模電 第九章 功率放大電路

第九章

功率放大電路9.1功率放大電路概述9.2互補(bǔ)功率放大電路9.3功率放大電路的安全運(yùn)行9.4集成功率放大電路第四版華成英9.1功率放大電路概述能夠向負(fù)載提供足夠信號功率的放大電路稱為功率放大電路，簡稱功放。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。功放電路的要求：Pomax

大，三極管極限工作=Pomax/PV

要高失真要小9.1.1功率放大電路的特點(diǎn)一、主要技術(shù)指標(biāo)1.最大輸出功率Pom功率放大電路提供給負(fù)載的信號功率稱為輸出功率。是交流功率，表達(dá)式為Po＝IoUo。最大輸出功率是在電路參數(shù)確定的情況下，負(fù)載上可能獲得的最大交流功率2.轉(zhuǎn)換效率

(eta)

功率放大電路的最大輸出功率與電源提供的直流功率之比。直流功率等于電源輸出電流平均值及電壓之積。3.最大輸出電壓Uom二、功率放大電路中的晶體管在功率放大電路中，為使輸出功率盡可能大，要求晶體管工作在極限應(yīng)用狀態(tài)。選擇功放管時(shí)，要注意極限參數(shù)的選擇，還要注意其散熱條件，使用時(shí)必須安裝合適的散熱片和各種保護(hù)措施。晶體管集電極電流最大時(shí)接近ICM晶體管管壓降最大時(shí)接近U（BR）CEO晶體管耗散功率最大時(shí)接近PCM三、功率放大電路的分析方法采用圖解法9.1.2功率放大電路的組成一、為什么共射放大電路不宜用作功率放大電路圖9.1.1(a)共射放大電路圖9.1.1輸出功率和效率的圖解分析直流電源提供的直流功率為ICQVCC即圖中矩形ABCO的面積。集電極電阻RC的功率損耗為I2CQRC

即圖中矩形QBCD的面積。晶體管集電極耗散功率為ICQUCEQ即圖中矩形AQDO的面積。1.無輸入信號作用時(shí)圖9.1.1輸出功率和效率的圖解分析2.在輸入信號為正弦波時(shí)，若集電極電流也為正弦波直流電源提供的直流功率不變負(fù)載電阻RL上所獲得的功率PO僅為P/Om的一部分。R/L(=RC//RL)上獲得的最大交流功率P/Om為即圖中三角形QDE的面積共射放大電路輸出功率小，效率低（25℅），不宜作功放。二、變壓器耦合功率放大電路傳統(tǒng)的功放為變壓器耦合式電路電源提供的功率為PV＝ICQVCC，全部消耗在管子上。則可作出交流負(fù)載線

RL等效到原邊的電阻為變壓器原邊線圈電阻可忽略不計(jì)，直流負(fù)載線垂直于橫軸且過(VCC，0)。在理想變壓器的情況下，最大輸出功率為即三角形QAB的面積在輸入信號為正弦波時(shí)，若集電極電流也為正弦波直流電源提供的功率不變電路的最大效率為:Pom/PV=50℅實(shí)用的變壓器功率放大電路希望輸入信號為零時(shí)，電源不提供功率，輸入信號愈大，負(fù)載獲得的功率也愈大，電源提供的功率也隨之增大，從而提高效率。變壓器耦合乙類推挽功率放大電路圖9.13(a)變壓器耦合乙類推挽功率放大電路同類型管子在電路中交替導(dǎo)通的方式稱為“推挽”工作方式。無輸入信號，二管截止有輸入信號，二管交替導(dǎo)通功率放大電路的分類在放大電路中，若輸入信號為正弦波時(shí)，根據(jù)晶體管在信號整個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通情況分類甲類(=2)tiCO

Icm2ICQtiCO

Icm2ICQ乙類(=)tiCO

IcmICQ2甲乙類(

<<2)丙類：導(dǎo)通角小于。丁類：功放管工作在開關(guān)狀態(tài)，管子僅在飽和導(dǎo)通時(shí)消耗功率。集電極電流iC將嚴(yán)重失真。三、無輸出變壓器的功率電路OutputTransformerless（OTL電路）用一個(gè)大容量電容取代了變壓器(電容：幾百~幾千微法的電解電容器）圖9.1.4OTL電路靜態(tài)時(shí)：前級電路應(yīng)使基極電位為VCC/2，發(fā)射結(jié)電位為VCC/2，故電容上的電壓也VCC/2。單電源供電。T1和T2特性對稱工作時(shí)：T1和T2輪流導(dǎo)通，電路為射極跟隨狀態(tài)。OTL工作在乙類工作狀態(tài)，會出現(xiàn)交越失真。如何消除？動(dòng)畫avi\17-4.avi四、無輸出電容的功率放大電路

OutputCapacitorless（OCL電路）雙電源供電,T1和T2特性對稱圖9.1.5OCL電路靜態(tài)時(shí):T1和T2均截止，輸出電壓為零。工作時(shí):T1和T2交替工作，正、負(fù)電源交替供電，輸出與輸入之間雙向跟隨。不同類型的二只晶體管交替工作，且均組成射極輸出形式的電路稱為“互補(bǔ)”電路；二只管子的這種交替工作方式稱為“互補(bǔ)”工作方式。五、橋式推挽功率放大電路

BalancedTransformerless（BTL電路）圖9.1.6BTL電路單電源供電，四只管子特性對稱靜態(tài)時(shí)，四只晶體管均截止，輸出電壓為零。當(dāng)ui>0時(shí)，T1和T4導(dǎo)通，T2和T3

截止，負(fù)載上獲得正半周電壓；當(dāng)ui<0時(shí)，T2和T3導(dǎo)通，T1和T4

截止，負(fù)載上獲得負(fù)半周電壓。因而負(fù)載上獲得交流功率工作時(shí)，9.2.1OCL電路的組成及工作原理一、電路組成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9.2互補(bǔ)功率放大電路目前使用最廣泛的功放是OTL電路和OCL電路若考慮三極管的開啟電壓，輸出波形將產(chǎn)生交越失真。動(dòng)畫avi\17-3.avi二、消除交越失真的OCL電路的工作原理tiC0ICQ1ICQ2消除交越失真思路：圖9.2.2消除交越失真的OCL電路RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiR3ui

=0，給T1、T2提供靜態(tài)電壓UB1、B2＝UD1＋UD2＋UR2UB1、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，兩管均處于微導(dǎo)通狀態(tài)，即都有一個(gè)微小的基極電流，分別為IB1和IB2。靜態(tài)時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)R1，使UE為0,即u0為0。動(dòng)畫avi\17-2.avi當(dāng)ui

=0時(shí)，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。當(dāng)輸入信號為正弦交流電時(shí)圖9.2.3T1和T2管在ui作用下輸入特性中的圖解分析二管導(dǎo)通的時(shí)間都比輸入信號的半個(gè)周期更長，功放電路工作在甲乙類狀態(tài)。9.2.2OCL電路的輸出功率及效率當(dāng)輸入電壓足夠大，且又不產(chǎn)生飽和失真的圖解分析圖9.2.4OCL電路的圖解分析圖中I區(qū)為T1管的輸出特性，II區(qū)為T2管的輸出特性；二只管子的靜態(tài)電流很小，可認(rèn)為Q點(diǎn)在橫軸上。Uop=VCC

–

UCES最大輸出電壓幅值最大不失真輸出電壓的有效值動(dòng)畫avi\17-1.avi最大輸出功率電源VCC提供的電流電源在負(fù)載獲得最大交流功率時(shí)所消耗的平均功率等于其平均電流與電源電壓之積。轉(zhuǎn)換效率理想情況下，UCES可忽略；但大功率管UCES較大，不能忽略9.2.3OCL電路中晶體管的選擇一、最大管壓降UCEmax=2VCC

二、集電極最大電流三、集電極最大功耗如何求PT的最大功率？RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiR3晶體管集電極最大功耗僅為最大輸出功率的五分之一。在查閱手冊選擇晶體管時(shí)，應(yīng)使極限參數(shù)BUCEO＞2VCC

ICM＞VCC/RL

PCM＞0.2Pom

[例9.2.1]在圖9.2.2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UCES＝3V，電壓放大倍數(shù)約為1，負(fù)載電阻RL