第5章-功率放大電路

會(huì)計(jì)學(xué)1第5章-功率放大電路2023/1/192在電路方面，主要是介紹互補(bǔ)對稱功放電路、集成功放實(shí)例以及功放器件的散熱問題。第1頁/共57頁2023/1/1935.1功率放大電路的一般問題1.功率放大電路的特點(diǎn)及主要研究對象

(1)輸出功率要足夠大

(2)效率要高

(3)非線性失真要小

(4)

BJT器件一定要解決好散熱問題第2頁/共57頁2023/1/1942.功率放大電路提高效率的途徑(1)功放管的工作狀態(tài)a.甲類工作狀態(tài)(如圖5.1.1(a)所示)Q點(diǎn)在輸出特性曲線線性區(qū)的中點(diǎn)，此時(shí)，晶體管的導(dǎo)通角θ＝2π，在信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)iC>0。這類工作狀態(tài)的特點(diǎn)是：耗電量較大，效率低(<30%)，失真小。［轉(zhuǎn)7］第3頁/共57頁2023/1/195第4頁/共57頁2023/1/196b.乙類工作狀態(tài)(如圖5.1.1(b)所示)Q點(diǎn)在輸出特性曲線坐標(biāo)系的橫軸上，此時(shí)，晶體管的導(dǎo)通角θ＝π，在信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)只有半個(gè)周期，iC>0。這類工作狀態(tài)特點(diǎn)是：省電，效率高(約為78.5%),存在交越失真。［轉(zhuǎn)9］第5頁/共57頁2023/1/197第6頁/共57頁2023/1/198c.甲乙類工作狀態(tài)(如圖5.1.1(c)所示)Q點(diǎn)在輸出特性曲線線性區(qū)的下方、截止區(qū)的上方，此時(shí)，晶體管的導(dǎo)通角π<θ<2π,在信號(hào)的大半個(gè)周期內(nèi)，iC>0。這類工作狀態(tài)的特點(diǎn)是：省電，效率高(約為78.5%)，交越失真小。第7頁/共57頁2023/1/199d.丙類工作狀態(tài)(如圖5.1.1(d)所示)Q點(diǎn)在輸出特性曲線坐標(biāo)系橫軸的下方、截止區(qū)的下方，此時(shí)，晶體管的導(dǎo)通角θ<π，在信號(hào)的小半個(gè)周期內(nèi)，iC>0。這類工作狀態(tài)的特點(diǎn)是：省電，效率高(約為78.5%)，交越失真大。多用于高頻放大電路中(本書略)。第8頁/共57頁2023/1/1910第9頁/共57頁2023/1/19115.2乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路5.2.1電路組成如圖5.2.1所示。乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路實(shí)際上是由兩個(gè)不同類型晶體管構(gòu)成的射極輸出器組成。［轉(zhuǎn)14］第10頁/共57頁2023/1/1912［轉(zhuǎn)19］第11頁/共57頁2023/1/1913第12頁/共57頁2023/1/19145.2.1電路分析計(jì)算如圖5.2.2所示。由圖(a)可知，管子的Q點(diǎn)在坐標(biāo)系的橫軸上，把兩個(gè)管子的輸出特性曲線重合畫成一個(gè)復(fù)合特性曲線如圖(b)所示。第13頁/共57頁2023/1/1915第14頁/共57頁2023/1/1916第15頁/共57頁2023/1/1917在晶體管盡限運(yùn)用狀態(tài)，vCE的變化范圍為2(VCC－VCES)＝2Vcem＝2IcmRL，如果忽略管子的飽和壓降VCES

，則Vcem≈IcmRL≈VCC1.

輸出功率的計(jì)算設(shè)輸出電壓的幅值為Vom

Po＝Vo

Io第16頁/共57頁2023/1/1918在圖5.2.1中，T1、T2可以看成是工作在射極輸出器狀態(tài)，AV≈１，當(dāng)輸入信號(hào)足夠大時(shí),可使

Vim＝Vom

＝Vcem

＝VCC－VCES≈VCC和Iom＝Icm第17頁/共57頁2023/1/1919可獲得最大輸出功率2.管耗由于兩管交替導(dǎo)通，每一只的管耗是相等的，只需求出一只管子的管耗就行了。設(shè)輸出信號(hào)電壓為vo＝Vomsinωt，則T1的管耗為第18頁/共57頁2023/1/1920第19頁/共57頁2023/1/1921而兩管的功耗為3.直流電源供給的功率PV

PV

包括負(fù)載上得到的信號(hào)功率Po和T1、T2上消耗的功率PT兩部分。第20頁/共57頁2023/1/1922

當(dāng)vi＝0時(shí)，由于iC1＝iC2＝0,所以,PV

＝0；

當(dāng)vi≠0時(shí)，由式(5.2.1)、(5.2.4)得：當(dāng)輸出電壓幅值達(dá)到最大時(shí)，即Vom≈VCC時(shí)，則得電源供給的最大功率為：第21頁/共57頁2023/1/1923

4.效率η

一般情況下效率為當(dāng)Vom≈VCC時(shí)，則第22頁/共57頁2023/1/1924

該結(jié)論是在假定互補(bǔ)對稱功率放大電路工作在乙類、負(fù)載電阻為理想值，忽略VCES和輸入信號(hào)足夠大(Vim≈Vom≈VCC)的情況下得來的，實(shí)際效率要比該值低一些。第23頁/共57頁2023/1/1925

5.2.3功率晶體管的選擇1.最大管耗和最大輸出功率的關(guān)系工作在乙類的基本互補(bǔ)對稱電路，在靜態(tài)時(shí)，管子幾乎不取電流，管耗接近于零，因此，當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)，輸出功率較小，管耗也小，這是容易理解的。第24頁/共57頁2023/1/1926但是，當(dāng)輸入信號(hào)愈大時(shí)，輸出功率是否也愈大？最大管耗發(fā)生在什么情況下呢？由式(5.2.3)知，管耗PT1是輸出電壓幅值Vom的函數(shù)，因此，可以用求極值的方法通過式(5.2.3)求解。由式(5.2.3)有：第25頁/共57頁2023/1/1927第26頁/共57頁2023/1/1928所以，可證(式5.2.10)，每管的最大管耗與電路最大輸出功率的關(guān)系為：第27頁/共57頁2023/1/1929上式說明，每管的最大管耗為最大輸出功率的1/5，選管時(shí)，只要管耗大于該值即可。2.功率晶體管的選擇(1)每只晶體管的PCM必須大于P

T1m≈0.2Po；第28頁/共57頁2023/1/1930(2)考慮道當(dāng)T2飽和導(dǎo)通時(shí)，－vCE2≈0，此時(shí)晶體管T1承受電壓為最大值，且vCE１＝2VCC，選管時(shí)，晶體管應(yīng)選用V(BR)CEO>2VCC的管子；(3)功放管工作時(shí)，通過的最大電流為VCC／RL，所選晶體管的ICM

一般不能低于此值。第29頁/共57頁2023/1/1931例5.2.1(P204~205)功放電路如圖5.2.1a所示，設(shè)VCC＝12V，RL＝8Ω，BJT的極限參數(shù)為ICM＝2A，V(BR)CEO＝30V，PCM＝5W。試求：(1)最大輸出功率Pom值，并檢驗(yàn)所給BJT是否能安全工作?(2)放大電路在η＝0.6時(shí)的輸出功率Po值。［轉(zhuǎn)34］第30頁/共57頁2023/1/1932第31頁/共57頁2023/1/1933解：(1)求Pom，并檢驗(yàn)BJT的安全工作情況

由式(5.2.2)可求出通過BJT的最大集電極電流、BJTc、e極間的最大壓降和它的最大管耗分別為第32頁/共57頁2023/1/1934vCEm＝2VCC＝24VPT1m≈0.2Pom＝0.2×9W＝1.8W所求iCM、vCEm和PTlm，均分別小于極限參數(shù)ICM、V(BR)CEO

和PCM，故BJT能安全工作。第33頁/共57頁2023/1/1935

(2)求η＝0.6時(shí)的Po值

由式(5.2.7)可求出第34頁/共57頁2023/1/19365.3

甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路交越失真：對于乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路，由于無直流偏置，兩管交替導(dǎo)通時(shí)必須先通過截止區(qū)，由此將產(chǎn)生交越失真如圖5.3.1(b)所示。第35頁/共57頁2023/1/1937第36頁/共57頁2023/1/1938

解決方案：給功放管加一小偏置，使功放管工作在甲乙類狀態(tài)，以消除交越失真。5.3.1甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱功放電路如圖5.3.2所示。T3為前置放大級(jí)，Rc3為其集電極負(fù)載電阻，D1、D2為T1、T2的偏置電路。由于T1、T2處于微偏狀態(tài)，晶體管工作在甲乙類狀態(tài)，基本可以消除交越失真。［轉(zhuǎn)41］第37頁/共57頁2023/1/1939第38頁/共57頁2023/1/1940缺點(diǎn)：T1、T2的偏置電壓不易調(diào)整。圖5.3.3為另一偏置電路?？勺C，VCE4＝VBE4(R1＋R2)/R2

，(電路中IR1>>IB4，這種電路稱為VBE倍增電路)，通過調(diào)整R*1，即可調(diào)整T1、T2的偏置電壓。該電路多用于集成電路中。[轉(zhuǎn)43]第39頁/共57頁2023/1/1941第40頁/共57頁2023/1/1942圖5.3.3’為分離元件電路常用電路。該電路調(diào)整Rp即可改變T1、T2的偏置電壓，使之工作在甲乙類狀態(tài)，這類電路通常稱為甲乙類OTL電路［轉(zhuǎn)45］第41頁/共57頁2023/1/1943第42頁/共57頁2023/1/19445.3.2甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路

1.基本電路如圖5.3.4所示。該電路是采用一個(gè)電源供電的互補(bǔ)對稱型電路，該電路每一只管子的供電電源為VCC/2，K點(diǎn)電位靜態(tài)時(shí)為VCC/2?？赏ㄟ^調(diào)整R2來實(shí)現(xiàn)。［轉(zhuǎn)47］第43頁/共57頁2023/1/1945第44頁/共57頁2023/1/1946輸出電容C在T1工作時(shí)，對C進(jìn)行充電，當(dāng)T1

截止T2導(dǎo)通時(shí)，C上的充電電壓作為T2的供電電源，給T2提供能量。T3為前置放大級(jí)，它組成的是分壓式電流負(fù)反饋偏置電路，具有穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的功能。第45頁/共57頁2023/1/1947

2.工作原理

a.vi的負(fù)半周，T1正偏導(dǎo)通，T2反偏截止，電流iC1經(jīng)：＋VCC→T1c極→T1e極→K→C→RL→地(通過電源內(nèi)部)→＋VCC形成回路，如圖5.3.4(a)所示。［轉(zhuǎn)50］第46頁/共57頁2023/1/1948第47頁/共57頁2023/1/1949對負(fù)載輸出正半周信號(hào)，負(fù)載電流的方向?yàn)樽陨隙?，同時(shí)對電容C進(jìn)行充電；b.

vi的正半周，T1反偏截止，T2正偏導(dǎo)通，電流iC2經(jīng)：K點(diǎn)→T2e極→T2c極→地→RL→C→K點(diǎn)形成回路如圖5.3.4(b)所示。第48頁/共57頁2023/1/1950第49頁/共57頁2023/1/1951對負(fù)載輸出負(fù)半周信號(hào)，負(fù)載電流的方向?yàn)樽韵露希瑫r(shí)電容通過回路進(jìn)行放電。由于輸出電容C的容量較大，無論是充電或是放電，其兩端的電壓基本保持在VCC/2不變。第50頁/共57頁2023/1/19523.該電路存在的問題當(dāng)T1正偏導(dǎo)通，給輸出電容C充電，使K點(diǎn)電位向＋VCC接近時(shí)，T1的基極電流將受到限制而使T1不能充分導(dǎo)通，一致使輸出信號(hào)的正半周不能達(dá)到理想的最大值。致使Vom明顯小于VCC/2。第51頁/共57頁2023/1/1953解決方法：當(dāng)T1正偏導(dǎo)通時(shí)，隨著iC1的增加電路自動(dòng)提高D點(diǎn)的電位，使VD>＋VCC，以保證T1能充分導(dǎo)通,從而使Vom接近于VCC/2。第52頁/共57頁2023/1/19544.自舉電路及其作用如圖5.3.5所示(1)自舉電路的組成自舉電路是由R3、C3組成。其時(shí)間常數(shù)τ＝R3C3足夠大(R3

一般比較小約