模擬電路課件：第6章 功率放大電路

1、第六章 功率放大電路6.1功率放大電路概述6.2甲類功率放大電路6.3乙類互補(bǔ)推挽功率放大電路6.4單電源互補(bǔ)推挽功率放大電路6.5集成功率放大器1功率放大電路的基本要求輸出功率大：輸出信號電壓大，輸出信號電流大轉(zhuǎn)換效率高： 電壓放大器一般工作在甲類，三極管360導(dǎo)電，其輸出功率由功率三角形確定。甲類放大的效率不高，理論上不超過25%。盡量減小非線性失真放大電路的輸出電阻與負(fù)載匹配。6.1功率放大電路概述2對功放的主要要求：1. 根據(jù)負(fù)載要求，提供所需要的輸出功率。（以共射為例）最大輸出功率集電極輸出的正弦電壓的最大幅值集電極輸出的正弦電流的最大幅值32. 具有較高的效率輸出功率直流電源提供功

2、率如果功率放大電路的效率不高，不僅將造成能量的浪費(fèi)，而且消耗在放大電路內(nèi)部的電能將轉(zhuǎn)換成為熱能，使管子、元件等溫度升高。43. 盡量減小非線性失真。分析方法：圖解法，一般不采用微變等效電路法傳統(tǒng)功放的電路形式：變壓器耦合推挽功率放大電路功率放大電路中，三極管通常工作在大信號狀態(tài)，使得管子特性曲線的非線性問題充分暴露出來。在實(shí)際的功率放大電路中，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的要求，盡量設(shè)法減少輸出波形的非線性失真。5功率放大電路的分類 三極管根據(jù)導(dǎo)通時(shí)間可分為如下四個(gè)狀態(tài)。 甲類-三極管360導(dǎo)電； 甲乙類-三極管180360導(dǎo)電 乙類-三極管180導(dǎo)電 丙類-三極管180導(dǎo)電6甲乙類180360導(dǎo)電乙類180導(dǎo)

3、電三極管的四種工作狀態(tài)丙類0 時(shí)T1導(dǎo)通T2截止輸入信號ui輸出信號uo電流io方向uoui+RLT1ui+_+VCC_iC1iC2T2VCCuo_A18ui 0 時(shí)T2導(dǎo)通T1截止輸入信號ui輸出信號uo電流io方向uouiRLT1ui+_+VCC_T2VCCuo+_A19（3）性能分析圖 6.3.1乙類互補(bǔ)推挽電路圖解分析20 參數(shù)計(jì)算1最大不失真輸出功率Pomax 設(shè)互補(bǔ)功率放大電路為乙類工作狀態(tài)，輸入為正弦波。忽略三極管的飽和壓降，負(fù)載上的最大不失真功率為21 直流電源提供的功率為半個(gè)正弦波的平均功率，信號越大，電流越大，電源功率也越大。直流電源功率PD的表達(dá)式推導(dǎo)如下2電源功率PD

4、即PD Vcem 。當(dāng)Vcem趨近VCC時(shí)，顯然PV 近似與電源電壓的平方成比例。 223三極管的管耗PT 電源輸入的直流功率，有一部分通過三極管轉(zhuǎn)換為輸出功率，剩余的部分則消耗在三極管上，形成三極管的管耗。顯然 乙類互補(bǔ)功放電路的管耗234效率當(dāng)Vcem = VCC 時(shí)效率最大，=/4 =78.5。乙類互補(bǔ)功放電路的管耗24 顯然，管耗與輸出幅度有關(guān)，圖中畫陰影線的部分即代表管耗，PT與Vcem成非線性關(guān)系，有一個(gè)最大值。可用PT對Vom求導(dǎo)的辦法找出這個(gè)最大值。PTmax發(fā)生在Vom=0.64VCC處，將Vom=0.64VCC代入PT表達(dá)式，可得PTmax為對一只三極管25當(dāng)ui小于晶體管

5、的死區(qū)電壓時(shí)，T1、T2都截止。5. 電路存在的主要缺陷a. 產(chǎn)生失真的原因晶體管存在死區(qū)電壓b. 失真的現(xiàn)象輸出電流出現(xiàn)一段“死區(qū)”存在交越失真RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2VCCuo+_26OtiCiBuBEOuitO交越失真在兩個(gè)管子交替工作區(qū)域出現(xiàn)的失真稱為交越失真輸入信號輸出信號交越失真的產(chǎn)生27c. 克服交越失真的常用方法給功率管（T1和T2）一定的直流偏置，使其工作于微導(dǎo)通狀態(tài)，即甲乙類工作狀態(tài)。動(dòng)畫6-228甲乙類互補(bǔ)推挽電路1. 利用二極管提供偏壓二極管提供偏壓，使T1、T2呈微導(dǎo)通狀態(tài)D1RLT1ui+_+VCC_iC1iC2ioT2T3D2uo+_RERC

6、VCC292. 利用擴(kuò)大電路實(shí)現(xiàn)偏置圖中RLT1ui+_+ VCC_T2uo+_T3R1R2R3R4VCC30 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。動(dòng)畫6-3圖 6.3.2克服交越失真的電路31(1) 當(dāng)ui=0 時(shí)2. 工作原理uA=VCC/2uC=VCC/2輸出電壓uo=01. 電路組成D1RLT1ui+_+ VCCT2T3D2uo+_RERCC+AuC6.4單電源互補(bǔ)推挽功率放大電路32(2) 當(dāng)ui為負(fù)半周時(shí)T1導(dǎo)通， T2截止電容C同時(shí)充電uB1信號為正半周uB1uB2輸出信號為正半周D1RLT1ui+_+ VCCT2T3D2uo+_RERCC+AuC33T1

7、截止， T2導(dǎo)通電容C放電uB2信號為負(fù)半周uB1uB2(3) 當(dāng)ui為正半周時(shí)輸出信號為負(fù)半周D1RLT1ui+_+ VCCT2T3D2uo+_RERCC+AuC34注意：電容C起負(fù)電源VCC的作用每只管子的工作電壓變成了VCC/2，在計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)時(shí)，電源電壓要用VCC/2。D1RLT1ui+_+ VCCT2T3D2uo+_RERCC+AuC35采用復(fù)合管的互補(bǔ)對稱式放大電路在功率放大器中，輸出功率大，輸出電流也大。如要求輸出功率PLm=10W，負(fù)載電阻為10，那么，功率管的電流峰值ICm=1.414A。若功率管的=30，則要求基極驅(qū)動(dòng)電流IBm=41.1mA。前級晶體管放大器或運(yùn)算放大器，

8、若輸不出這樣大的電流來驅(qū)動(dòng)后級功率管，則需要引入復(fù)合管。復(fù)合管的總值為等效值的增大，意味著前級供給的電流可以減少。36 組成復(fù)合管的原則有以下幾點(diǎn)：(1)電流流向要一致。(2)各極電壓必須保證所有管子工作在放大區(qū)，即保證e結(jié)正偏，c結(jié)反偏。(3)因?yàn)閺?fù)合管的基極電流iB等于第一個(gè)管子的iB1，所以復(fù)合管的性質(zhì)取決于第一個(gè)晶體管的性質(zhì)。若第一個(gè)管子為PNP，則復(fù)合管也為PNP,反之為NPN。正確的復(fù)合管連接方式有四種，如下圖所示。 37復(fù)合管的組成(a)等效為NPN管；(b)等效為PNP管；(c)等效為PNP管；(d)等效為NPN管 38復(fù)合管的組成(a)等效為NPN管；(b)等效為PNP管；(

9、c)等效為PNP管；(d)等效為NPN管 39復(fù)合管的組成(a)等效為NPN管；(b)等效為PNP管；(c)等效為PNP管；(d)等效為NPN管 40復(fù)合管的組成(a)等效為NPN管；(b)等效為PNP管；(c)等效為PNP管；(d)等效為NPN管 41互補(bǔ)乙類功率放大器要求輸出管V1(NPN)和V2(PNP)性能對稱匹配。所以，用復(fù)合管構(gòu)成V1和V2管時(shí)，希望輸出管都用NPN管，因?yàn)镹PN管的性能一般比PNP管好。用復(fù)合管組成的互補(bǔ)對稱乙類功放，其中NPN管采用上圖 (a)電路，PNP管采用上圖 (c)電路。這樣，承受大電流的管子均用大功率NPN管，此類電路稱之為準(zhǔn)互補(bǔ)乙類功率放大器，簡稱O

10、CL電路。圖中R1和R2是為了分流反向飽和電流而加的電阻，目的是提高功放的溫度穩(wěn)定性。 復(fù)合管不僅解決大功率管低的問題，而且也解決大功率管難以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)對稱的問題。42圖9 14 復(fù)合管互補(bǔ)對稱級 43圖97 準(zhǔn)互補(bǔ)乙類功率放大器電路圖中R1和R2是為了分流反向飽和電流而加的電阻，目的是提高功放的溫度穩(wěn)定性。44實(shí)際的功率放大電路OTL 音頻功率放大電路中間級前置放大級功率放大級456.5集成功率放大器圖 6.5.1集成功放 LM386 的電路原理圖46LM386內(nèi)部電路第一級為差分放大電路，T1和T3、T2和T4分別構(gòu)成復(fù)合管，作為差分放大電路的放大管；T5和T6組成鏡像電流源作為T1和T2的

11、有源負(fù)載；T3和T4信號從管的基極輸入，從T2管的集電極輸出，為雙端輸入單端輸出差分電路。使用鏡像電流源作為差分放大電路有源負(fù)載，可使單端輸出電路的增益近似等于雙端輸出電路的增益。 第二級為共射放大電路，T7為放大管，恒流源作有源負(fù)載，以增大放大倍數(shù)。 第三級中的T8和T9管復(fù)合成PNP型管，與NPN型管T10構(gòu)成準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級。二極管D1和D2為輸出級提供合適的偏置電壓，可以消除交越失真。 引腳2為反相輸入端，引腳3為同相輸入端。電路由單電源供電，故為OTL電路。輸出端（引腳5）應(yīng)外接輸出電容后再接負(fù)載。 電阻R7從輸出端連接到T2的發(fā)射極，形成反饋通路，并與R5和R6構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，從而引入了

12、深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使整個(gè)電路具有穩(wěn)定的電壓增益。47LM386的引腳圖 引腳2為反相輸入端，3為同相輸入端；引腳5為輸出端；引腳6和4分別為電源和地；引腳1和8為電壓增益設(shè)定端；使用時(shí)在引腳7和地之間接旁路電容，通常取10F。 48LM386的應(yīng)用（1） C1為輸出電容。電壓放大倍數(shù)為20。R和C2串聯(lián)構(gòu)成校正網(wǎng)絡(luò)用來進(jìn)行相位補(bǔ)償。 靜態(tài)時(shí)輸出電容上電壓為VCC/2，LM386的最大不失真輸出電壓的峰-峰值約為電源電壓。設(shè)負(fù)載電阻為RL，最大輸出功率表達(dá)式為 此時(shí)的輸入電壓有效值的表達(dá)式 當(dāng)VCC=16V、RL=32時(shí)，Pom1W，Uim283mV。 49LM386的應(yīng)用（2）右圖所示為LM386電壓增益最大時(shí)的用法，C3使引腳1和8在交流通路中短路，使Au200；C4為旁路電路；C5為去耦電容，濾掉電源的高頻交流成分。當(dāng)VCC=16V、RL=32時(shí)，Pom1W，但是，輸入電壓有效值Uim卻僅需28.3mV。 50LM386的外形和引腳51LM386典型接法