模擬電子電路第九章功率電路及系統(tǒng)1

第9章功率電路及系統(tǒng)1模擬電子技術(shù)9—1功率放大器9—1—1功率放大器的特點(diǎn)及工作狀態(tài)分類(lèi)一、特點(diǎn)(1)給負(fù)載提供不失真的、足夠大的功率。(3)分析方法以圖解法為主。(2)大信號(hào)工作。以提供給負(fù)載足夠大的功率為主要目標(biāo)的放大器。2模擬電子技術(shù)(4)非線(xiàn)性失真與其他交流指標(biāo)間的矛盾突出。(5)提高效率成為重要的關(guān)注點(diǎn)。在效率高、非線(xiàn)性失真小、安全工作的前提下，向負(fù)載提供足夠大的功率。對(duì)功率放大器的要求：(6)功率器件的安全問(wèn)題必須考慮。3模擬電子技術(shù)甲類(lèi)甲類(lèi)：功率管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通(非線(xiàn)性失真小,但效率低)。

Q′乙類(lèi)乙類(lèi)：功率管僅在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通(非線(xiàn)性失真較大,但效率較高)。

丙類(lèi)Q〞丙類(lèi)：功率管小于半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通(非線(xiàn)性失真大,但效率高)。

Q〞甲乙類(lèi)甲乙類(lèi)：管子在大于半個(gè)周期小于一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通。

(非線(xiàn)性失真和效率介于甲類(lèi)和乙類(lèi)之間.)

根據(jù)功率管在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間的不同，功率管運(yùn)用狀態(tài)可分為甲類(lèi)、乙類(lèi)、甲乙類(lèi)、丙類(lèi)等多種。二、工作狀態(tài)分類(lèi)4模擬電子技術(shù)圖9—1放大器的工作狀態(tài)分類(lèi)(a)甲類(lèi)(導(dǎo)通角為180°)非線(xiàn)性失真小，但能量轉(zhuǎn)換效率太低。理想情況下：5模擬電子技術(shù)(b)乙類(lèi)(導(dǎo)通角為90°)圖9—1放大器的工作狀態(tài)分類(lèi)非線(xiàn)性失真大，但能量轉(zhuǎn)換效率很高?？赏ㄟ^(guò)改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)，減小非線(xiàn)性失真。理想情況下：6模擬電子技術(shù)(c)丙類(lèi)(導(dǎo)通角＜90°)圖9—1放大器的工作狀態(tài)分類(lèi)主要用于高頻功放中。進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)換效率。7模擬電子技術(shù)電路圖9—2甲類(lèi)功放電路及交、直流負(fù)載線(xiàn)9—1—2甲類(lèi)(A類(lèi))功率放大器一、電路變壓器耦合，在ICQ一定時(shí)，通過(guò)調(diào)整變壓比，使負(fù)載獲得最大功率。8模擬電子技術(shù)圖9—2甲類(lèi)功放電路及交、直流負(fù)載線(xiàn)mm9模擬電子技術(shù)二、功率與效率的計(jì)算1.電源供出功率PE2.負(fù)載得到的交流功率PL設(shè)變壓器效率ηT=1,則，即PE固定不變，與交流信號(hào)的大小或有無(wú)均無(wú)關(guān)。mm10模擬電子技術(shù)最佳負(fù)載情況下：此時(shí)最大輸出功率PLm為mm11模擬電子技術(shù)3.管子功耗PC

4.轉(zhuǎn)換能量的效率η12模擬電子技術(shù)當(dāng)Ucm(max)=UCC,Icm(max)=ICQ時(shí)，效率達(dá)到最高：4.轉(zhuǎn)換能量的效率ηmm13模擬電子技術(shù)如何解決效率低的問(wèn)題？辦法：降低Q點(diǎn)。既降低Q點(diǎn)又不會(huì)引起截止失真的辦法：采用推挽輸出電路，或稱(chēng)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)射極輸出器。缺點(diǎn)：但又會(huì)引起截止失真。mm14模擬電子技術(shù)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功放的類(lèi)型無(wú)輸出變壓器形式（OTL電路）無(wú)輸出電容形式（OCL電路）OTL:OutputTransformerLessOCL:OutputCapacitorLess互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)：電路中采用兩支晶體管，NPN、PNP各一支；兩管特性一致。類(lèi)型：互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路15模擬電子技術(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1.由NPN型、PNP型三極管構(gòu)成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的射極輸出器對(duì)接而成。2.雙電源供電。3.輸入輸出端不加隔直電容。無(wú)輸出電容的（OCL）互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功放電路16模擬電子技術(shù)

9—1—3互補(bǔ)跟隨乙類(lèi)(B類(lèi))功率放大器一、雙電源互補(bǔ)跟隨乙類(lèi)功率放大器(OCL電路)1.電路OTL、OCL、BTL、變壓器耦合式等。OTL：Outputtransformerless。OCL：Outputcapacitorless。BTL：Balancedtransformerless。（橋式推挽電路）17模擬電子技術(shù)圖9—3互補(bǔ)跟隨乙類(lèi)功率放大器(OCL電路)乙類(lèi)互補(bǔ)功率放大電路波形的交越失真.avi18模擬電子技術(shù)圖9-3-1OCL電路中晶體管輸入回路工作示意圖19模擬電子技術(shù)2.功率與效率的計(jì)算圖9—4互補(bǔ)跟隨乙類(lèi)功放負(fù)載線(xiàn)及工作點(diǎn)(a)單管負(fù)載線(xiàn)；(b)雙管負(fù)載線(xiàn)20模擬電子技術(shù)0iC2uCE2Q-UEEUEERLuCE1iC10Ucem(max)QUCCUCCRL圖9—4—1互補(bǔ)跟隨乙類(lèi)功放單管負(fù)載線(xiàn)及工作點(diǎn)21模擬電子技術(shù)圖9—4互補(bǔ)跟隨乙類(lèi)功放負(fù)載線(xiàn)及工作點(diǎn)(a)單管負(fù)載線(xiàn)；(b)雙管負(fù)載線(xiàn)乙類(lèi)互補(bǔ)功率放大電路波形的合成.avi22模擬電子技術(shù)1)輸出交流功率PL令稱(chēng)之為電壓利用系數(shù)，那么V1、V2為半周工作，但負(fù)載電流卻是完整的正弦波。23模擬電子技術(shù)信號(hào)增大，Uom增大，電壓利用率也增大。若忽略集電極飽和電壓，則最大ξ=1，故最大輸出功率PLm為24模擬電子技術(shù)當(dāng)信號(hào)為零時(shí)，工作點(diǎn)接近于截止點(diǎn)，ICQ=0，電源不提供功率；而隨著信號(hào)的增大，iC增大，電源提供的功率也將隨之增大。這點(diǎn)與A類(lèi)功放有本質(zhì)的差別。PE=UCC·(iC1的直流分量)+|UEE|·(iC2的直流分量)2)電源提供的功率25模擬電子技術(shù)當(dāng)信號(hào)最大時(shí)，Uom(max)≈UCC，所以電源輸出的最大功率為26模擬電子技術(shù)3)每管轉(zhuǎn)換能量的效率η當(dāng)信號(hào)最大，ξ=1時(shí)，效率達(dá)到最高：B類(lèi)的效率遠(yuǎn)比A類(lèi)的高。信號(hào)越大，效率越高。27模擬電子技術(shù)4)每個(gè)管子損耗PC可見(jiàn)，每個(gè)管子的損耗PC是輸出信號(hào)振幅的函數(shù)。將PC對(duì)Uom求導(dǎo)，可得出最大管耗PCm。令28模擬電子技術(shù)得出，當(dāng)時(shí)，每管的損耗最大：29模擬電子技術(shù)3.選擇功率管(1)已知PLm及RL，選UCC，則(2)已知PLm，選擇管子允許的最大功耗PCM。管子允許的最大功耗例如要求輸出功率為10w時(shí)則只要選用兩個(gè)額定管耗大于2w的管子就可以了。30模擬電子技術(shù)(3)管子的擊穿電壓U(BR)CEO。(4)管子允許的最大電流ICM。31模擬電子技術(shù)二個(gè)三極管的總功耗0.4P0M，每個(gè)三極管的最大功耗為PTM=0.2P0M4.OCL乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路的特點(diǎn)OCL電路省去了大電容，即改善了低頻響應(yīng)，又便于集成化；注意：二個(gè)三極管的發(fā)射極直接連接到負(fù)載上，如果Q點(diǎn)失調(diào)，電路將過(guò)載，損壞電路，常常在負(fù)載回路接入熔斷器作為保護(hù)。32模擬電子技術(shù)二.單電源供電的互補(bǔ)推挽電路(OTL)

1.電路特點(diǎn)

(1)

單電源供電；

(2)

負(fù)載串接大容量隔直電容C,VCC

與兩管串接，若兩管特性配對(duì)，則VA=VCC/2，C實(shí)際上等效為電壓等于VCC/2的直流電源。VT1管的直流供電電壓：VCC

VA＝VCC/2VT2的供電電壓：VA

0＝VCC/2

單電源供電電路等效為VCC/2和VCC/2

的雙電源供電電路。

33模擬電子技術(shù)適當(dāng)選擇R1、R2的數(shù)值，使VB1和VB2恰好給VT1、VT2提供最佳靜態(tài)偏置，使它們的中點(diǎn)電位VA=VCC/2。因而電容C兩端電壓等于VA，即VCC/2。這樣，VT1和VT2管的電源電壓均為VCC/2。（2）工作原理①靜態(tài)時(shí)34模擬電子技術(shù)

②動(dòng)態(tài)時(shí)

ui>0，VT1導(dǎo)通而VT2截止，io=ic1

，路徑為：

ui<0，VT2導(dǎo)通而VT1截止，，電容C釋放儲(chǔ)能供給，路徑為：

io在RL上形成正半周輸出電壓uo

，同時(shí)給電容C充電，補(bǔ)充儲(chǔ)能。

io在RL上形成負(fù)半周輸出電壓uO。35模擬電子技術(shù)電容C的作用：1)充當(dāng)VCC/2電源2)耦合交流信號(hào)只需將雙電源計(jì)算公式中的VCC換成1/2VCC即可。如：（3）最大輸出功率36模擬電子技術(shù)實(shí)用OTL互補(bǔ)輸出功放電路調(diào)節(jié)R,使靜態(tài)UAQ=0.5USCD1、D2使b1和b2之間的電位差等于2個(gè)二極管正向壓降，克服交越失真。Re1、Re2：電阻值1~2，射極負(fù)反饋電阻，也起限流保護(hù)作用。D1D2ui+USCRLT1T2T3CRBRe1Re2b1b2A37模擬電子技術(shù)3.電路中增加復(fù)合管增加復(fù)合管的目的是：擴(kuò)大電流的驅(qū)動(dòng)能力。復(fù)合管的構(gòu)成方式：cbeT1T2ibicbecibic方式一：38模擬電子技術(shù)becibic1

2晶體管的類(lèi)型由復(fù)合管中的第一支管子決定。方式二：cbeT1T2ibic復(fù)合管構(gòu)成方式很多。不論哪種等效方式，等效后晶體管的性能確定均如下：39模擬電子技術(shù)T1T2T3T4放大器ViRL+EC++－Vo+－

準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)式OTL電路

#OTL電路的指標(biāo)計(jì)算和乙類(lèi)推挽功放完全一樣，只須將變壓器耦合中的EC換成1/2EC。40模擬電子技術(shù)圖9—7準(zhǔn)互補(bǔ)乙類(lèi)功率放大器電路41模擬電子技術(shù)（1）靜態(tài)偏置（2）動(dòng)態(tài)工作情況

調(diào)整R1、R2阻值的大小，可使此時(shí)電容上電壓此電路存在的問(wèn)題：輸出電壓正方向變化的幅度受到限制，達(dá)不到VCC/2。實(shí)際電路——克服交越失真42模擬電子技術(shù)+---+++43模擬電子技術(shù)ViRL+ECT2T1++－T3++R1R2R3ReD1D2Vo+－+CRDK靜態(tài)時(shí)，電容兩端的電壓VC=EC－VR－VK=1/2EC－VR當(dāng)時(shí)間常數(shù)RC足夠大時(shí)，電容上的電壓不隨vi而變，為定值。當(dāng)vi為負(fù)時(shí)，T1導(dǎo)通，K點(diǎn)電位升高。VD=VC+VK=EC－VR+Vo當(dāng)Vo增加到Vo＞VR時(shí)，D點(diǎn)電位高于EC，使T1充分導(dǎo)通。VD=VC+VK=1/2EC－VR+1/2EC+Vo=EC－VR+Vo44模擬電子技術(shù)圖9.3.19.3實(shí)際的功率放大電路9.3.1OTL音頻功率放大電路中間級(jí)前置放大級(jí)功率放大級(jí)電壓串聯(lián)負(fù)反饋電容：相位補(bǔ)償45模擬電子技術(shù)1.閉環(huán)電壓放大倍數(shù)2.最大輸出功率實(shí)際上功率管不能工作在接近飽和區(qū)，本電路的實(shí)際輸出功率小于或等于0.5W。46模擬電子技術(shù)9.3.2OCL高保真功率放大電路圖9.3.2高保真OTL功率放大電路帶恒流源的差動(dòng)放大輸入級(jí)共射放大電路中間級(jí)OCL準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路電壓串聯(lián)交流負(fù)反饋相位補(bǔ)償47模擬電子技術(shù)1.閉環(huán)電壓放大倍數(shù)2.最大輸出功率為了避免產(chǎn)生明顯的失真，電路的實(shí)際輸出功率應(yīng)適當(dāng)減小，本電路的額定輸出功率為20W。48模擬電子技術(shù)9.4集成功率放大器OTL、OCL電路均有各種不同電壓增益的多種型號(hào)的集成電路。只需外接少量元件，就可成為實(shí)用電路。集成功率放大器廣泛用于音響、電視和小電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方面。集成功放是在集成運(yùn)算放大器的電壓互補(bǔ)輸出級(jí)后，加入互補(bǔ)功率輸出級(jí)而構(gòu)成的。大多數(shù)集成功率放大器實(shí)際上也就是一個(gè)具有直接耦合特點(diǎn)的運(yùn)算放大器。它的使用方法原則上與集成運(yùn)算放大器相同。集成功放的優(yōu)點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性好，電源利用率高，功耗較低，非線(xiàn)性失真較小，內(nèi)部有各種保護(hù)電路。49模擬電子技術(shù)圖9.4.1集成功放5G31的電路原理圖一、集成功放5G31電路(差分輸入式音頻功放)單入雙出差分放大電路單管放大電路單管共射放大電路功率放大級(jí)電壓串聯(lián)負(fù)反饋50模擬電子技術(shù)該電路內(nèi)部的組成： 三個(gè)電壓放大級(jí)和一個(gè)功率放大輸出級(jí) .輸入級(jí)：VT1、VT2組成單端輸入、雙端輸出的 長(zhǎng)尾失差動(dòng)放大電路 .第二級(jí)：VT4組成的單管放大電路 .第三級(jí)：VT5組成的單管共射放大電路 .功率輸出級(jí)：OTL甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)放大電路 VT6-VT13組成，VT9和VT10組成NPN型復(fù)合 管；VT11、VT12和VT13組成PNP型復(fù)合管； VT6、VT7、VT8接成二極管，使電路工作在甲 乙類(lèi)狀態(tài)51模擬電子技術(shù)二、引腳和典型接法5G31共有14個(gè)引腳52模擬電子技術(shù)1.閉環(huán)電壓放大倍數(shù)2.最大輸出功率(若接成OTL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出級(jí))四、參數(shù)的計(jì)算53模擬電子技術(shù)LM386內(nèi)部電路圖9.4.1LM386內(nèi)部電路原理圖第一級(jí)差分放大電路（雙入單出）第二級(jí)共射放大電路（恒流源作有源負(fù)載）第三級(jí)OTL功放電路輸出端應(yīng)外接輸出電容后再接負(fù)載。電阻R7從輸出端連接到T2的發(fā)射極形成反饋通道，并與R5和R6構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，引入深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋。集成OTL電路的應(yīng)用

54模擬電子技術(shù)二、LM386的電壓放大倍數(shù)1.當(dāng)引腳1和8之間開(kāi)路時(shí)Uf=UR5+UR6≈Ui/22.當(dāng)引腳1和8之間外接電阻R時(shí)55模擬電子技術(shù)3.當(dāng)引腳1和8之間對(duì)交流信號(hào)相當(dāng)于短路時(shí)4.在引腳1和5之間外接電阻，也可改變電路的電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)可以調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為20~200。三、LM386引腳圖圖9.4.2LM386的外形和引腳56模擬電子技術(shù)集成功放LM384管腳說(shuō)明:14

--電源端（Vcc）3、4、5、7--接地端（GND）10、11、12--接地端（GND）2、6--輸入端（一般2腳接地）

8--輸出端（經(jīng)500電容接負(fù)載）)12345678910111213141--接旁路電容（5）9、13--空腳（NC）57模擬電子