流 ICQ、IBQ等于零；等于零；(2) 每管導(dǎo)通時(shí)間等于半個(gè)周期每管導(dǎo)通時(shí)間等于半個(gè)周期 ； (3) 存在交越失

9、真。存在交越失真。 乙類放大的特點(diǎn)：乙類放大的特點(diǎn)：分析計(jì)算分析計(jì)算圖解分析圖解分析1. 最大不失真輸出功率最大不失真輸出功率Pomax 2)( )2(=L2CESCCL2CESCComaxRVVRVVP 實(shí)際輸出功率實(shí)際輸出功率L2omLomomooo222=RVRVVIVP 分析計(jì)算分析計(jì)算忽略忽略VCES時(shí)時(shí)L2CComax2RVP 分析計(jì)算分析計(jì)算單個(gè)管子在半個(gè)周期內(nèi)的管耗單個(gè)管子在半個(gè)周期內(nèi)的管耗)(d )(21=0LooCCT1tRvvVP 2. 管耗管耗PT兩管管耗兩管管耗)d( sin)sin(210LomomCCtRtVtVV )d( )sinsin(2102L2omLomC

10、CttRVtRVV )4(12omomCCLVVVR T2T1T=PPP)4(22omomCCLVVVR 3. 電源供給的功率電源供給的功率PV ToV=PPPLomCC2RVV當(dāng)當(dāng)時(shí)，時(shí)， CComVV 2L2CCVmRVP 4. 效率效率 CComVo4=VVPP 當(dāng)當(dāng)時(shí)，時(shí)， CComVV % 78.54 分析計(jì)算分析計(jì)算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)系因?yàn)橐驗(yàn)?.3.3 功率功率BJT的選擇的選擇)4(12omomCCLT1VVVRP 當(dāng)當(dāng) 0.6VCC 時(shí)具有最大管耗時(shí)具有最大管耗CCom2VV 0.2Pom L2CC2T1m1RVP 選管依據(jù)之一選管依

11、據(jù)之一P390 例例8.3.1需要記憶的幾對公式：需要記憶的幾對公式：輸出功率：輸出功率：8.3.1，8.3.2 管耗：管耗：8.3.3， 8.3.11電源功率：電源功率：8.3.5，8.3.6二、最大輸出功率及效率的計(jì)算二、最大輸出功率及效率的計(jì)算假設(shè)假設(shè) ui 為正弦波且幅度足夠大，為正弦波且幅度足夠大，T1、T2導(dǎo)通時(shí)均能飽和，此時(shí)輸出導(dǎo)通時(shí)均能飽和，此時(shí)輸出達(dá)到最大值。達(dá)到最大值。ULmax負(fù)載上得到的最大功率為：負(fù)載上得到的最大功率為：iL-USCRLuiT1T2UL+USC若忽略晶體管的飽和若忽略晶體管的飽和壓降，壓降，則負(fù)載（則負(fù)載（RL)上的電上的電壓和電流的最大幅值分別壓和電

12、流的最大幅值分別為：為：LSCLmSCLmRUIUUmaxmaxLSCLSCSCoRURUUP21222max電源提供的直流平均功率計(jì)算：電源提供的直流平均功率計(jì)算： 每個(gè)電源中的電流為半個(gè)正弦波，其平均值為每個(gè)電源中的電流為半個(gè)正弦波，其平均值為:兩個(gè)電源提供的總功率為：兩個(gè)電源提供的總功率為：USC1 =USC2 =USC01)(sin21LSCLSCavRUttdRUILSCavavRUII12LSCLSCSCEEERURUUPPP22122 tic1LSCRU%5 .7842222maxLSCLSCEoRURUPP效率為：效率為：LSCLSCSCEEERURUUPPP22122LSCL

13、SCSCoRURUUP21222max三、電路的改進(jìn)三、電路的改進(jìn)1. 克服交越失真克服交越失真交越失真產(chǎn)生的原因：交越失真產(chǎn)生的原因： 在于晶體管特性存在在于晶體管特性存在非線性，非線性，ui IB，則，則221RRRUUBE3. 電路中增加復(fù)合管電路中增加復(fù)合管增加復(fù)合管的目的是：增加復(fù)合管的目的是：擴(kuò)大電流的驅(qū)動能力。擴(kuò)大電流的驅(qū)動能力。復(fù)合管的構(gòu)成方式：復(fù)合管的構(gòu)成方式：cbeT1T2ibicbecibic方式一：方式一：bcccbcbebbciiiiiiiiiii)1 (,)1 (,1212122211211becibic 1 2晶體管的類型由復(fù)合管中的第一支管子決定。晶體管的類型由

14、復(fù)合管中的第一支管子決定。方式二：方式二：cbeT1T2ibic復(fù)合管構(gòu)成方式很多。不論哪種等效方式，等效復(fù)合管構(gòu)成方式很多。不論哪種等效方式，等效后晶體管的性能確定均如下：后晶體管的性能確定均如下：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：電壓推動級電壓推動級 T1、R1、R2： UBE倍增電路倍增電路 T3、T4、T5、T6： 復(fù)合管構(gòu)成的輸出級復(fù)合管構(gòu)成的輸出級準(zhǔn)互補(bǔ)準(zhǔn)互補(bǔ) 輸出級中的輸出級中的T4、T6均為均為NPN型晶體管，兩者特性容易對稱。型晶體管，兩者特性容易對稱。+USC-USCR1R2RLuiT1T2T3T4T5T6-UEE+UCCERCT1RCT

15、2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第第4 4級：互補(bǔ)對稱射極跟隨器級：互補(bǔ)對稱射極跟隨器差動放大器差動放大器第第2級級第第1級：級：差動放大器差動放大器第第3級：級：單管放大器單管放大器集成運(yùn)放內(nèi)部的功率放大器集成運(yùn)放內(nèi)部的功率放大器8.4.2 甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路靜態(tài)時(shí)，偏置電路使靜態(tài)時(shí)，偏置電路使VKVCC/2（電容（電容C充電達(dá)到穩(wěn)充電達(dá)到穩(wěn)態(tài)）。態(tài)）。end當(dāng)有信號當(dāng)有信號vi時(shí)時(shí)負(fù)半周負(fù)半周T1導(dǎo)通，有電流通過負(fù)導(dǎo)通，有電流通過負(fù)載載RL，同時(shí)向，同時(shí)向C充電充電正半周正半周T2導(dǎo)通，則已充電的電導(dǎo)通，則已充電的電容

16、容C通過負(fù)載通過負(fù)載RL放電。放電。只要滿足只要滿足RLC T信信，電容，電容C就就可充當(dāng)原來的可充當(dāng)原來的VCC。計(jì)算計(jì)算Po、PT、PV和和PTm的公式的公式必須加以修正，以必須加以修正，以VCC/2代替原代替原來公式中的來公式中的VCC。 8.2.2 無輸出變壓器的互補(bǔ)對稱功放電路無輸出變壓器的互補(bǔ)對稱功放電路一、特點(diǎn)一、特點(diǎn)1. 單電源供電；單電源供電；2. 輸出加有大電容。輸出加有大電容。二、靜態(tài)分析二、靜態(tài)分析則則 T1、T2 特性對稱，特性對稱，,2SCAUU2SCCUU2SCiUu 令：令：0.5USCRLuiT1T2+USCCAUL+-UC三、動態(tài)分析三、動態(tài)分析設(shè)輸入端在設(shè)

17、輸入端在 0.5USC 直流電平基礎(chǔ)上加入正弦信號。直流電平基礎(chǔ)上加入正弦信號。若輸出電容足夠大，若輸出電容足夠大， UC基本基本保持在保持在0.5USC ，負(fù)載上得到的，負(fù)載上得到的交流信號正負(fù)半周對稱，但存交流信號正負(fù)半周對稱，但存在交越失真。在交越失真。ic1ic2交越失真交越失真RLuiT1T2+USCCAUL+-時(shí)，時(shí)，T1導(dǎo)通、導(dǎo)通、T2截止；截止；2SCiUu 時(shí)，時(shí)，2SCiUu T1截止、截止、 T2導(dǎo)通。導(dǎo)通。0.5USCuit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)UAQ=0.5USCD1 、 D2使使b1和和b2之間的之間的電位差等于電位差

18、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)作用。D1D2ui+USCRLT1T2T3CRBRe1Re2b1b2A9.3 實(shí)際功放電路實(shí)際功放電路這里介紹一個(gè)實(shí)用的這里介紹一個(gè)實(shí)用的OCL準(zhǔn)互補(bǔ)功放電路。其準(zhǔn)互補(bǔ)功放電路。其中主要環(huán)節(jié)有中主要環(huán)節(jié)有 ： (1) 恒流源式差動放大輸入級（恒流源式差動放大輸入級（T1、T2、T3）；）；(2) 偏置電路（偏置電路（R1、D1、D2）；）；(3) 恒流源負(fù)載（恒流源負(fù)載（T5）；）；(4) OCL準(zhǔn)互補(bǔ)功放輸出級（準(zhǔn)互補(bǔ)功

19、放輸出級（T7、T8、T9、 T10）；）；(5) 負(fù)反饋電路（負(fù)反饋電路（Rf、C1、Rb2構(gòu)成交流電壓串聯(lián)負(fù)反構(gòu)成交流電壓串聯(lián)負(fù)反饋）；饋）； (6) 共射放大級（共射放大級（T4）；）；(7) 校正環(huán)節(jié)（校正環(huán)節(jié)（C5、R4）；）；(8) UBE倍增電路（倍增電路（T6、R2、R3）；）；(9) 調(diào)整輸出級工作點(diǎn)元件（調(diào)整輸出級工作點(diǎn)元件（Re7、Rc8、Re9、Re10）。）。+24VuiRLT7T8RC8-24VR2R3T6Rc1T1T2Rb1Rb2C1RfR1D1D2T3Re3T4Re4C2T5Re5C3C4T9T10Re10Re7Re9C5R4BX差動放大級差動放大級反饋級反饋級

20、偏置電路偏置電路共射放大級共射放大級UBE倍增倍增電路電路恒流源恒流源負(fù)載負(fù)載準(zhǔn)互補(bǔ)功放級準(zhǔn)互補(bǔ)功放級保險(xiǎn)管保險(xiǎn)管負(fù)載負(fù)載實(shí)用的實(shí)用的OCL準(zhǔn)互補(bǔ)功放電路：準(zhǔn)互補(bǔ)功放電路：輸出功率的估算：輸出功率的估算：輸出電壓的最大值約為輸出電壓的最大值約為 19.7V，設(shè)負(fù)載，設(shè)負(fù)載 RL= 8 則最大輸出功率為：則最大輸出功率為：實(shí)際輸出功率約為實(shí)際輸出功率約為 20W。注：注：該實(shí)用功放電路的詳細(xì)分析計(jì)算請參考該實(shí)用功放電路的詳細(xì)分析計(jì)算請參考模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（童詩白主編）。（童詩白主編）。W3 .248127 .192maxP9.4 集成功率放大器集成功率放大器特點(diǎn)：特點(diǎn)：工作可靠、

21、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LM384：生產(chǎn)廠家：生產(chǎn)廠家：美國半導(dǎo)體器件公司美國半導(dǎo)體器件公司電路形式：電路形式：OTL輸出功率：輸出功率：8 負(fù)載上可得到負(fù)載上可得到5W功率功率電源電壓：電源電壓：最大為最大為28V 集成功放集成功放 LM384管腳說明管腳說明:14 - 電源端（電源端（ Vcc）3、4、5、7 - 接地端（接地端（ GND）10、11、12 - 接地端（接地端（GND）2、6 - 輸入端輸入端 （一般（一般2腳接地）腳接地） 8 - 輸出端輸出端 （經(jīng)（

22、經(jīng)500 電容接負(fù)載）電容接負(fù)載）)12345 678910111213141 - 接旁路電容（接旁路電容（5 ）9、13 - 空腳（空腳（NC）集成功放集成功放 LM384 外部電路典型接法：外部電路典型接法：500 -+ 0.1 2.7 8146215 Vccui8 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輸入信號輸入信號輸出耦合大電容輸出耦合大電容利用變壓器的阻抗變換功能，可實(shí)現(xiàn)功放電路和負(fù)利用變壓器的阻抗變換功能，可實(shí)現(xiàn)功放電路和負(fù)載間的匹配，以彌補(bǔ)其它類型功放電路的不足。載間的匹配，以彌補(bǔ)其它類型功放電路的不足。一、特

23、點(diǎn)一、特點(diǎn)例：例：OCL電路中電路中，若若 RL=80 、需要輸出功率需要輸出功率 PO=50W。根據(jù)公式根據(jù)公式 LSCoRUP22max 得電源電壓：得電源電壓：V9025080SCU90V的電壓的電壓對電子電路顯然不合適。對電子電路顯然不合適。利用變壓器阻抗變換關(guān)系利用變壓器阻抗變換關(guān)系( RL = K2 RL)，把阻抗變，把阻抗變小，便可解決以上問題。小，便可解決以上問題。9.5 變壓器耦合式功放電路變壓器耦合式功放電路 （變阻抗）（變阻抗）1i1u2u2iLR1N2N變壓器原、副邊阻抗關(guān)系變壓器原、副邊阻抗關(guān)系LLRKR222IURL從原邊等效：從原邊等效：22222211KRKIU

24、KIKUIURLL結(jié)論：結(jié)論：變壓器原邊的等效負(fù)載，為副邊所帶負(fù)載變壓器原邊的等效負(fù)載，為副邊所帶負(fù)載乘以變比的平方。乘以變比的平方。 二、乙類變壓器耦合式推挽功率放大器二、乙類變壓器耦合式推挽功率放大器1.1.原理電路原理電路uiT2T1RL+-USCiLN2N1N1放大器：放大器：由兩個(gè)共射極放大器組成，兩個(gè)三極管由兩個(gè)共射極放大器組成，兩個(gè)三極管的射極接在一起。的射極接在一起。輸入變壓器：輸入變壓器：將輸入信號分成兩個(gè)大小相等相位相反將輸入信號分成兩個(gè)大小相等相位相反的信號，分別送兩個(gè)放大器的基極，使的信號，分別送兩個(gè)放大器的基極，使 T1、T2 輪流導(dǎo)通。輪流導(dǎo)通。輸出變壓器：輸出變壓器：將兩個(gè)集電極輸出信號合為一個(gè)信號，將兩個(gè)集電極輸出信號合為一個(gè)信