模擬電子電路第九章功率電路及系統(tǒng)1

1、1第第9 9章章 功率電路及系統(tǒng)功率電路及系統(tǒng)291 功率放大器功率放大器911功率放大器的特點及工作狀態(tài)分類功率放大器的特點及工作狀態(tài)分類一、特點一、特點(1) 給負(fù)載提供不失真的、足夠大的功率。(3) 分析方法以圖解法為主。(2) 大信號工作。以提供給負(fù)載足夠大的功率為主要目標(biāo)的放大器。3 (4) 非線性失真與其他交流指標(biāo)間的矛盾突出。 (5) 提高效率成為重要的關(guān)注點。在效率高、非線性失真小、安全工作的前提下，向負(fù)載提供足夠大的功率。對功率放大器的要求：對功率放大器的要求：(6) 功率器件的安全問題必須考慮。4甲類甲類Q乙類乙類丙類丙類QQ甲乙類甲乙類二、工作狀態(tài)分類二、工作狀態(tài)分類5i

2、Ct0iCuBEQ0圖91放大器的工作狀態(tài)分類(a) 甲類(導(dǎo)通角為180)非線性失真小，但能量轉(zhuǎn)換效率太低。%50理想情況下：6iCt0iCuBEQ(b)20 (b)乙類(導(dǎo)通角為90)圖91放大器的工作狀態(tài)分類非線性失真大，但能量轉(zhuǎn)換效率很高?？赏ㄟ^改進電路結(jié)構(gòu)，減小非線性失真。%5 .784理想情況下：7iCt0iCuBEQ(c)0(c)丙類(導(dǎo)通角90)圖91放大器的工作狀態(tài)分類主要用于高頻功放中。進一步提高能量轉(zhuǎn)換效率。8UCCRLRLN1N2RBVCBui(a)電路圖92甲類功放電路及交、直流負(fù)載線LLRnR2912 甲類甲類(A類類)功率放大器功率放大器一、電路一、電路變壓器耦合

3、，在ICQ一定時，通過調(diào)整變壓比，使負(fù)載獲得最大功率。9iCt0ICQICQICQuCEiCuCEt00UCEQUCUCC(b)Q直流負(fù)載線交流負(fù)載線iB1RLIC圖92甲類功放電路及交、直流負(fù)載線mmcmcmLIUP21UCCRLRLN1N2RBVCBui(a)10二、功率與效率的計算二、功率與效率的計算1.電源供出功率PECQCCcmCQCCTEIUdttIIUTP)sin(10 2. 負(fù)載得到的交流功率PL設(shè)變壓器效率T=1,則 ，即LLRRLPPPPE固定不變，與交流信號的大小或有無均無關(guān)。固定不變，與交流信號的大小或有無均無關(guān)。mmUCCRLRLN1N2RBVCBui(a)11Lcm

4、cmcmcmcmTLRUIUtdtItUTP202121sinsin1CQcmCCcmIIUU(max)(max),最佳負(fù)載情況下：此時最大輸出功率PLm為CQCCLmIUP21mmUCCRLRLN1N2RBVCBui(a)123. 管子功耗PC LECPPP 4. 轉(zhuǎn)換能量的效率UCCRLRLN1N2RBVCBui(a)13021sinsin1122TLcmcmcmcmcmLPUt ItdtTUUIRCQCCcmCQCCTEIUdttIIUTP)sin(10CQCCcmcmELIUIUPP21當(dāng)Ucm(max)=UCC, Icm(max)=ICQ時，效率達(dá)到最高：%5021m 4. 轉(zhuǎn)換能量

5、的效率mm14如何解決效率低的如何解決效率低的問題？問題？辦法：辦法：降低降低Q點。點。既降低既降低Q點又不會引起截止失真的辦法：點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，或稱或稱互補對稱射極互補對稱射極輸出器。輸出器。缺點：缺點：但又會引但又會引起截止失真。起截止失真。mm15 互補對稱功放的類型互補對稱功放的類型 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互補對稱：互補對稱：電路中采用兩支晶體管，電路

6、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： 互補對稱功率放大電路互補對稱功率放大電路16的結(jié)構(gòu)特點：的結(jié)構(gòu)特點：1. 由由NPN型、型、PNP型三極管構(gòu)成兩個對稱的射極輸出型三極管構(gòu)成兩個對稱的射極輸出器對接而成。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容。輸入輸出端不加隔直電容。無輸出電容的（無輸出電容的（OCL）互補對稱功放電路）互補對稱功放電路uiV1V2V0VD1VD2ICOiC1iC2UCCuoUEE0uoRLiC1iC217 913 互補跟隨乙類互補跟隨乙類(B類類)功率放大器功率放大器一、雙電源互補跟隨乙

7、類功率放大器一、雙電源互補跟隨乙類功率放大器 (OCL電電路路)1.電路OTL、OCL、BTL、變壓器耦合式等。OTL：Output transformerless。OCL：Output capacitorless。BTL：Balanced transformerless。（橋式推挽電路）18uiV1V2V0VD1VD2ICOiC1iC2UCCuoUEE0uoRLiC1iC2圖93 互補跟隨乙類功率放大器(OCL電路) 21CEEECCCEuUUu0cu1ci2ci0cu乙類互補功率放大電路波形的交越失真乙類互補功率放大電路波形的交越失真.avi191Ci1BEu2Ci2BEu圖9-3-1 O

8、CL電路中晶體管輸入回路工作示意圖 202. 功率與效率的計算0Icm(max)uCE1iC10Ucem(max)(a)T2Q(0, UCC)UCCRLUcemIcm圖94互補跟隨乙類功放負(fù)載線及工作點 (a)單管負(fù)載線；(b)雙管負(fù)載線 LCCCCERiUu1121LCEECERiUu220iC2uCE 2Q- UEEUEERLuCE1iC10Ucem(max)Q UCCUCCRL圖941 互補跟隨乙類功放單管負(fù)載線及工作點 LCCCCERiUu1122圖94互補跟隨乙類功放負(fù)載線及工作點 (a)單管負(fù)載線；(b)雙管負(fù)載線 t0iC1iC20iC1iC2uCE1Q (0, UCC)uce1

9、(b)iC乙類互補功率放大電路波形的合成乙類互補功率放大電路波形的合成.avi231)輸出交流功率PLLCCLRUP2221令 稱之為電壓利用系數(shù)，那么CComUULomcemcmomlmLRUUIUIP2212121V1、V2為半周工作，但負(fù)載電流卻是完整的正弦波。uiV1V2V0VD1VD2ICOiC1iC2UCCuoUEE0uoRLiC1iC224 信號增大，Uom增大，電壓利用率也增大。若忽略集電極飽和電壓，則最大=1，故最大輸出功率PLm為 LCCLmRUP221LCCLRUP222125當(dāng)信號為零時，工作點接近于截止點，ICQ=0，電源不提供功率；而隨著信號的增大，iC增大，電源提

10、供的功率也將隨之增大。這點與A類功放有本質(zhì)的差別。LomCCcmCCmcEEmcCCRUUIUIUIU2221PE=UCC(iC1的直流分量)+|UEE|(iC2的直流分量)2)電源提供的功率uiV1V2V0VD1VD2ICOiC1iC2UCCuoUEE0uoRLiC1iC226LCCEmRUP22當(dāng)信號最大時，Uom(max)UCC，所以電源輸出的最大功率為 LomCCcmCCERUUIUP 22273)每管轉(zhuǎn)換能量的效率 44221222CComLomCCLomELELUURUURUPPPP當(dāng)信號最大，=1時，效率達(dá)到最高： %5 .784mB類的效率遠(yuǎn)比A類的高。信號越大，效率越高。ui

11、V1V2V0VD1VD2ICOiC1iC2UCCuoUEE0uoRLiC1iC2284)每個管子損耗PCLomLomCCLECRURUUPPP24122 可見，每個管子的損耗PC是輸出信號振幅的函數(shù)。將PC對Uom求導(dǎo)，可得出最大管耗PCm。令0)21(1omCCLomCUURdUdP292 . 022112222LCCLCCLmCmRURUPPLCCCCCCCCLCmRUUUURP2221)2(4121得出，當(dāng) 時，每管的損耗最大： CComUU2303.選擇功率管(1)已知PLm及RL，選UCC，則LLmCCLCCLmRPURUP2212(2)已知PLm，選擇管子允許的最大功耗PCM。管子

12、允許的最大功耗LmCmCMPPP2 . 0例如要求輸出功率為10w時則只要選用兩個額定管耗大于2w的管子就可以了。31 (3)管子的擊穿電壓U(BR)CEO。CCCEOBRUU2)(4)管子允許的最大電流ICM。LCCcmCMRUII32 二個三極管二個三極管 的總功耗的總功耗0.4P0M，每個三極管的最，每個三極管的最大功耗為大功耗為PTM=0.2P0M4.OCL乙類互補對稱電路的特點乙類互補對稱電路的特點OCL電路省去了大電容，即改善了低頻響應(yīng)，又電路省去了大電容，即改善了低頻響應(yīng)，又 便便于集成化；于集成化；注意注意：二個三極管的發(fā)射極直接連接到負(fù)載上，如：二個三極管的發(fā)射極直接連接到負(fù)

13、載上，如果果Q點失調(diào)，電路將點失調(diào)，電路將過載過載，損壞電路，常常在負(fù)載，損壞電路，常常在負(fù)載回路接入回路接入熔斷器熔斷器作為保護。作為保護。33二二. .單電源供電的互補推挽電路單電源供電的互補推挽電路(OTL)(OTL) 1. 1. 電路特點電路特點 (1) 單電源供電；單電源供電； (2) 負(fù)載串接大容量隔直電容負(fù)載串接大容量隔直電容 C, VCC 與兩管串接，若兩管特性配對，與兩管串接，若兩管特性配對，則則 VA = VCC/2，C 實際上等效為電實際上等效為電壓等于壓等于 VCC/2 的直流電源。的直流電源。VT1 管的直流供電電壓：管的直流供電電壓：VCC VAVCC/2VT2 的

14、供電電壓：的供電電壓： VA 0 VCC/2 單電源供電電路等效單電源供電電路等效為為 VCC/2 和和 VCC/2 的雙電源供電電路的雙電源供電電路。 34適當(dāng)適當(dāng)選擇選擇 R1、 R2 的數(shù)值，使的數(shù)值，使 VB1 和和 VB2 恰好給恰好給 VT1、VT2 提供提供最佳靜態(tài)偏置，使它們的中點電位最佳靜態(tài)偏置，使它們的中點電位 VA = VCC /2 。因而電容。因而電容 C 兩端電壓兩端電壓等于等于 VA ，即，即VCC /2。這樣，。這樣，VT1 和和 VT2 管的電源電壓均為管的電源電壓均為 VCC /2 。（2）工作原理）工作原理 靜態(tài)時靜態(tài)時35 動態(tài)時動態(tài)時ui 0，VT1 導(dǎo)

15、通而導(dǎo)通而 VT2 截止，截止， io = ic1 ，路徑為：，路徑為： ui 0 ，VT2 導(dǎo)通而導(dǎo)通而 VT1 截止，電容截止，電容 C 釋放儲能供給，路釋放儲能供給，路徑為：徑為： io 在在 RL 上形成正半周輸出電壓上形成正半周輸出電壓 uo ，同時給電容，同時給電容 C 充電，補充電，補充儲能。充儲能。地地負(fù)負(fù)載載電電容容極極管管極極管管 LCCeVT1cVT1RCV負(fù)負(fù)極極電電容容負(fù)負(fù)載載極極管管極極管管正正極極CRCLcVT2eVT2 io 在在 RL 上形成負(fù)半周輸出電壓上形成負(fù)半周輸出電壓 uO。 36電容電容 C 的作用：的作用：1) )充當(dāng)充當(dāng) VCC / 2 電源電源

16、2) )耦合交流信號耦合交流信號 只需將雙電源計算公式只需將雙電源計算公式中的中的VCC換成換成1/2VCC即可。即可。如：如： （3）最大輸出功率）最大輸出功率L2L2CCLm/(1/8)/2)(1/2)(CCRVRVP 37實用實用OTL互補輸出功放電路互補輸出功放電路調(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等于2個二極管正個二極管正向壓降，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，也起限射極負(fù)反饋電阻，也起限流保護作用。流保護作用。D1D2ui+USCRLT1T2T3CRBR

17、e1Re2b1b2A383. 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：擴大電流的驅(qū)動能力。擴大電流的驅(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 (,121212221121139becibic 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：

18、40T1T2T3T4放大器ViRL+EC+Vo+ 準(zhǔn)互補對稱式OTL電路 # OTL電路的指標(biāo)計算和乙類推挽功放完全一樣，只須將變壓器耦合中的EC換成1/2EC。41uiV1V2V0UCCICOR1R2RLV4V3UEEuo圖97 準(zhǔn)互補乙類功率放大器電路42（1） 靜態(tài)偏置靜態(tài)偏置（2）動態(tài)工作情況）動態(tài)工作情況 調(diào)整調(diào)整R1、R2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：輸出電壓正方向變化的幅度受到限制，達(dá)不到輸出電壓正方向變化的幅度受到限制，達(dá)不到VCC/2。實際電路實際電路克服交越失真克服交越失真43

19、+-+44ViRL+ECT2T1+T3+R1R2R3ReD1D2Vo+CRDK靜態(tài)時，電容兩端的電壓VC = ECVRVK = 1/2ECVR當(dāng)時間常數(shù)RC足夠大時，電容上的電壓不隨vi而變，為定值。當(dāng)當(dāng)vi為負(fù)時，為負(fù)時，T1導(dǎo)通，導(dǎo)通，K點電位升高點電位升高。VD = VC+VK = ECVR+Vo 當(dāng)當(dāng)Vo增加到增加到Vo VR時，時，D點電位高于點電位高于EC，使使T1充分導(dǎo)通。充分導(dǎo)通。VD = VC+VK = 1/2ECVR+ 1/2EC+Vo= ECVR+Vo45圖圖 9.3.19.3實際的功率放大電路實際的功率放大電路9.3.1OTL 音頻功率放大電路音頻功率放大電路中中間間級

20、級前前置置放放大大級級功功率率放放大大級級電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋電容：相位補償電容：相位補償461. 閉環(huán)電壓放大倍數(shù)閉環(huán)電壓放大倍數(shù)1011 . 01 . 01014144iof RRRFUUAu2. 最大輸出功率最大輸出功率Lom2om2RUP V 4.5V)5 . 01212(2R11CESCCom UUVU W63. 0W)165 . 421(22Lom2om所以所以 RUP實際上功率管不能工作在接近飽和區(qū)，本電路的實際上功率管不能工作在接近飽和區(qū)，本電路的實際輸出功率小于或等于實際輸出功率小于或等于0.5W。479.3.2OCL 高保真功率放大電路高保真功率放大電路圖圖 9.3

21、.2高保真高保真 OTL 功率放大電路功率放大電路帶恒流源的差動放大輸入級帶恒流源的差動放大輸入級共射放大電路中間級共射放大電路中間級OCL準(zhǔn)互補對稱電路準(zhǔn)互補對稱電路電壓串聯(lián)交流負(fù)反饋電壓串聯(lián)交流負(fù)反饋相位補償相位補償481. 閉環(huán)電壓放大倍數(shù)閉環(huán)電壓放大倍數(shù)5 .3662. 062. 022b2Fb2iof RRRUUAu2. 最大輸出功率最大輸出功率Lom2om2RUP V7 . 91V)18 . 027 . 0124(Re9BE9BE7Re4EC4CCom UUUUUVU W3 .24W)87 .1921(22Lom2om RUP所以所以為了避免產(chǎn)生明顯的失真，電路的實際輸出功率應(yīng)適為

22、了避免產(chǎn)生明顯的失真，電路的實際輸出功率應(yīng)適當(dāng)減小，本電路的額定輸出功率為當(dāng)減小，本電路的額定輸出功率為20W。499.4集成功率放大器集成功率放大器OTL、OCL電路均有各種不同電壓增益的多種型號的集電路均有各種不同電壓增益的多種型號的集成電路。只需外接少量元件，就可成為實用電路。成電路。只需外接少量元件，就可成為實用電路。集成功率放大器廣泛用于音響、電視和小電機的驅(qū)動方集成功率放大器廣泛用于音響、電視和小電機的驅(qū)動方面。集成功放是在集成運算放大器的電壓互補輸出級后，面。集成功放是在集成運算放大器的電壓互補輸出級后，加入互補功率輸出級而構(gòu)成的。大多數(shù)集成功率放大器加入互補功率輸出級而構(gòu)成的。

23、大多數(shù)集成功率放大器實際上也就是一個具有直接耦合特點的運算放大器。它實際上也就是一個具有直接耦合特點的運算放大器。它的使用方法原則上與集成運算放大器相同。的使用方法原則上與集成運算放大器相同。集成功放的優(yōu)點：集成功放的優(yōu)點：溫度穩(wěn)定性好，電源利用率高，功耗較低，非線性失溫度穩(wěn)定性好，電源利用率高，功耗較低，非線性失真較小，內(nèi)部有各種保護電路。真較小，內(nèi)部有各種保護電路。50圖圖 9.4.1集成功放集成功放 5G31 的電路原理圖的電路原理圖一、集成功放一、集成功放 5G31電路電路(差分輸入式音頻功放差分輸入式音頻功放)單入雙出差分放大電路單入雙出差分放大電路單管放大電路單管放大電路單管共射放

24、大電路單管共射放大電路功率放大級功率放大級電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋51該電路內(nèi)部的組成：三個電壓放大級和一個功率放大輸出級.輸入級：VT1、VT2組成單端輸入、雙端輸出的長尾失差動放大電路.第二級：VT4組成的單管放大電路.第三級：VT5組成的單管共射放大電路.功率輸出級：OTL甲乙類互補對稱放大電路VT6-VT13組成，VT9和VT10組成NPN型復(fù)合管；VT11、VT12和VT13組成PNP型復(fù)合管； VT6、VT7、VT8接成二極管，使電路工作在甲乙類狀態(tài)52二、引腳和典型接法二、引腳和典型接法5G31共有共有14個引腳個引腳531. 閉環(huán)電壓放大倍數(shù)閉環(huán)電壓放大倍數(shù)11110110

25、810iof RRRUUAu2. 最大輸出功率最大輸出功率(若接成若接成OTL互補對稱輸出級互補對稱輸出級) W1W82)22/12(2)2/(2L2CESCCom RUVP所以所以四、參數(shù)的計算四、參數(shù)的計算 54LM386內(nèi)部電路內(nèi)部電路圖圖9.4.1LM386內(nèi)部電路原理圖內(nèi)部電路原理圖第一級差分放大電路第一級差分放大電路（雙入單出）（雙入單出）第二級共射放大電路第二級共射放大電路（恒流源作有源負(fù)載）（恒流源作有源負(fù)載）第三級第三級OTL功放電路功放電路輸出端應(yīng)外接輸出電輸出端應(yīng)外接輸出電容后再接負(fù)載。容后再接負(fù)載。電阻電阻R7從輸出端連接到從輸出端連接到T2的發(fā)射極形成反饋通道，并與的

26、發(fā)射極形成反饋通道，并與R5和和R6構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，引入深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋。構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，引入深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋。集成集成OTL電路的應(yīng)用電路的應(yīng)用 55二、二、LM386的電壓放大倍數(shù)的電壓放大倍數(shù)1.當(dāng)引腳當(dāng)引腳1和和8之間開路時之間開路時Uf=UR5+UR6Ui/2 OiOfUURRRRRUUF276565202)1 (2657657RRRRRRUUAiOu2.當(dāng)引腳當(dāng)引腳1和和8之間外接電阻之間外接電阻R時時RRRRAu/2657563.當(dāng)引腳當(dāng)引腳1和和8之間對交流信號相當(dāng)于短路時之間對交流信號相當(dāng)于短路時200257RRAu4.在引腳在引腳1和和5之間外接電阻，也可改變電路的電壓放大倍數(shù)之間外接電阻，也可改變電路的電壓放大倍數(shù)657)/(2RRRRAu電壓放大倍數(shù)可以調(diào)節(jié)，電壓放大倍數(shù)可以調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為調(diào)節(jié)范圍為20200。三、三、LM386引腳圖引腳圖圖圖9.4.2LM386的外形和引腳的外形和引腳57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)（經(jīng)500 電容接負(fù)載）電容接負(fù)載