模電-課件第7章-功率放大電路1

本章基本教學(xué)要求熟練掌握功率放大電路的工作原理、最大輸出功率和效率的估算。正確理解非線性失真。一般了解集成功率放大電路及其應(yīng)用。本章基本教學(xué)要求熟練掌握功率放大電路的工作原理、最大輸出功率1本章重點(diǎn)內(nèi)容

功率放大電路的特點(diǎn)和互補(bǔ)推挽功率放大電路的工作原理以及輸出功率的計算。本章重點(diǎn)內(nèi)容27.1功率放大電路的一般問題

功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。必須使：

輸出信號電壓大；

輸出信號電流大；

放大電路的輸出電阻與負(fù)載匹配。7.1功率放大電路的一般問題 3功率放大電路的特點(diǎn)及主要研究對象1.要求輸出功率盡可能大；2.要求效率要高；3.非線性失真要?。?.分析方法用圖解法；5.要考慮散熱措施及過流過壓保護(hù)措施。功率放大電路的特點(diǎn)及主要研究對象1.要求輸出功率盡可能大；4一、為了獲得大的輸出功率，可以1、提高電源電壓2、選擇大功率管3、改善散熱條件

一、為了獲得大的輸出功率，可以5二、功率放大電路提高效率的主要途徑選擇恰當(dāng)?shù)墓ぷ鞣绞剑?.甲類放大輸入信號在整個周期內(nèi)都有電流流過放大器件，ic≧0，輸出不失真，最大效率50%，沒有信號時，功率全部消耗在管子上。如電壓放大器。圖7.1甲類放大，在一個周期內(nèi)iC

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0二、功率放大電路提高效率的主要途徑選擇恰當(dāng)?shù)墓ぷ鞣绞剑簣D7.62.甲乙類放大輸入信號在大半個周期內(nèi)有電流流過放大器件，輸出出現(xiàn)失真，效率增大，由于靜態(tài)工作點(diǎn)低，所以在沒有輸入信號時，管子消耗的功率不大。圖7.2乙類放大，在大半個周期內(nèi)iC

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02.甲乙類放大輸入信號在大半個周期內(nèi)有電圖7.2乙73.乙類放大輸入信號僅在半個周期內(nèi)有電流流過放大器件，輸出的半個波形沒有了，失真達(dá)到最大，但效率達(dá)到最高。由于靜態(tài)時集電極電流為零，所以在沒有輸入信號時三極管不消耗功率。圖7.3乙類放大，在半個周期內(nèi)iC

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03.乙類放大輸入信號僅在半個周期內(nèi)有電流圖7.3乙87.2互補(bǔ)對稱功率放大電路1.電路組成

乙類互補(bǔ)功率放大電路如圖所示。它由一對NPN、PNP特性相同的互補(bǔ)三極管組成的射極輸出器。這種電路也稱為OCL互補(bǔ)功率放大電路。乙類互補(bǔ)功率放大電路7.2互補(bǔ)對稱功率放大電路1.電路組成92.工作原理當(dāng)輸入信號處于正半周時，且幅度遠(yuǎn)大于三極管的開啟電壓，此時NPN型三極管導(dǎo)電，有電流通過負(fù)載RL，按圖中方向由上到下，與假設(shè)正方向相同。當(dāng)輸入信號為負(fù)半周時，且幅度遠(yuǎn)大于三極管的開啟電壓，此時PNP型三極管導(dǎo)電，有電流通過負(fù)載RL，按圖中方向由上到下。于是兩個三極管一個正半周，一個負(fù)半周輪流導(dǎo)電，在負(fù)載上將正半周和負(fù)半周合成在一起，得到一個完整的不失真波形。動畫7-12.工作原理當(dāng)輸入信號處于正半周時，10

嚴(yán)格說，輸入信號很小時，達(dá)不到三極管的開啟電壓，三極管不導(dǎo)電。因此在正、負(fù)半周交替過零處會出現(xiàn)一些非線性失真，這個失真稱為交越失真。如圖所示。交越失真嚴(yán)格說，輸入信號很小時，達(dá)不到11

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。此時的互補(bǔ)功率放大電路如圖所示。

(a)利用二極管提供偏置電壓(b)利用三極管恒壓源提供偏置甲乙類互補(bǔ)功率放大電路動畫7-2為解決交越失真，可給三極管稍稍加12甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路VBE4可認(rèn)為是定值R1、R2不變時，VCE4也是定值，可看作是一個直流電源。甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路VBE4可認(rèn)為是定值133.參數(shù)計算

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：3.參數(shù)計算設(shè)互補(bǔ)功率放大電路為乙類工作14

直流電源提供的功率為半個正弦波的平均功率，信號越大，電流越大，電源功率也越大。2)電源功率PV即PV∝Vom。當(dāng)Vom趨近VCC時:直流電源提供的功率為半個正弦波的平均功率，信號越153)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：將PT畫成曲線，如圖所示。乙類互補(bǔ)功放電路的管耗3)三極管的管耗PT將PT畫成曲線，乙類互16

顯然，管耗與輸出幅度有關(guān)，圖5.7中畫陰影線的部分即代表管耗，PT與Vom成非線性關(guān)系，有一個最大值?？捎肞T對Vom求導(dǎo)的辦法找出這個最大值。PTmax發(fā)生在Vom=0.64VCC處，將Vom=0.64VCC代入PT表達(dá)式，可得PTmax為：對一只三極管乙類互補(bǔ)功放電路的管耗 顯然，管耗與輸出幅度有關(guān)，圖5.7中畫陰影線174)效率η

當(dāng)Vom=VCC

時效率最大:η=π/4=78.5％。4)效率η當(dāng)Vom=VCC時效率最大:184.大功率三極管的選用原則在最大輸出功率下，三極管的參數(shù)必須滿足以下條件:1）每只三極管的最大允許管耗PCM≥0.2Pom;2)T2飽和時，VCE2≈0，此時VCE1具有最大值，且等于2VCC。因此，應(yīng)選用|V（BR）CEO|>2VCC的管子；3）通過三極管的最大集電極電流為VCC/RL，所選用的三極管似的ICM應(yīng)大于此值。4.大功率三極管的選用原則在最大輸出功率下，三極管197.3其它類型互補(bǔ)功率放大電路

除了雙電源的標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)功率放大電路外，還有一些其它類型的互補(bǔ)功率放大電路：

7.3.1單電源互補(bǔ)功率放大電路 7.3.2采用復(fù)合管的互補(bǔ)功率放大電路 7.3.3集成功率放大器 7.3.4BTL互補(bǔ)功率放大電路7.3其它類型互補(bǔ)功率放大電路207.3.1單電源互補(bǔ)功率放大電路

當(dāng)電路對稱時，輸出端的靜態(tài)電位等于VCC/2。為了使負(fù)載上僅獲得交流信號，用一個電容串聯(lián)在負(fù)載與輸出端之間。這種功率放大電路也稱為OTL互補(bǔ)功率放大電路。電容器的容量由放大電路的下限頻率確定。LLπ21fRC3單電源OTL互補(bǔ)功率放大電路單電源互補(bǔ)功率放大電路如圖所示。動畫7-37.3.1單電源互補(bǔ)功率放大電路當(dāng)電路21采用單電源的互補(bǔ)對稱電路采用單電源互補(bǔ)對稱功率放大電路動畫7-3計算各參數(shù)時,電源用Vcc/2代替采用單電源的互補(bǔ)對稱電路采用單電源互補(bǔ)對稱功率放大電路動畫722

7.3.2采用復(fù)合管的互補(bǔ)功率放大電路當(dāng)輸出功率較大時，往往采用復(fù)合管，復(fù)合管有四種形式復(fù)合管的極性由前面的一個三極管決定。由NPN-NPN或PNP-PNP復(fù)合而成的一般稱為達(dá)林頓管。四種類型的復(fù)合管7.3.2采用復(fù)合管的互補(bǔ)功率放大電路23采用復(fù)合管組成的準(zhǔn)互補(bǔ)對稱電路采用復(fù)合管組成的準(zhǔn)互補(bǔ)對稱功率放大電路采用復(fù)合管組成的準(zhǔn)互補(bǔ)對稱電路采用復(fù)合管組成的24采用復(fù)合管組成的單電源準(zhǔn)互補(bǔ)對稱電路采用復(fù)合管組成的單電源準(zhǔn)互補(bǔ)對稱電路25由集成運(yùn)放作前置級的準(zhǔn)互補(bǔ)功放電路由集成運(yùn)放作前置級的準(zhǔn)互補(bǔ)功放電路26OCL準(zhǔn)互補(bǔ)對稱功率放大電路OCL準(zhǔn)互補(bǔ)對稱功率放大電路277.3.3集成功率放大器

集成功率放大器廣泛用于音響、電視和小電機(jī)的驅(qū)動方面。集成功放是在集成運(yùn)算放大器的電壓互補(bǔ)輸出級后，加入互補(bǔ)功率輸出級而構(gòu)成的。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(diǎn)的運(yùn)算放大器。它的使用方法原則上與集成運(yùn)算放大器相同。7.3.3集成功率放大器285G37集成功率放大電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)5G37集成功率放大電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)29

集成功放使用時不能超過規(guī)定的極限參數(shù)，極限參數(shù)主要有功耗和最大允許電源電壓。集成功放要加有足夠大的散熱器，保證在額定功耗下溫度不超過允許值。集成功放一般允許加上較高的工作電壓，但許多集成功放可以在低電壓下工作，適用于無交流供電的場合，此時集成功放電源電流較大，非線性失真也較大。集成功放使用時不能超過規(guī)定的極限參307.3.4BTL互補(bǔ)功率放大電路

BTL互補(bǔ)功率放大電路方框圖如圖所示。它是由兩路功率放大電路和反相比例電路組合而成，負(fù)載接在兩輸出端之間。兩路功率放大電路的輸入信號是反相的，所以負(fù)載一端的電位升高時，另一端則降低，因此負(fù)載上獲得的信號電壓要增加一倍。BTL放大電路輸出功率較大，負(fù)載可以不接地。BTL互補(bǔ)功放電路方框圖7.3.4BTL互補(bǔ)功率放大電路31本章基本教學(xué)要求熟練掌握功率放大電路的工作原理、最大輸出功率和效率的估算。正確理解非線性失真。一般了解集成功率放大電路及其應(yīng)用。本章基本教學(xué)要求熟練掌握功率放大電路的工作原理、最大輸出功率32本章重點(diǎn)內(nèi)容

功率放大電路的特點(diǎn)和互補(bǔ)推挽功率放大電路的工作原理以及輸出功率的計算。本章重點(diǎn)內(nèi)容337.1功率放大電路的一般問題

功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。必須使：

輸出信號電壓大；

輸出信號電流大；

放大電路的輸出電阻與負(fù)載匹配。7.1功率放大電路的一般問題 34功率放大電路的特點(diǎn)及主要研究對象1.要求輸出功率盡可能大；2.要求效率要高；3.非線性失真要小；4.分析方法用圖解法；5.要考慮散熱措施及過流過壓保護(hù)措施。功率放大電路的特點(diǎn)及主要研究對象1.要求輸出功率盡可能大；35一、為了獲得大的輸出功率，可以1、提高電源電壓2、選擇大功率管3、改善散熱條件

一、為了獲得大的輸出功率，可以36二、功率放大電路提高效率的主要途徑選擇恰當(dāng)?shù)墓ぷ鞣绞剑?.甲類放大輸入信號在整個周期內(nèi)都有電流流過放大器件，ic≧0，輸出不失真，最大效率50%，沒有信號時，功率全部消耗在管子上。如電壓放大器。圖7.1甲類放大，在一個周期內(nèi)iC

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0二、功率放大電路提高效率的主要途徑選擇恰當(dāng)?shù)墓ぷ鞣绞剑簣D7.372.甲乙類放大輸入信號在大半個周期內(nèi)有電流流過放大器件，輸出出現(xiàn)失真，效率增大，由于靜態(tài)工作點(diǎn)低，所以在沒有輸入信號時，管子消耗的功率不大。圖7.2乙類放大，在大半個周期內(nèi)iC

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02.甲乙類放大輸入信號在大半個周期內(nèi)有電圖7.2乙383.乙類放大輸入信號僅在半個周期內(nèi)有電流流過放大器件，輸出的半個波形沒有了，失真達(dá)到最大，但效率達(dá)到最高。由于靜態(tài)時集電極電流為零，所以在沒有輸入信號時三極管不消耗功率。圖7.3乙類放大，在半個周期內(nèi)iC

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03.乙類放大輸入信號僅在半個周期內(nèi)有電流圖7.3乙397.2互補(bǔ)對稱功率放大電路1.電路組成

乙類互補(bǔ)功率放大電路如圖所示。它由一對NPN、PNP特性相同的互補(bǔ)三極管組成的射極輸出器。這種電路也稱為OCL互補(bǔ)功率放大電路。乙類互補(bǔ)功率放大電路7.2互補(bǔ)對稱功率放大電路1.電路組成402.工作原理當(dāng)輸入信號處于正半周時，且幅度遠(yuǎn)大于三極管的開啟電壓，此時NPN型三極管導(dǎo)電，有電流通過負(fù)載RL，按圖中方向由上到下，與假設(shè)正方向相同。當(dāng)輸入信號為負(fù)半周時，且幅度遠(yuǎn)大于三極管的開啟電壓，此時PNP型三極管導(dǎo)電，有電流通過負(fù)載RL，按圖中方向由上到下。于是兩個三極管一個正半周，一個負(fù)半周輪流導(dǎo)電，在負(fù)載上將正半周和負(fù)半周合成在一起，得到一個完整的不失真波形。動畫7-12.工作原理當(dāng)輸入信號處于正半周時，41

嚴(yán)格說，輸入信號很小時，達(dá)不到三極管的開啟電壓，三極管不導(dǎo)電。因此在正、負(fù)半周交替過零處會出現(xiàn)一些非線性失真，這個失真稱為交越失真。如圖所示。交越失真嚴(yán)格說，輸入信號很小時，達(dá)不到42

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。此時的互補(bǔ)功率放大電路如圖所示。

(a)利用二極管提供偏置電壓(b)利用三極管恒壓源提供偏置甲乙類互補(bǔ)功率放大電路動畫7-2為解決交越失真，可給三極管稍稍加43甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路VBE4可認(rèn)為是定值R1、R2不變時，VCE4也是定值，可看作是一個直流電源。甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路VBE4可認(rèn)為是定值443.參數(shù)計算

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：3.參數(shù)計算設(shè)互補(bǔ)功率放大電路為乙類工作45

直流電源提供的功率為半個正弦波的平均功率，信號越大，電流越大，電源功率也越大。2)電源功率PV即PV∝Vom。當(dāng)Vom趨近VCC時:直流電源提供的功率為半個正弦波的平均功率，信號越463)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：將PT畫成曲線，如圖所示。乙類互補(bǔ)功放電路的管耗3)三極管的管耗PT將PT畫成曲線，乙類互47

顯然，管耗與輸出幅度有關(guān)，圖5.7中畫陰影線的部分即代表管耗，PT與Vom成非線性關(guān)系，有一個最大值?？捎肞T對Vom求導(dǎo)的辦法找出這個最大值。PTmax發(fā)生在Vom=0.64VCC處，將Vom=0.64VCC代入PT表達(dá)式，可得PTmax為：對一只三極管乙類互補(bǔ)功放電路的管耗 顯然，管耗與輸出幅度有關(guān)，圖5.7中畫陰影線484)效率η

當(dāng)Vom=VCC

時效率最大:η=π/4=78.5％。4)效率η當(dāng)Vom=VCC時效率最大:494.大功率三極管的選用原則在最大輸出功率下，三極管的參數(shù)必須滿足以下條件:1）每只三極管的最大允許管耗PCM≥0.2Pom;2)T2飽和時，VCE2≈0，此時VCE1具有最大值，且等于2VCC。因此，應(yīng)選用|V（BR）CEO|>2VCC的管子；3）通過三極管的最大集電極電流為VCC/RL，所選用的三極管似的ICM應(yīng)大于此值。4.大功率三極管的選用原則在最大輸出功率下，三極管507.3其它類型互補(bǔ)功率放大電路

除了雙電源的標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)功率放大電路外，還有一些其它類型的互補(bǔ)功率放大電路：

7.3.1單電源互補(bǔ)功率放大電路 7.3.2采用復(fù)合管的互補(bǔ)功率放大電路 7.3.3集成功率放大器 7.3.4BTL互補(bǔ)功率放大電路7.3其它類型互補(bǔ)功率放大電路517.3.1單電源互補(bǔ)功率放大電路

當(dāng)電路對稱時，輸出端的靜態(tài)電位等于VCC/2。為了使負(fù)載上僅獲得交流信號，用一個電容串聯(lián)在負(fù)載與輸出端之間。這種功率放大電路也稱為OTL互補(bǔ)功率放大電路。電容器的容量由放大電路的下限頻率確定。LLπ21fRC3單電源OTL互補(bǔ)功率放大電路單電源互補(bǔ)功率放大電路如圖所示。動畫7-37.3.1單電源互補(bǔ)功率放大電路當(dāng)電路52采用單電源的互補(bǔ)對稱電路采用單電源互補(bǔ)對稱功率放大電路動畫7-3計算各參數(shù)時,電源用Vcc/2代替采用單電源的互補(bǔ)對稱電路采用單電源互補(bǔ)對稱功率放大電路動畫753

7.3.2采用復(fù)合管的互補(bǔ)功率放大電路當(dāng)輸出功率較大時，往往采用復(fù)合管，復(fù)合管有四種形式復(fù)合管的極性由前面的一個三極管決定。由NPN-NPN或PNP-PNP復(fù)合而成的一般稱為達(dá)林頓管。四種類型的復(fù)合管7.