模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 第七章 功率放大電路-修改

第七章功率放大電路PowerAmplifiers本章內(nèi)容1.功率放大電路的特點(diǎn)和分類2.乙類互補(bǔ)推挽功率放大電路3.交越失真本章要求1. 掌握功率放大器的分類及主要參數(shù)；2. 了解功率放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)與輸出功率、效率、非線性失真之間的關(guān)系；3. 掌握乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的工作原理、主要參數(shù)計(jì)算、安全工作條件分析；4. 了解克服交越失真的偏置電路；功率放大電路的特點(diǎn)和分類DefinitionsandAmplifierTypes1.1功率放大電路概述1.2對(duì)功率放大電路的要求1.3功率放大電路的主要指標(biāo)參數(shù)1.4功率放大器提高效率的主要途徑1.1功率放大電路概述◆什么是功率放大器？ 在電子系統(tǒng)中，模擬信號(hào)被放大后，往往要去推動(dòng)一個(gè)實(shí)際的負(fù)載。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動(dòng)作、儀表指針偏轉(zhuǎn)等。推動(dòng)一個(gè)實(shí)際負(fù)載需要的功率很大。能輸出較大功率的放大器稱為功率放大器。

功率放大器實(shí)質(zhì)上是一種高效的能量變換和控制電路。1.1功率放大電路概述執(zhí)行機(jī)構(gòu)功率放大電壓放大信號(hào)提取例1擴(kuò)音系統(tǒng)1.1功率放大電路概述功率放大電路與電壓放大電路的異同：相同點(diǎn)：均在輸入信號(hào)作用下，將直流電源的直流功率轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)功率。不同點(diǎn)：性能要求和運(yùn)用特性不同。(1)功放電路中電流、電壓要求都比較大，必須注意電路參數(shù)不能超過晶體管的極限值:ICM

、UCEM

、

PCM

。ICMPCMUCEMIcuce1.1功率放大電路概述(2)電流、電壓信號(hào)比較大，必須注意防止波形失真。(3)電源提供的能量盡可能地轉(zhuǎn)換給負(fù)載，以減少晶體管及線路上的損失。即注意提高電路的效率（）。Pomax

:負(fù)載上得到的交流信號(hào)功率。PD：電源提供的直流功率。1.1功率放大電路概述(4)要考慮半導(dǎo)體三極管的散熱問題。(5)在分析方法上，由于晶體管處于大信號(hào)下工作，故通常采用圖解法。1.2對(duì)功率放大電路的要求1.安全:輸出功率大，管子大信號(hào)極限條件下運(yùn)用。

2.高效率:最大限度輸出有用功率，減小功耗。輸出功率越大，相應(yīng)的動(dòng)態(tài)電壓電流越大，器件非線性特性引起的非線性失真也越大。除采用反饋技術(shù)外，還必須限制輸出功率。3.失真小:1.3功率放大電路的主要指標(biāo)參數(shù)最大輸出功率電源輸出功率管耗效率1.4功率放大器提高效率的主要途徑減小管耗PC是提高效率的主要途徑。假設(shè)集電極瞬時(shí)電流和電壓分別為ic(t)

和uce(t)，則

PC為途徑1：減小管子在信號(hào)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間，即增大ic(t)＝0

或uce(t)＝0

的時(shí)間。晶體管工作方式由甲類(A-class)→甲乙類(AB-class)→乙類(B-class)→丙類(C-class)轉(zhuǎn)化。1.4功率放大器提高效率的主要途徑甲類：功率管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通

(如小信號(hào)放大)。

乙類：功率管僅在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通(如射隨器“互補(bǔ)”工作)

。

甲乙類：管子在大于半個(gè)周期小于一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通(交越失真)。丙類：功率管小于半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通。甲類乙類甲乙類丙類1.4功率放大器提高效率的主要途徑途徑2：使管子運(yùn)用在開關(guān)狀態(tài)(丁類(D-class))；它利用晶體管的高速開關(guān)特性和低的飽和壓降的特點(diǎn)，其效率很高，理論上可達(dá)100%，實(shí)際可達(dá)90%。為提高集電極效率，管子的運(yùn)用狀態(tài)從甲類向乙類、丙類或開關(guān)工作的丁類轉(zhuǎn)變。但隨著效率的提高，集電極電流波形失真嚴(yán)重，為實(shí)現(xiàn)不失真放大，在電路中需采取特定措施。2.乙類互補(bǔ)推挽功率放大電路2.1OCL電路2.2OTL電路ClassBComplementarySymmetryPush-PullAmplifier乙類互補(bǔ)推挽功率放大電路

乙類工作時(shí)，為了在負(fù)載上合成完整的正弦波，一般采用兩管輪流導(dǎo)通的推挽(Push-Pull)

電路。(1)實(shí)現(xiàn)方案一——變壓器耦合乙類推挽功放乙類互補(bǔ)推挽功率放大電路(2)實(shí)現(xiàn)方案二——乙類互補(bǔ)對(duì)稱式功放2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路（1）電路特點(diǎn)（2）工作原理(忽略射結(jié)壓降)vi(t)＞0

時(shí)，T1

管(NPN型)

導(dǎo)通，T2管(PNP型)

截止，ic1(≈ie1)

為正半周的半個(gè)正弦波；vi(t)＜0

時(shí)，T2

管導(dǎo)通，T1

管截止，ic2(≈ie2)為處于負(fù)半周的半個(gè)正弦波。通過RL

的電流，合成完整的正弦波。

2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路（3）互補(bǔ)對(duì)稱式功率放大器的性能分析①靜態(tài)分析工作在乙類工作狀態(tài)2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路vi(t)負(fù)半周，T2導(dǎo)通，負(fù)載線是自Q2

點(diǎn)出發(fā)的直線，斜率為雖然集電極電流是半個(gè)正弦波，但集射極交流電壓是完整正弦波。

vi(t)

正半周，T1導(dǎo)通，負(fù)載線是自Q1

點(diǎn)出發(fā)的直線，斜率為②動(dòng)態(tài)分析2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路③性能分析(忽略失真)①一般性能分析在0≤ωt≤

時(shí)，≤ωt≤2

時(shí)，ic1=0ic2=Icmsinωt

通過

RL的電流：電流2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路相應(yīng)的集射極間電壓：電壓UCE1=VCC–Ucemsin(ωt)UCE2=-VCC+Ucemsin(ωt)RL端的電壓：uL=RLIcmsin(ωt)=Ucemsin(ωt)2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路功率在RL

上輸出的功率：PL=Po

=UcemIcm/2=I2cmRL/2正、負(fù)電源輸出的總直流功率:2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路令UCES=0，ICEO=0，則Ucem=VCC，Icm=VCC/RL②若充分激勵(lì)（理想情況）相應(yīng)輸出功率Po和電源輸出功率PD

達(dá)到最大，即比甲類高

效率2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路③若激勵(lì)不足（實(shí)際情況）Ucem減小，引入電源電壓利用系數(shù)，表示Ucem的減小程度。

效率定義：ξ=

Ucem/VCC2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路兩管集電極管耗:分析：當(dāng)輸入激勵(lì)由大減小，即減小時(shí)，Po、PD、η均單調(diào)減小，而PC1

和PC2

的變化非單調(diào)。 其值為:時(shí)最大，2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路由增大VCC，減小

RL，且輸入充分激勵(lì)，輸出功率將增大，但最后受到下列安全工作條件的限制：（4）管安全2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路2.2OTL（OutputTransformer-less）電路①

單電源供電；

③

負(fù)載串接大容量隔直電容CL。VCC與兩管串接，若兩管特性配對(duì)。②輸入信號(hào)直流偏置VI

=VCC/2

（1）電路特點(diǎn)2.2OTL（OutputTransformer-less）電路（2）工作原理該電路一般要求C的容量較大，因而電路的低頻特性差。

輸入電壓的正半周：＋VCC→T1→C→RL→地

C充電。輸入電壓的負(fù)半周：

C

的“＋”→T2→地→RL→C“－”C放電。單電源供電電路等效為VCC/2和VCC/2的雙電源供電電路。

總結(jié)：互補(bǔ)對(duì)稱功放的類型總結(jié)：互補(bǔ)對(duì)稱功放的類型雙電源電路OCL電路單電源電路OTL電路3.實(shí)際問題3.1準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路3.2交越失真AmplifierDistortion3.2功放的保護(hù)電路與激勵(lì)電路互補(bǔ)對(duì)稱推挽電路要求兩只功率管特性配對(duì)，難以實(shí)現(xiàn)。

2.解決辦法采用復(fù)合管取代互補(bǔ)管，構(gòu)成準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路。

3.1準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路1.問題的提出3.1.1復(fù)合管結(jié)構(gòu)兩個(gè)晶體管構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)，可增強(qiáng)晶體管的驅(qū)動(dòng)能力和輸入電阻晶體管的類型由復(fù)合管中的第一支管子決定。3.3.1復(fù)合管結(jié)構(gòu)

其中，T1、T3

為小功率管，它們之間是互補(bǔ)的，T2、T4

為大功率管，它們是同型，便于特性配對(duì)，故稱為準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路。R1，R2(幾百)——減小復(fù)合管的反向飽和電流。

3.3.2準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路復(fù)合管T1、T2

等效為NPN型管，

復(fù)合管T3(PNP型)

與T4

等效為PNP型管

3.2功放的保護(hù)電路與激勵(lì)電路

實(shí)際中，往往會(huì)發(fā)生異常情況。例如，負(fù)載短路，致使通過功率管的電流迅速增大，一旦超過極限參數(shù)，造成管子損壞。因此大功率功放，應(yīng)設(shè)有:過流，過壓、過熱保護(hù)電路。4.6.1.過流保護(hù)電路

(1)保護(hù)電路T1、T2

為保護(hù)管，R1、R2

為過流取樣電阻。

(2)保護(hù)原理

以保護(hù)管T1為例

正常時(shí)，VR1＜VBE1(on)，T1

截止，不起保護(hù)作用。異常時(shí)，VR1＞VBE1(on)，T1導(dǎo)通，分流T3

管的輸入激勵(lì)電流，限制T3管的輸出電流，起到了限流保護(hù)作用。T2

對(duì)T4

的限流保護(hù)作用同上。

若要求功率管充分利用，輸出最大信號(hào)功率，則RL

上的信號(hào)電壓振幅達(dá)到接近電源電壓(單電源時(shí)，接近VCC/2)。為此，要求輸入激勵(lì)級(jí)為互補(bǔ)功率管提供振幅接近電源電壓的推動(dòng)電壓。原因： 互補(bǔ)推挽功率放大器中的功率管接成射極跟隨器，電壓增益小于1。3.2輸入激勵(lì)電路電路

T3—輸入激勵(lì)級(jí)

R—T3的負(fù)載影響輸出信號(hào)電壓振幅的因素

交流負(fù)載r≈R∥ri＜R，則交流負(fù)載線Ⅱ所示，T3

管的最大輸出信號(hào)電壓振幅受到截止失真的限制，其值小于VCC/2。

若使r＞R，則交流負(fù)載線Ⅲ所示，輸出信號(hào)電壓振幅不受截止失真限制，可接近VCC/2。

改進(jìn)電路(1)電流源構(gòu)成有源負(fù)載放大器，直流電阻小，交流電阻大。(2)采用自舉電路

將R1R2

取代R

，接入大容量電容C2。作用：對(duì)交流近似短路，交流電位由O

經(jīng)

C2

自舉到C

點(diǎn)，即vC

vO。原理：由于互補(bǔ)輸出級(jí)的電壓增益接近于1，因而vB

vO

vC，通過R2的交流電流i0，因而從B點(diǎn)向虛線框看進(jìn)去的交流電阻(vB/i)很大，趨于無窮，T3

的交流負(fù)載電阻便近似等于T1(或T2)

電路的輸入電阻。3.3.1交越失真現(xiàn)象在零偏置情況下，考慮到導(dǎo)通電壓的影響，輸出電壓波形在銜接處出現(xiàn)嚴(yán)重失真，稱交越失真。交越失真uitOuotO3.3.2克服交越失真的基本途徑在輸入端為兩管加合適的正偏電壓，使其工作在甲乙類。

由傳輸特性圖可見：只要VBB

取值合適，上下兩路傳輸特性起始段的彎曲部分就可相互補(bǔ)償，合成傳輸特性趨近于直線，在輸入正弦電壓激勵(lì)下，得到不失真的輸出電壓。①二極管偏置電路

②VBE倍增電路由于二極管的正向交流結(jié)電阻很小，可認(rèn)為交流短路，因此偏置電路不影響輸入信號(hào)vi(t)

的傳輸。

3.2克服交越失真的基本途徑(1)電路

直流：由T3、R1、R2

組成，且由電流源

IR

激勵(lì)，為互補(bǔ)功率管T1、T2

提供偏置電壓VBB。交流：T3、R1

構(gòu)成電壓負(fù)反饋電路，反饋電路的電阻很小，幾乎不影響輸入信號(hào)的傳輸。2.VBE倍增電路則：VBE3=VTln(IE3/IS)VTln(IR/IS)若T3

管的足夠大，基極電流IB3

可忽略，則VBE3又是VBB通過R1在R2上的分壓值，即偏置電路提供的偏置電壓VBB是VBE3的倍增值，且其值受R1和R2

控制，故稱為VBE倍增電路。(2)倍增原理I1<<IC3，且T1

和T2管的靜態(tài)基極電流又可忽略

在圖示電路中，已