第8章功率放大電路

1、(1-1)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-1)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第八章第八章 功率放大電路功率放大電路(1-2)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-2)第八章第八章 功率放大電路功率放大電路8.1 功率放大電路的特點(diǎn)與分類功率放大電路的特點(diǎn)與分類8.2 乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路8.3 甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路8.4 集成功率放大器集成功率放大器(1-3)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-3)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

2、的用作放大電路的輸出級(jí)輸出級(jí)，以，以驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動(dòng)作、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。 8.1 功率放大電路的特點(diǎn)和分類功率放大電路的特點(diǎn)和分類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(1-4)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-4)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(1-5)第第8

3、 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束（3）功放管的保護(hù)：管子工作在接近極限狀態(tài)。）功放管的保護(hù)：管子工作在接近極限狀態(tài)。 HomeNext 特點(diǎn)特點(diǎn) 功率放大電路是一種能夠向負(fù)載提供足夠大的功率功率放大電路是一種能夠向負(fù)載提供足夠大的功率的放大電路。因此，的放大電路。因此，要求同時(shí)輸出較大的電壓和電流。要求同時(shí)輸出較大的電壓和電流。 管子工作在接近極限狀態(tài)。管子工作在接近極限狀態(tài)。 一般直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，帶載能力要強(qiáng)。一般直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，帶載能力要強(qiáng)。 要解決的問題要解決的問題 （1）提高轉(zhuǎn)換效率：在電源電壓確定的情況下，輸）提高轉(zhuǎn)換效率：在電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的輸出功率；出盡可能大

4、的輸出功率； （2）減小失真：工作于大信號(hào)狀態(tài)容易產(chǎn)生非線性）減小失真：工作于大信號(hào)狀態(tài)容易產(chǎn)生非線性失真。失真。8.1.1 功率放大電路的特點(diǎn)功率放大電路的特點(diǎn)1. 概述概述(1-6)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束 無本質(zhì)的區(qū)別，都是能量的控制與轉(zhuǎn)換。不同之處在于，無本質(zhì)的區(qū)別，都是能量的控制與轉(zhuǎn)換。不同之處在于，各自追求的指標(biāo)不同：電壓放大電路追求不失真的電壓放各自追求的指標(biāo)不同：電壓放大電路追求不失真的電壓放大倍數(shù)；功率放大電路追求盡可能大的不失真輸出功率和大倍數(shù)；功率放大電路追求盡可能大的不失真輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。轉(zhuǎn)換效率。 主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo) （1）最大輸出功率）

5、最大輸出功率Pom ：在電路參數(shù)確定的情況下負(fù)：在電路參數(shù)確定的情況下負(fù)載可能獲得的最大交流功率。載可能獲得的最大交流功率。 分析方法分析方法 工作于大信號(hào)狀態(tài)，功放管的非線性不可忽略，宜采用工作于大信號(hào)狀態(tài)，功放管的非線性不可忽略，宜采用圖解分析法。圖解分析法。BackNextHome （2）轉(zhuǎn)換效率）轉(zhuǎn)換效率 ：最大輸出功率與電源提供的功率之：最大輸出功率與電源提供的功率之比，即比，即 Vom/=PP 思考題：思考題：(1-7)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束3BackNextHome 三極管根據(jù)正弦信號(hào)整三極管根據(jù)正弦信號(hào)整個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通情況，可個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通情況，可分為幾個(gè)

6、工作狀態(tài)：分為幾個(gè)工作狀態(tài)：乙類：乙類： = 180甲類：甲類： = 360甲乙類：甲乙類：180 360丙類：丙類： 0VT1導(dǎo)通，導(dǎo)通，T2截止截止iL= ic1 ;ui-VCCT1T2uo+VCCRLiLiL=ic2T1、T2兩個(gè)晶體管都只在半個(gè)周期內(nèi)工兩個(gè)晶體管都只在半個(gè)周期內(nèi)工作的方式，稱為作的方式，稱為乙類放大乙類放大。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均不均不 導(dǎo)通導(dǎo)通 uo=0V(1-12)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-12)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-VCCT1T2uo

7、+VCCRLiL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(hào)輸入信號(hào) ui在過零在過零前后，輸出信號(hào)出現(xiàn)的失真便前后，輸出信號(hào)出現(xiàn)的失真便為交越失真。為交越失真。(1-13)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-13)(1) 靜態(tài)電流靜態(tài)電流 ICQ、IBQ等于零；等于零；乙類放大的特點(diǎn)：乙類放大的特點(diǎn)：(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) 存在交越失真。存在交越失真。(1-14)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-14)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

8、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。ULmaxiL-VCCRLuiT1T2UL+VCC則負(fù)載（則負(fù)載（RL)上的電壓上的電壓和電流的最大幅值分別為：和電流的最大幅值分別為：LCESCCLCESCCLRUVIUVU maxmax二、二、OCL電路的輸出功率及效率電路的輸出功率及效率(1-15)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-15)2CESCComUVU 負(fù)載上得到的最大不失真輸出電壓、電流有效負(fù)載上得到的最大不失真輸出電壓、電流有效值及最大輸出功率分別為：值及最大輸出功率分別為：LCESCComRUVI2 LCESCCLomomRUVRUP2)(

9、22 (1-16)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-16)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：VCC1 =VCC2 =VCC 01)(sin21LCESCCLCESCCavRUVttdRUVILCESCCavavRUVII 12LCESCCCCVVVRUVVPPP 221(1-17)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-17)CCCESCCVomVUVPP 4 效率為：效率為：在理想情況下，若忽略晶體管的飽和壓降在理

10、想情況下，若忽略晶體管的飽和壓降UCESLCCVRVP 22 LCComRVP22 %5 .7842222 LCCLCCVomRVRVPP效率為：效率為：(1-18)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-18)三、三、 OCL電路中晶體管的選擇電路中晶體管的選擇在功率放大器中，應(yīng)根據(jù)晶體管所承受的最大管壓在功率放大器中，應(yīng)根據(jù)晶體管所承受的最大管壓降、集電極最大電流和最大功耗來選擇晶體管。降、集電極最大電流和最大功耗來選擇晶體管。1、最大管壓降、最大管壓降在輸入信號(hào)的正半周，當(dāng)在輸入信號(hào)的正半周，當(dāng)ui從從0逐漸增大時(shí)，逐漸增大時(shí)， T1 和和T2 的發(fā)射結(jié)電位的發(fā)射結(jié)電位uE從從

11、0逐漸增大到逐漸增大到VCC-UCES1,T2管壓管壓降為降為CCECCEECVuVuu )(2CCECVu 2122CESCCECUVu (1-19)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-19)212CESCCCEUVu 同理，在輸入信號(hào)的負(fù)半周，同理，在輸入信號(hào)的負(fù)半周，T1管壓降為管壓降為CCCEVu2max 在功率放大器中，根據(jù)晶體管所承受的最大管壓降在功率放大器中，根據(jù)晶體管所承受的最大管壓降選擇晶體管時(shí)，應(yīng)考慮留有一定的余量。選擇晶體管時(shí)，應(yīng)考慮留有一定的余量。2、集電極最大電流、集電極最大電流LCESCCECRUVII maxmax在功率放大器中，根據(jù)晶體管的在功率放

12、大器中，根據(jù)晶體管的集電極最大電流集電極最大電流選擇晶體管時(shí)，同樣應(yīng)考慮留有一定的余量。選擇晶體管時(shí)，同樣應(yīng)考慮留有一定的余量。LCCCRVI max(1-20)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-20)3、集電極最大功耗、集電極最大功耗管壓降和集電極電流瞬時(shí)值的表達(dá)式分別為管壓降和集電極電流瞬時(shí)值的表達(dá)式分別為tUVuOMCCCE sin tRUiLOMC sin 每只晶體管集電極功耗的表達(dá)式為每只晶體管集電極功耗的表達(dá)式為)4(1sin)sin(2120OMOMCCLLOMOMCCTUUVRttdRUtUVP (1-21)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-21

13、)令令0 OMTdUdPCCCCOMVVU6 . 02 LCCTRVP22max 當(dāng)忽略晶體管的飽和壓降當(dāng)忽略晶體管的飽和壓降UCES時(shí)時(shí)omomTPPP2 . 022max 在功率放大器中，根據(jù)晶體管的在功率放大器中，根據(jù)晶體管的集電極最大功耗集電極最大功耗選擇晶體管時(shí)選擇晶體管時(shí)omCMPP2 . 0 (1-22)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-22)結(jié)論：結(jié)論：CCCEOVBU2 omCMPP2 . 0 LCCCMRVI (1-23)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束8.2.2 單電源互補(bǔ)對(duì)稱乙類功率放大電路單電源互補(bǔ)對(duì)稱乙類功率放大電路圖圖8.1.4 OTL

14、電路電路(1-24)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束1.特點(diǎn)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。2.靜態(tài)分析靜態(tài)分析則則 T1、T2 特性對(duì)稱，特性對(duì)稱，2CCAVU 2CCCVU 2CCiVu 令：令：0.5VCCRLuiT1T2+VCCCAUL+-UC(1-25)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束3.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 直流電平直流電平基礎(chǔ)上加入正弦信號(hào)。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， 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(hào)正負(fù)半周對(duì)稱，但

15、存交流信號(hào)正負(fù)半周對(duì)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；2CCiVu 時(shí)，時(shí)，2CCiVu T1截止、截止、 T2導(dǎo)通。導(dǎo)通。0.5USCuit(1-26)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-26)1. 用二極管克服交越失真用二極管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非在于晶體管特性存在非線性，線性，ui IB，則，則221RRRUUBE(1-30)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-30)3. 電路中增加復(fù)合管電路中增加復(fù)合管增加

16、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(dòng)能力。擴(kuò)大電流的驅(qū)動(dòng)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 (,1212122211211(1-31)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-31)becibic 1 2晶體管的類型由復(fù)合管晶體管的類型由復(fù)合管中的第一支管子決定。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：(

17、1-32)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-32)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： T5、R3、R4： UBE倍增電路倍增電路 T1、T2、T3、T4： 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T2、T4均為均為NPN型晶體管，兩者特性容易對(duì)稱。型晶體管，兩者特性容易對(duì)稱。圖圖3.3.18 采用復(fù)合采用復(fù)合管的準(zhǔn)互補(bǔ)級(jí)輸出管的準(zhǔn)互補(bǔ)級(jí)輸出(1-33)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-33)8.4 集成功率放大電路集成功率放大電路特點(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

18、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(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：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 (1-34)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-34)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

19、輸出端 （經(jīng)（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）(1-35)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(8-35)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(hào)輸入信號(hào)輸出耦合大電容輸出耦合大電容(1-36)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束 例例: (: (北京郵電大學(xué)北京郵電大

20、學(xué)19991999年研究生入學(xué)試題年研究生入學(xué)試題) ) OTL OTL互補(bǔ)對(duì)稱功放互補(bǔ)對(duì)稱功放如圖所示如圖所示，設(shè)電容，設(shè)電容 C C足夠大足夠大， 三極管的飽和電壓降三極管的飽和電壓降V VCESCES=1V,=1V,問：?jiǎn)枺?(1)(1)按功放分類電路中按功放分類電路中T T1 1, T, T2 2, ,的工作方式為那的工作方式為那種；種； (2)(2)電阻電阻R R1 1和和D D1 1、D D2 2的作用；的作用； (3)(3)電位器電位器R RW W的作用；的作用； (4)(4)試求負(fù)載試求負(fù)載R RL L上得到的最大不失真輸出功率上得到的最大不失真輸出功率P Pomaxomax。

21、(1-37)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束 解：解： (1)(1)功率放大器分類通常以輸入信號(hào)的功率放大器分類通常以輸入信號(hào)的 一個(gè)周期中，三極管的導(dǎo)通狀態(tài)，即導(dǎo)通角一個(gè)周期中，三極管的導(dǎo)通狀態(tài)，即導(dǎo)通角 的大小劃分：的大小劃分： =2=2 甲甲 類類 = = 乙乙 類類 22 甲乙類甲乙類 丙丙 類類 電路中，電路中，T T1 1、 T T2 2、的導(dǎo)通角、的導(dǎo)通角 22 ，故，故 為甲乙類方式。為甲乙類方式。 (1-38)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束 (2)(2)為為T T1 1、T T2 2管提供靜態(tài)偏置電壓，動(dòng)態(tài)情況管提供靜態(tài)偏置電壓，動(dòng)態(tài)情況下可消除下可

22、消除 U Ui i幅度較小時(shí)由于三極管的死區(qū)而引幅度較小時(shí)由于三極管的死區(qū)而引起的交越失真。起的交越失真。 (3)(3)調(diào)節(jié)電位器使三極管調(diào)節(jié)電位器使三極管T T1 1、T T2 2基極基極B B1 1、B B2 2間間有一合適的電流有一合適的電流 D D和壓降和壓降V VB1B2B1B2, ,壓降壓降V VB1B2B1B2確保確保T T1 1、T T2 2 管在靜態(tài)時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。另外調(diào)整管在靜態(tài)時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。另外調(diào)整R Rw w可使可使電容電容C C兩端的電壓為兩端的電壓為0.5 0.5 V VCCCC。 (1-39)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束(4)(4)最大不失真輸出

23、功率最大不失真輸出功率LCESCCRVVP2max0)221(W64. 2T1T2D1D2R1R2RWRLC+15VUoI DUiA(1-40)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束 例例: : 某某OCLOCL互補(bǔ)對(duì)稱電路互補(bǔ)對(duì)稱電路如圖所示如圖所示，已知三，已知三極管極管T T1 1 、T T2 2的飽和壓降為的飽和壓降為V VCES CES =1V, V=1V, VCCCC=18V,=18V, R RL L= 8= 8 . . (1) (1)計(jì)算電路的最大不失真輸出功率計(jì)算電路的最大不失真輸出功率P Pomaxomax； (2)(2)計(jì)算電路的效率；計(jì)算電路的效率； (3)(3)求

24、每個(gè)三極管的最大管耗求每個(gè)三極管的最大管耗P PT T； (4)(4)為保證電路正常工作，所選三極管為保證電路正常工作，所選三極管U U(BR)CEO(BR)CEO和和 CMCM應(yīng)為多大；應(yīng)為多大；(1-41)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束 解：解：LCESCCRVVP2max0)2() 1 (W1 .18WRVPLCCV8 .252)2(2%2 .70max0VPPiU2RT2DD21R1WRT1RLUoVccAVcc(1-42)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束 (4)當(dāng)一個(gè)管子處于飽和狀態(tài)當(dāng)一個(gè)管子處于飽和狀態(tài)，另一個(gè)管子另一個(gè)管子c c、 e e間承受的電壓接近

25、間承受的電壓接近2V2VCCCC所以，所以，WRVPLCCT1 . 4)3(22VVUCCCEOBR362)(ARVLCCCM25. 2818(1-43)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束 討論：討論： 本題要求掌握雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路在極本題要求掌握雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路在極 限狀態(tài)下限狀態(tài)下 P Pomom、P PE E和和 的計(jì)算。要注意題中的計(jì)算。要注意題中 所用的公式是在極限條件下推導(dǎo)的，實(shí)際功所用的公式是在極限條件下推導(dǎo)的，實(shí)際功 放電路可工作于極限狀態(tài)也可工作在非極限放電路可工作于極限狀態(tài)也可工作在非極限 狀態(tài)，所以要注意公式的應(yīng)用條件，切勿死狀態(tài)，所以要注意公式的應(yīng)用條件，切勿死 套公式。套公式。(1-44)第第8 8章章 功率放大電路功率放大電路結(jié)束 例例: (: (北方交通大學(xué)北方交通大學(xué)20002000年研究生入學(xué)試題年研究生入學(xué)試題) ) 若要設(shè)計(jì)一個(gè)輸出功率為若要設(shè)計(jì)一個(gè)輸出功率為10W10W的乙類功率放大的乙類功率放大 器，則應(yīng)選擇器，則應(yīng)選擇P PCMCM至少為至少為_W_W的功率管兩只。的功率管兩只。 解：乙類功率放大器最大管耗與電路的最大解：乙類功率放大器最大管耗與電路的最大 輸出功率的關(guān)系是輸出功率的關(guān)系是 P PT1m T1m = 0.2 P= 0.2 Po o, ,要求輸出功要求輸出功