第六章功率放大器要求分類

1、第六章功率放大器6-1功率放大器的根本要求及分類功率放大電路與電壓放大電路沒有本質(zhì)上的區(qū)別。它們都是利用放大器件的控制作用，把直流電源的能量轉(zhuǎn)化為按輸入信號規(guī)律變化的交變能量輸出送給負(fù)載。所不同的是：電壓放大電路的主要任務(wù)是不失真地放大信號電壓；功率放大電路的主要任務(wù)那么是使負(fù)載得到盡可能不失真的信號功率。功放電路中的晶體管稱為功率放大管，簡稱“功放管。廣泛用于各種電子設(shè)備、音響設(shè)備、通信及自控系統(tǒng)中。一、 功率放大器簡介1. 功率放大器的分類(1)功率放大器按工作狀態(tài)一般可分為： 甲類放大器：這種功放的工作原理是輸出器件晶體管始終工作在傳輸特性曲線的線性局部，在輸入信號的整個周期內(nèi)輸出器件始

2、終有電流連續(xù)流動，這種功放失真小，但效率低，約為50%，功率損耗大，一般應(yīng)用在家庭的高檔機(jī)較多。乙類放大器：兩只晶體管交替工作，每只晶體管在信號的半個周期內(nèi)導(dǎo)通，另半個周期內(nèi)截止。該類功放效率較高，約為78%，但缺點是容易產(chǎn)生交越失真。甲乙類放大器：兼有甲類放大器音質(zhì)好和乙類放大器效率高的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于家庭、專業(yè)、汽車音響系統(tǒng)中。(2)按放大器功能一般可分為：前級功放：主要作用是對信號源傳輸過來的節(jié)目信號進(jìn)行必要的處理和電壓放大后，再輸出到后級放大器。后級功放：對前級放大器送出的信號進(jìn)行不失真放大，以強勁的功率驅(qū)動揚聲器系統(tǒng)。除放大電路外，還設(shè)計有各種保護(hù)電路，如短路保護(hù)、過壓保護(hù)、過熱保

3、護(hù)、過流保護(hù)等。前級功放和后級功放一般只在高檔機(jī)或?qū)I(yè)的場合采用。合并式放大器：將前級放大器和后級放大器合并為一臺功放，兼有前二者的功能，通常所說的放大器都是合并式的，應(yīng)用范圍較廣。2. 功率放大器的特點及技術(shù)指標(biāo)(1)功率放大器的特點由于功放電路的主要任務(wù)是向負(fù)載提供一定的功率，因而輸出電壓和電流的幅度足夠大；由于要求輸出信號幅度大，通常使三極管工作在極限應(yīng)用狀態(tài)，即三極管工作在接近飽和區(qū)與截止區(qū)的工作狀態(tài)，因此輸出信號存在一定程度的失真。功率放大電路在輸出功率的同時，三極管消耗的能量也較大，因此三極管的管耗不能無視。功率放大電路工作在大信號運用狀態(tài)，因此只能采用圖解法進(jìn)近估算。(2)功率放

4、大器的技術(shù)要求 由于功放的上述特點，因此實用中對功率放大器有一定的技術(shù)要求。1效率盡可能高 2具有足夠大的輸出功率3非線性失真盡可能小 4散熱條件要好 功放通常工作在大信號情況下，所以輸出功率和功耗都較大，效率問題突顯。我們期望在允許的失真范圍內(nèi)盡量減小損耗。 為獲得最大的功率輸出，要求功放管工作在接近“極限運用狀態(tài)。選用時應(yīng)考慮管子的三個極限參數(shù)ICM、PCM和U(BR)CEO。 處于大信號工況下的管子不可防止地存在非線性失真。但應(yīng)考慮在獲得盡可能大的功率輸出下將失真限制在允許范圍內(nèi)。 功放管工作在“極限運用狀態(tài)，因而造成相當(dāng)大的結(jié)溫和管殼溫升。散熱問題應(yīng)充分重視，應(yīng)采取措施使功放管有效地散

5、熱。3. 功放電路中的交越失真 左圖電路采用了兩個導(dǎo)電特性相反的管子，其中T1和T2分別為NPN型管和PNP型管。電路工作時，一個管子在信號的正半周導(dǎo)通，另一管子在信的負(fù)半周導(dǎo)通，兩個管子在信號周期內(nèi)交替工作，各自產(chǎn)生半個周期的信號波形，在負(fù)載上合成一個完整的信號波形，這種功放電路稱作乙類功率放大電路。T1RLu0VCC-iL+T2iC1-VCCiC2ui-+交越失真：兩個管子在信號周期內(nèi)交替工作，由于管子總是存在著死區(qū)電壓，因此在信號零點附近不會產(chǎn)生基極電流，造成傳輸信號波形的嚴(yán)重失真，由于這種失真產(chǎn)生在過零值處，所以稱為交越失真。 觀察電路，可看出此電路沒有基極偏置，所以uBE1=uBE2

6、=ui。當(dāng)ui=0時， T1管和T2管均處于截止?fàn)顟B(tài)。功放電路中交越失真說明及消除方法 ui/V t00.6-0.6 u0/V t00.6-0.6過零處的交越失真 此電路是能消除交越失真的甲乙類互補對稱的功放電路。 只要R1、R2數(shù)值適當(dāng)，當(dāng)ui =0時，可使IC3 、VB2和VB1到達(dá)所需大小，為T1和T2發(fā)射結(jié)提供適當(dāng)電壓，以消除過零處的交越失真。D2D1RCREC1+T1RLVCCT2u0-+C2+T3R1R2CE+ui6-2變壓器耦合功率放大器一、變壓器耦合單管功率放大器一 電路組成及工作原理1、電路組成 V為功率放大管，Rb1、Rb2和Re為分壓式電流負(fù)反響偏置電路，Ce為射極旁路電

7、容，RL為負(fù)載電阻，T1和T2為輸入、輸出變壓器，統(tǒng)稱為耦合變壓器。 耦合變壓器的作用，一是隔斷直流耦合交流信號，二是阻抗變換，使功率管獲得最正確負(fù)載電阻RL，以便向負(fù)載RL提供最大功率。最正確負(fù)載電阻為式中， 是變壓器的匝數(shù)比合理選擇n，可得管子最正確負(fù)載電阻RL。 例7.2.1圖中，負(fù)載RL=8，晶體管集電極輸出功率PO=140mW，集電極電流Ic=31mA。求：1輸出變壓器T2的初級等效電阻RL=？2要使負(fù)載RL獲得理想的最大功率，T2的變壓比n=？解1因為 所以 2因為 所以 當(dāng)vi 0，那么vivbeibic。經(jīng)T2耦合，RL有電流iL，放大器有信號功率輸出。2、電路工作原理 當(dāng)vi

8、 = 0，電路處于靜態(tài)，iC = ICQ。因T2隔直作用，RL中無電流，放大器無信號輸出。 3 畫vCE、iC波形: 得正弦信號的最大值分別為Icm和Vcem，那么功放管集電極輸出功率為二 輸出功率及效率1、輸出功率圖解分析：1 作直流負(fù)載線：過VG點作直流負(fù)載線，與IBQ之交點，得靜態(tài)工作點Q。2 作交流負(fù)載線：過Q點，作交流負(fù)載線AB。 可見，輸出信號越強，輸出功率Po越大。 為不產(chǎn)生飽和失真和截止失真，忽略VCES和ICEO時，那么功放管不失真條件為 在輸出信號最大且不失真時，有 ， 。于是功放管不失真最大輸出功率為 （7.2.2） 可見，最大不失真輸出功率僅為電源供給功率的一半，效率很

9、低。2、效率 1電源供給功率為（7.2.3）可見，電源供給功率與信號無關(guān)。 2）功放管最大效率為即（7.2.4） 假設(shè)考慮VCES和ICEO，那么功率管的效率僅為40%45%，如果再考慮變壓器的效率T，那么甲類功放總效率為（7.2.5）通常只有30%35%。 結(jié)論，甲類功放電路優(yōu)點是輸出波形失真?。蝗秉c是無信號時，電源供給功率全部轉(zhuǎn)換成熱能，因此效率低。二、變壓器耦合乙類推挽功率放大器1.原理電路uiT2T1RL+-USCiLN2N1N1放大器：由兩個共射極放大器組成，兩個三極管的射極接在一起。輸入變壓器：將輸入信號分成兩個大小相等相位相反的信號，分別送兩個放大器的基極，使 T1、T2 輪流導(dǎo)

10、通。輸出變壓器：將兩個集電極輸出信號合為一個信號，耦合到副邊輸出給負(fù)載。uiT2T1RL+-USCiLN2N1N1uiT2T1RL+-USCiLN2N1N12. 動、靜態(tài)分析靜態(tài)分析：ui = 0 ， T1、T2 均截止，iL = 0 。變壓器線圈對于直流相當(dāng)于短路。uiT2T1RL+-USCiLN2N1N1動態(tài)分析： ui 0 時： T1導(dǎo)通、T2 截止，ic1 經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載，iL的方向由 ic1決定。 假設(shè)ui 為正弦信號，那么 iL近似為正弦波。 ui 0VT1導(dǎo)通，T2截止iL= ic1 ;ui-USCT1T2uo+USCRLiLiL=ic2T1、T2兩個晶體管都只在半個周期內(nèi)工

11、作的方式，稱為乙類放大。因此，不需要隔直電容。靜態(tài)分析：ui = 0V T1、T2均不工作 uo = 0V乙類放大的輸入輸出波形關(guān)系:ui-USCT1T2uo+USCRLiL交越失真死區(qū)電壓uiuououo tttt交越失真：輸入信號 ui在過零前后，輸出信號出現(xiàn)的失真便為交越失真。ui-USCT1T2uo+USCRLiL(1) 靜態(tài)電流 ICQ、IBQ等于零；(2) 每管導(dǎo)通時間等于半個周期 ； (3) 存在交越失真。 乙類放大的特點：二最大輸出功率及效率的計算假設(shè) ui 為正弦波且幅度足夠大，T1、T2導(dǎo)通時均能飽和，此時輸出到達(dá)最大值。ULmax負(fù)載上得到的最大功率為：iL-USCRLu

12、iT1T2UL+USC假設(shè)忽略晶體管的飽和壓降，那么負(fù)載RL)上的電壓和電流的最大幅值分別為：電源提供的直流平均功率計算： 每個電源中的電流為半個正弦波，其平均值為:兩個電源提供的總功率為：USC1 =USC2 =USCtic1效率為： 三電路的改進(jìn)1. 克服交越失真交越失真產(chǎn)生的原因： 在于晶體管特性存在非線性，ui IB，那么3. 電路中增加復(fù)合管增加復(fù)合管的目的是：擴(kuò)大電流的驅(qū)動能力。復(fù)合管的構(gòu)成方式：cbeT1T2ibicbecibic方式一：becibic 1 2晶體管的類型由復(fù)合管中的第一支管子決定。方式二：cbeT1T2ibic復(fù)合管構(gòu)成方式很多。不論哪種等效方式，等效后晶體管的

13、性能確定均如下：改進(jìn)后的OCL準(zhǔn)互補輸出功放電路： T1：電壓推動級 T1、R1、R2： UBE倍增電路 T3、T4、T5、T6： 復(fù)合管構(gòu)成的輸出級準(zhǔn)互補 輸出級中的T4、T6均為NPN型晶體管，兩者特性容易對稱。+USC-USCR1R2RLuiT1T2T3T4T5T6-UEE+UCCERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第4級：互補對稱射極跟隨器差動放大器第2級第1級：差動放大器第3級：單管放大器集成運放內(nèi)部的功率放大器二、無輸出變壓器的互補對稱功放電路一特點1. 單電源供電；2. 輸出加有大電容。二靜態(tài)分析那么 T1、T2 特性對稱，令

14、：0.5USCRLuiT1T2+USCCAUL+-UC三動態(tài)分析設(shè)輸入端在 USC 直流電平根底上參加正弦信號。假設(shè)輸出電容足夠大， UC根本保持在USC ，負(fù)載上得到的交流信號正負(fù)半周對稱，但存在交越失真。ic1ic2交越失真RLuiT1T2+USCCAUL+-時，T1導(dǎo)通、T2截止；時，T1截止、 T2導(dǎo)通。0.5USCuit四輸出功率及效率假設(shè)忽略交越失真的影響，且 ui 幅度足夠大。那么：uLULmaxuitt實用OTL互補輸出功放電路調(diào)節(jié)R,使靜態(tài)UAQUSCD1 、 D2使b1和b2之間的電位差等于2個二極管正向壓降，克服交越失真。Re1 、 Re2：電阻值12，射極負(fù)反響電阻，也

15、起限流保護(hù)作用。D1D2ui+USCRLT1T2T3CRBRe1Re2b1b2A 四、 實際功放電路這里介紹一個實用的OCL準(zhǔn)互補功放電路。其中主要環(huán)節(jié)有 ： (1) 恒流源式差動放大輸入級T1、T2、T3；(2) 偏置電路R1、D1、D2；(3) 恒流源負(fù)載T5；(4) OCL準(zhǔn)互補功放輸出級T7、T8、T9、 T10；(5) 負(fù)反響電路Rf、C1、Rb2構(gòu)成交流電壓串聯(lián)負(fù)反響； (6) 共射放大級T4；(7) 校正環(huán)節(jié)C5、R4；(8) UBE倍增電路T6、R2、R3；(9) 調(diào)整輸出級工作點元件Re7、Rc8、Re9、Re10。+24VuiRLT7T8RC8-24VR2R3T6Rc1T1T2Rb1Rb2C1RfR1D1D2T3Re3T4Re4C2T5Re5C3C4T9T10Re10Re7Re9C5R4BX差動放大級反響級偏置電路共射放大級UBE倍增電路恒流源負(fù)載準(zhǔn)互補功放級保險管負(fù)載實用的OCL準(zhǔn)互補功放電路：輸出功率的估算：輸出電壓的最大值約為 ，設(shè)負(fù)載 RL= 8 那么最大輸出功率為：實際輸出功率約為 20W。注：該實用功放電路的詳細(xì)分析計算請參考?模擬電子技術(shù)根底?童詩白主編。 6-4 集成功率放大器特點：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。集成功放LM384：生產(chǎn)廠家：美國半導(dǎo)體器件公司電路形式：OTL輸出功率：8負(fù)載上可得