第4章功率放大電路

會計學(xué)1第4章功率放大電路最大輸出功率Pom功率放大電路的主要技術(shù)指標(biāo)是最大輸出功率和轉(zhuǎn)換效率：功率放大電路提供給負(fù)載的信號功率稱為輸出功率。在輸入為正弦波且輸出基本不失真條件下，輸出功率是交流功率，表達(dá)式為Po=IoUo，式中Io和Uo均為交流有效值。最大輸出功率Pom是在電路參數(shù)確定的情況下負(fù)載上可能獲得的最大交流功率。

轉(zhuǎn)換效率功率放大電路的最大輸出功率與電源所提供的功率之比稱為轉(zhuǎn)換效率。電源提供的功率是直流功率，其值等于電源輸出電流平均值與其電壓之積。從能量控制和轉(zhuǎn)換的角度看，功率放大電路與其它放大電路在本質(zhì)上沒有根本的區(qū)別；只是功放既不是單純追求輸出高電壓，也不是單純追求輸出大電流，而是追求在電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的功率。因此，從功放電路的組成和分析方法，到其元器件的選擇，都與小信號放大電路有著明顯的區(qū)別。第1頁/共44頁4.1.2功率放大電路的分類

甲類：乙類：甲乙類：分類：甲類乙類甲乙類在放大電路中，當(dāng)輸入信號為正弦波時，若晶體管在信號的整個周期內(nèi)均導(dǎo)通（即導(dǎo)通角為360°），則稱之工作在甲類狀態(tài)。若晶體管僅在信號的正半周或負(fù)半周導(dǎo)通（即導(dǎo)通角為180°），則稱之工作在乙類狀態(tài)。若晶體管的導(dǎo)通時間大于半個周期且小于周期（即導(dǎo)通角在180°~360°之間），則稱之工作在甲乙類狀態(tài)。第2頁/共44頁放大電路的工作狀態(tài)甲類(=2)tiCO

IcM2ICQtiCO

IcM2ICQ乙類(=)tiCO

IcMICQ2甲乙類(

<<2)第3頁/共44頁QuCE

iCO

tiCO

QQ乙類工作狀態(tài)失真大，靜態(tài)電流為零，管耗小，效率高。甲乙類工作狀態(tài)失真大，靜態(tài)電流小，管耗小，效率較高。甲類工作狀態(tài)失真小，靜態(tài)電流大，管耗大，效率低。第4頁/共44頁4.2.1互補對稱功率放大電路的引出+VCCRLC1+RBuce=uouCE

iCO

tiCO

QIcMUceM設(shè)“Q”設(shè)置在交流負(fù)載線中點VCCIC4.2互補對稱功率放大電路1.甲類功率放大電路的輸出功率與效率4.2.1互補對稱功率放大電路（1）共射放大電路輸出功率很小，且由于電源提供的功率始終不變，使得效率也很低，可見其不宜作為功率放大電路。第5頁/共44頁2.互補對稱功率放大器的引出上圖所示的射極跟隨器輸出電阻小，帶負(fù)載能力強，適合作功率輸出級。為了提高效率，必須使電路的靜態(tài)損耗為0，即IB=0，IC=0，并且采用兩個極性相反的射極跟隨器組成乙類互補功率放大電路。射極跟隨器波形失真第6頁/共44頁4.2.2OCL電路的組成與工作原理(OCL—OutputCapacitorless)電路組成及工作原理RLT1T2+VCC+ui+uoVCCui>0T1導(dǎo)通T2截止iC1io=iE1=iC1,uO=iC1RLui<0T2導(dǎo)通T1截止iC1io=iE2=iC2,uO=iC2RLui=0T1、T2截止目前使用最廣泛的是無輸出變壓器的功率放大電路（OTL電路）和無輸出電容的功率放大電路（OCL電路）。本節(jié)以O(shè)CL電路為例，介紹功率放大電路最大輸出功率和轉(zhuǎn)換效率的分析計算，以及功放中晶體管的選擇。第7頁/共44頁電路存在的問題：當(dāng)輸入電壓小于死區(qū)電壓時，三極管截止，引起

交越失真。交越失真輸入信號幅度越小失真越明顯。RLT1T2+VCC+ui+uoVCC為了消除交越失真，應(yīng)當(dāng)設(shè)置合適的靜態(tài)工作點，使兩只晶體管均工作在臨界導(dǎo)通或微導(dǎo)通狀態(tài)。即晶體管工作在甲乙類狀態(tài)。第8頁/共44頁4.2.3OCL電路的輸出功率與效率功率放大電路最重要的技術(shù)指標(biāo)是電路的最大輸出功率Pom及效率。為了求解Pom

，需首先求出負(fù)載上能夠得到的最大輸出電壓幅值。當(dāng)輸入電壓足夠大，且又不產(chǎn)生飽和失真時，電路的圖解分析如右圖所示。圖中Ⅰ區(qū)為T1管的輸出特性，Ⅱ區(qū)為T2管的輸出特性。因Q點在橫軸上，因而最大輸出電壓幅值等于電源電壓減去晶體管的飽和壓降，即（VCC-UCES）。OCL電路OCL電路的圖解分析第9頁/共44頁最大輸出功率Pomax=Pom最大不失真輸出電壓的有效值Uom電源功率PV電源所消耗的平均功率等于其平均電流與電源電壓之積，其表達(dá)式為第10頁/共44頁轉(zhuǎn)換效率

在理想情況下，即飽和管壓降可忽略不計的情況下應(yīng)當(dāng)指出，大功率管的飽和管壓降常為2~3V，因而一般情況下都不能忽略飽和管壓降，即不能用上面理想情況下的式子來計算電路的最大輸出功率和效率。第11頁/共44頁令則時管耗最大，即可見，晶體管集電極最大功耗僅為最大輸出功率的五分之一。管耗在查閱手冊選擇晶體管時，應(yīng)使極限參數(shù)PCM>0.2PomU(BR)CEO>2VCCICM>VCC/RL這里仍需強調(diào)，在選擇晶體管時，其極限參數(shù)，特別是PCM應(yīng)留有一定的余量，并嚴(yán)格按手冊要求安裝散熱片。RLT1T2+VCC+ui+uoVCC每只管子最大管耗為

0.2Pom第12頁/共44頁例1：在所示電路中，已知VCC=15V，輸入電壓為正弦波，晶體管的飽和管壓降為3V，電壓放大倍數(shù)約為1，負(fù)載電阻RL=4。（1）求解負(fù)載上可能獲得的最大功率和效率；（2）若輸入電壓最大有效值為8V，則負(fù)載上能夠獲得的最大功率為多少？解：（1）求解負(fù)載上可能獲得的最大功率和效率（2）功率放大電路的最大輸出功率除了決定于功放自身的參數(shù)外，還與輸入電壓是否足夠大有關(guān)。因為Uo=Ui，所以Uom=8V第13頁/共44頁例2：已知VCC=24V，RL=8，忽略UCE(sat)

求Pom

以及此時的PV、PT1，并選管。[解]RLT1T2+VCC+ui+uoVCC第14頁/共44頁U(BR)CEO>48VICM>24/8=3A可選：U(BR)CEO=60100VICM=5APCM=1015W第15頁/共44頁思考：已知VCC=12V，RL=8，UCES=2V，1）求Pom

、η以及此時的PV、PT1，并選管。2）計算η=0.6時的Po[解]RLT1T2+VCC+ui+uoVCC（1）第16頁/共44頁U(BR)CEO>24VICM>12/8=1.5(A)可選：U(BR)CEO=30VICM=3APCM=5W（2）第17頁/共44頁4.3改進型OCL電路4.3.1甲乙類互補對稱功率放大電路給T1、T2提供靜態(tài)電壓tiC0ICQ1ICQ21.克服交越失真思路電路：RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCT3第18頁/共44頁當(dāng)ui=0時，T1、T2微導(dǎo)通。當(dāng)ui<0(

至)，

T1

微導(dǎo)通

充分導(dǎo)通

微導(dǎo)通；T2微導(dǎo)通截止

微導(dǎo)通。當(dāng)ui>0(

至)，

T2

微導(dǎo)通

充分導(dǎo)通

微導(dǎo)通；

T1微導(dǎo)通截止

微導(dǎo)通。RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCT3使UB1、B2略大于T1管發(fā)射結(jié)和T2管發(fā)射結(jié)開啟電壓之和，從而使兩只管子均處于微導(dǎo)通狀態(tài)，即都有一個微小的基極電流，分別為IB1和IB2。第19頁/共44頁2.克服交越失真的方法T1T2T3T4T1T2T3R2R1利用二極管消除交越失真UBE的倍增電路合理選擇R1和R2，可以得到UBE任意倍數(shù)的直流電壓，故稱該電路為UBE倍增電路。同時，也可得到PN結(jié)任意倍數(shù)的溫度系數(shù)，故可以用于溫度補償。第20頁/共44頁3.消除交越失真的OCL電路T4RL+VCC+uoT1T2T3VEER1R2R3R4甲乙類互補對稱功率放大電路第21頁/共44頁4.功率和效率

由于甲乙類互補對稱功率放大電路的靜態(tài)電流很小，其工作原理與分析方法與乙類功率放大電路近似相同。

對于甲乙類互補對稱功率放大電路的輸出功率與效率計算，仍然可以使用乙類功率放大電路的計算公式，這樣做計算過程簡單，誤差也不是很大。理想第22頁/共44頁4.3.2準(zhǔn)互補對稱放大電路1.復(fù)合管(達(dá)林頓管)目的：實現(xiàn)管子參數(shù)的配對ib1(1+1)

ib1(1+1)(1+2)ib1=(1+1+2+12)ib1

1

2

rbe=rbe1+(1+1)rbe22(1+1)ib11ib1ibicie(1+2+12)ib1T1T2等效為第23頁/共44頁復(fù)合管的構(gòu)成規(guī)則：在串接點，必須保證兩管電流方向的一致和連續(xù)（實際電流方向不沖突）。在并接點，必須保證兩管電流同時流入接點或同時流出接點。必須保證復(fù)合管中每個管子都工作在放大區(qū)（即保證發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。復(fù)合管類型與第一只管子相同。在正確的外加電壓下每只管子的各極電流均有合適的通路，且均工作在放大區(qū)；為了實現(xiàn)電流放大，應(yīng)將第一只管的集電極或發(fā)射極電流做為第二只管子的基極電流。第24頁/共44頁T1T2NPNT1T2PNPT1T2NPNT1T2PNP一些常見的復(fù)合管由于復(fù)合管有很高的電流放大系數(shù)，所以只需很小的輸入驅(qū)動電流iB，便可獲得很大的輸出集電極電流iC。在一些場合下，還可將三只晶體管接成復(fù)合管，或?qū)鲂?yīng)管和晶體管接成復(fù)合管。應(yīng)當(dāng)指出使用三只以上管子構(gòu)成復(fù)合管的情況比較少，因為晶體管數(shù)目太多時，會因結(jié)電容的作用使高頻特性變壞；而且為保證復(fù)合管中每一只管子都工作在放大區(qū)，必然要求復(fù)合管的c-e間直流電壓足夠大，這就需要提高電源電壓。第25頁/共44頁例：圖中的哪些接法可以構(gòu)成復(fù)合管？標(biāo)出它們等效管的類型及管腳。不能不能NPN型BCE不能不能PNP型BCENPN型BCE第26頁/共44頁練習(xí)：第27頁/共44頁2.采用復(fù)合管的準(zhǔn)互補功率放大電路為了增大電流放大系數(shù)，以減小前級驅(qū)動電流，常采用復(fù)合管結(jié)構(gòu)。要尋找特性完全對稱的NPN型和PNP型對管是比較困難的，所以，在實用電路中常采用準(zhǔn)互補電路。從輸出端看進去，T2和T4均采用了同類型管，較容易做到特性相同。這種輸出管為同一類型管的電路稱為準(zhǔn)互補電路。第28頁/共44頁4.3.3輸出電流的保護準(zhǔn)互補電路，T3和T4復(fù)合而成的PNP型管與NPN型管T2構(gòu)成互補形式，為了彌補它們的非對稱性，在發(fā)射極加兩個阻值不同的電阻R3和R4。R1、R2和T1構(gòu)成UBE倍增電路，為電路設(shè)置了合適的靜態(tài)工作點，以消除交越失真。R3和R4還作為輸出電流（發(fā)射極電流）的采樣電阻與D1、D2共同構(gòu)成過流保護電路。T2導(dǎo)通時：當(dāng)iO未超過額定值時，uD1<Uon，D1截止；當(dāng)iO過大時，R3上電壓變大，使D1導(dǎo)通，為T2的基極分流，從而限制了T2的發(fā)射極電流，保護了T2管。D2在T3和T4導(dǎo)通時起保護作用。iO第29頁/共44頁甲乙類單電源互補對稱放大電路（補充）—OTL電路(OutputTransformerless)RLRBT4–VEE+VCCT5T1T2CERERB1RB2+uo+ui+++CE電容C的作用：1)充當(dāng)VCC/2電源2)耦合交流信號取VEE=0第30頁/共44頁當(dāng)ui=0時:當(dāng)ui>0時：T2導(dǎo)通，C放電，T2的等效電源電壓

0.5VCC。當(dāng)ui<

0時：T1導(dǎo)通，C充電，T1的等效電源電壓

+0.5VCC。應(yīng)用OCL電路有關(guān)公式時，要用VCC/2取代VCC。RLRBT4+VCCT5T1T2CERERB1RB2+uo+ui+++CE第31頁/共44頁OCL電路和OTL電路的比較*OCLOTL

電源雙電源單電源信號交、直流交流頻率響應(yīng)好fL

取決于輸出耦合電容C電路結(jié)構(gòu)較簡單較復(fù)雜Pomax第32頁/共44頁*4.4

集成功放及其應(yīng)用

引言

4.4.2DG810集成功放及其應(yīng)用

4.4.3TD2040集成功放及其應(yīng)用

4.4.1LM386集成功放及其應(yīng)用第33頁/共44頁組成：前置級、中間級、輸出級、偏置電路特點：輸出功率大、效率高有過流、過壓、過熱保護引言第34頁/共44頁4.4.1

LM386集成功放及其應(yīng)用1.典型應(yīng)用參數(shù)：直流電源：412V額定功率：660mW帶寬：300kHz輸入阻抗：50k12348765引腳圖第35頁/共44頁2.內(nèi)部電路1.8開路時，

Au=20(負(fù)反饋最強)1.8交流短路

Au=200(負(fù)反饋最弱)電壓串聯(lián)負(fù)反饋第36頁/共44頁V1、V6：V3、V5：V2、V4：射級跟隨器，高Ri雙端輸入單端輸出差分電路恒流源負(fù)載V7~V12：功率放大電路V7為驅(qū)動級(I0為恒流源負(fù)載)V11、V12用于消除交越失真V8、V10

構(gòu)成PNP

準(zhǔn)互補對稱第37頁/共44頁3.典型應(yīng)用電路第38頁/共44頁

LM3861234785RPC1C2C3C4C5C610F36k10F100F220F0.1F810.047F+VCC6輸出電容(OTL)頻率補償，抵消電感高頻的不良影響防止自激等調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)第39頁/共44頁4.4.2

DG810集成功放及其應(yīng)用—

標(biāo)準(zhǔn)音頻功率放大功率大、噪聲小、頻帶寬、工作電源范圍寬、有保護電路輸出電容輸入偏置交流負(fù)反饋頻率補償，防自激等自舉電容頻率補償防自激等VCC=15V時輸出功率6W+VCCuiC9R1R4C2DG81011294785C1C8C7C4C5C65F100k.01F100F1000pF0.1F4

564700pF10100F100F