ch4功率放大電路

4.1功率放大電路的特殊問題

輸出功率為主要技術(shù)指標(biāo)。晶體管起能量轉(zhuǎn)換作用：電源提供的直流電能轉(zhuǎn)化為由信號(hào)控制的輸出交變電能。功率放大簡(jiǎn)稱功放，與電壓放大電路相比較，主要考慮以下問題。第4章功率放大電路⑴

輸出大功率輸出功率是指受信號(hào)控制的輸出交變電壓和交變電流的乘積，即負(fù)載所得到的功率。要求功放管輸出大電流和電壓。功放管工作在接近極限狀態(tài)，選擇功放管要考慮極限參數(shù)。4.1功率放大電路的特殊問題⑵

提高效率

功率放大電路的效率(Efficiency)是指負(fù)載得到的信號(hào)功率與電源供給的直流功率之比。提高效率可以在相同輸出功率的條件下，減小能量損耗，減小電源容量，降低成本。⑶

減小失真

原因：功率放大電路的工作電流和電壓要超過特性曲線的線性范圍，甚至接近于晶體管的飽和區(qū)和截止區(qū)。造成非線性失真較嚴(yán)重，因此在使用中必須兼顧提高交流輸出功率和減小非線性失真這兩方面的指標(biāo)。⑷

改善熱穩(wěn)定性

原因：集電結(jié)上損耗功率大，會(huì)引起功放管結(jié)溫上升，可能會(huì)導(dǎo)致管子燒毀。因此大功率管都要安裝散熱器，以便獲得大的輸出功率。如何提高效率？甲類工作狀態(tài)管子導(dǎo)通時(shí)間為一個(gè)周期。在單管放大電路中，為了得到不失真的輸出波形，將靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在合適位置。靜態(tài)時(shí)功耗大。iCiCtuCEQ00(a)甲類iC大于0乙類工作狀態(tài)導(dǎo)通時(shí)間為半個(gè)周期。其工作點(diǎn)設(shè)置在截止區(qū)。出現(xiàn)了嚴(yán)重的波形失真。iCiCtuCEQ00(c)乙類iC

=0的時(shí)間為半個(gè)周期甲乙類工作狀態(tài)導(dǎo)通時(shí)間大于半個(gè)周期，小于一個(gè)周期。其工作點(diǎn)設(shè)置靠近截止區(qū)。甲乙類放大，減小了靜態(tài)功耗，但也出現(xiàn)了嚴(yán)重的波形失真。iCiCtuCEQ00(b)甲類iC

=0的時(shí)間小于半個(gè)周期功率放大器：希望輸出功率大，電源功率消耗少，效率高。甲乙類和乙類放大：減小了靜態(tài)功耗，但都出現(xiàn)了嚴(yán)重的波形失真。為了利用其效率高的優(yōu)點(diǎn)，克服其削波失真的缺點(diǎn)，通常采用乙類互補(bǔ)對(duì)稱放大電路。1.雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路

雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路又稱無輸出電容電路，簡(jiǎn)稱OCL(OutputCapacitorLess)電路。4.2互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路⑴

電路組成ui0tuo0tiC1+VCC-VCCuiuoT1ioT2RL++__iC2靜態(tài):ui=0;u0=0動(dòng)態(tài)交越失真由于T1、T2管輸入特性存在死區(qū)，所以輸出波形在信號(hào)過零附近產(chǎn)生失真——交越失真。原因：假設(shè)T1、T2的死區(qū)電壓都是0.6V，那么在輸入信號(hào)電壓|Ui|≤0.6V期間，T1和T2截止，輸出電壓為零，得到如圖所示失真了的波形，圖6-3交越失真波形uiuott00消除交越失真的辦法uo+VCCT1R3D1R1T2RL-VCC+ui+__D2圖6-4消除交越失真的電路讓T1和T2在靜態(tài)時(shí)就微導(dǎo)通。為此在T1和T2的基極之間接入一個(gè)直流電壓。無論信號(hào)為正或?yàn)樨?fù)，都至少有一個(gè)管子導(dǎo)通，交越失真也就不存在了。⑵

分析計(jì)算在對(duì)互補(bǔ)對(duì)稱電路進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)。由于管子在大信號(hào)下工作，所以必須利用圖解分析進(jìn)行分析。①輸出功率為了便于觀察互補(bǔ)電路中的每個(gè)管子的電流電壓波形，把T2管特性曲線倒置于T1管特性曲線的右下方，并令二者在UCEQ=VCC處對(duì)準(zhǔn)，如圖所示。負(fù)載線通過Q點(diǎn)(UCE=VCC，iC=0)，且斜率為的直線。tiC1Q00iC1uCE10iC2uCE2uCES2VCC2VCCiC2Quce1uce2VCCVCCUcemT2導(dǎo)通T1導(dǎo)通T1截止T2截止ππ2ππ2π0-1/RL-1/RLPT1T2N輸出功率Po可以根據(jù)功率表達(dá)式P=U2/R（U是交流有效值）求得，即①輸出功率理想條件下的最大輸出功率若輸入的正弦信號(hào)的幅度足夠大，并忽略管子的飽和壓降UCES。RL上最大的輸出電壓幅度Ucem=VCC。在此理想條件下，最大輸出功率為①輸出功率②效率

輸出功率占電源供給功率的比率稱為效率，用η表示，η=PO/PV。由于每個(gè)電源只提供半個(gè)周期的電流，所以總電源功率PV為在理想情況下，Ucem=VCC，則最大效率為②效率③功率管的選擇消耗在晶體管的功率PT=PV－PO，由于PO與PV均與信號(hào)的幅值有關(guān)，故PT也隨之變化。為了求出何時(shí)管耗最大，令上式對(duì)K的導(dǎo)數(shù)為0時(shí)，PT將為最大值將其代入PT式中得每個(gè)管子的管耗約為0.2POmax，而當(dāng)輸出功率最大(K=1)時(shí)，總管耗約為PＴ＝0.27POmax：

說明：最大管耗并不是最大功率出現(xiàn)時(shí)刻．

功率管的要求若想得到預(yù)期的最大輸出功率，則功率管的有關(guān)參數(shù)應(yīng)滿足下列條件：⑴每只功率管的最大管耗PCM≥0.2POmax；⑵功率管c-e極間的最大壓降為2VCC，所以應(yīng)選|U(BR)CEO|>2VCC；⑶功率管的最大集電極電流為VCC/RL，因此晶體管的ICM不宜低于此值。2.復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱電路⑴復(fù)合管(DarlingtonConnection)

存在的問題：大功率輸出極的工作電流大，而一般大功率管的電流放大系數(shù)都較小。通常采用所謂“復(fù)合管”的辦法來解決。設(shè)有兩只晶體管，把前一只管的集電極或發(fā)射極接到下一只管的基極，這種連接所形成的晶體管組合稱為復(fù)合管cebT1T2iBiC≈β1β2iBiEiBiEbiCce(a)NPN型2.復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱電路ecbT1T2iBiE≈β1β2iBiCiBiCbiEec(b)PNP型2.復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱電路cebT1T2iBiC≈β1β2iBiEiBiEbiCce(c)PNP型2.復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱電路cebT1T2iBiC≈β1β2iBiEiBiEbiCce(d)NPN型2.復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱電路復(fù)合管構(gòu)成規(guī)則iB向管內(nèi)流的復(fù)合管等效為NPN管；

iB向管外流的復(fù)合管等效為PNP管；

iB的流向由T1管的基極電流決定，即由T1管的類型決定。必須保證每只管各電極的電流都能順著各個(gè)管的正常工作方向流動(dòng)；否則將是錯(cuò)誤的。2.復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱電路⑵準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱電路(QuasiComplementaryEmitterFollower)互補(bǔ)對(duì)稱電路中，兩個(gè)輸出管是互補(bǔ)工作的，因而要求兩管為不同類型，一個(gè)為NPN型，而另一個(gè)則為PNP型。為了滿足電路對(duì)稱就要求兩管特性一致。這對(duì)NPN和PNP兩種大功率管來說，一般是難以實(shí)現(xiàn)的，尤其是當(dāng)一個(gè)是硅管另一個(gè)是鍺管時(shí)，若要兩管特性一致，最好使T3和T4是同一種型號(hào)的管子。+VCC-VCCRb1RD1T1T2Rb2D2Re1Rc2RLT3T4Re4Re3NPNPNPuoui++--圖6-8準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱電路3.單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路⑴

電路組成

雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路，需要兩個(gè)獨(dú)立電源，這給使用上帶來不方便。所以實(shí)用上常采用單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路，如圖6-9所示。它去掉了負(fù)電源，接入一個(gè)電容C，稱為無輸出變壓器電路，簡(jiǎn)稱OTL(OutputTransformerLess)電路。V1、V2是為了克服交越失真而接入的正向偏置電源，在實(shí)際電路中可用兩個(gè)二極管來代替。VCC12+tui+VCCV1V2T1NPNPNPiC1iC2iouo+-T2EICRL+-iC1t0-iC2t0uI0uot0圖6-9單電源互補(bǔ)對(duì)稱原理電路靜態(tài)時(shí)使UE=VCC/2，I點(diǎn)電位UI以VCC/2為基準(zhǔn)上下變化，T1、T2輪流導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)雙向跟隨。電容上具有的恒定電壓VCC/2，則可看作信號(hào)負(fù)半周時(shí)T2管的直流電源。電容充放電回路時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于信號(hào)周期，電容兩端電壓基本不變。動(dòng)態(tài)時(shí)⑵

分析計(jì)算

由上面的分析可以看出，單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路實(shí)質(zhì)上等效于具有±VCC/2雙電源的互補(bǔ)對(duì)稱電路。分析計(jì)算時(shí)只要把VCC/2替換前面式中的VCC就可以得出單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路的輸出功率、直流電源供給的功率和效率等。①輸出功率理想條件下最大電壓幅值Ucem=VCC/2，所以②效率直流電源供給的功率為PV理想條件下，最大效率為

可見在理想條件下，OCL和OTL電路的最大效率相同。4.3集成功率放大器簡(jiǎn)介以LM384為例VCCT1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T12R1R3R4R5R2R6R7D1D2Couiuoui25K25K1K150K150K25K0.50.5T1~T4復(fù)合差動(dòng)輸入T5、