第10章功率放大電路

功率放大電路第10章10.1功率放大電路的特殊問題及其分類10.2互補(bǔ)對稱功率放大電路10.3集成功率放大器10.4功率管的散熱與二次擊穿家用電器：電視機(jī)、冰箱、微波爐、洗衣機(jī)、空調(diào)為什么要用功率放大電路？辦公設(shè)備：電腦、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)工業(yè)設(shè)備：儀表、電機(jī)無線通訊：手機(jī)、射頻識別國防軍用：雷達(dá)汽車領(lǐng)域：車載電子設(shè)備探測領(lǐng)域：生命探測儀醫(yī)療器械：回顧：圖4-46F007(5G24)集成運(yùn)放的內(nèi)部電路（P155）為什么要用功率放大電路？例：

擴(kuò)音系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)功率放大器的作用：

用作放大電路的輸出級，以驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動作、儀表指針偏轉(zhuǎn)等。概述功率放大電壓放大信號提取10.1功率放大電路的特殊問題及其分類10.1.1

功率放大電路的特殊問題10.1.2功率放大電路的分類1、大信號工作狀態(tài)，電壓、電流要求都比較大，接近功率管的極限運(yùn)用。10.1.1

功率放大電路的特殊問題圖2-17晶體管的安全工作區(qū)必須注意：電路參數(shù)不能超過晶體管的極限值:（1）集電極最大允許電流ICM

（2）反向擊穿電壓U(BR)CEO

（3）集電極最大允許功率損耗

PCM

。

2、安全的提供盡可能大的輸出功率(Po)M表示最大輸出功率，(Uom)M表示最大輸出電壓的幅值，(Iom)M表示最大輸出電流的幅值。3、提供盡可能高的功率轉(zhuǎn)換效率4、允許一定非線性失真5、分析方法采用圖解法6、功率管的散熱和保護(hù)問題7、負(fù)載匹配問題8、安全可靠性1．按放大信號頻率分類：低頻、高頻10.1.2功率放大電路的分類2．按構(gòu)成放大電路的器件分類分立元件功率放大電路和集成功率放大電路

3．按電路形式分類變壓器耦合的功率放大電路無輸出變壓器的功率放大電路后者又有OTL、OCL、BTL三種形式。4．按晶體管導(dǎo)通時間分類甲類（A類）、乙類（B類）、甲乙類（AB類）、丙類（C類）、丁類（D類）甲類(=2)tiCO

Icm2ICQtiCO

Icm2ICQ乙類(=)tiCO

IcmICQ2甲乙類(

<<2)QuCE

iCO

tiCO

QQ乙類工作狀態(tài)失真大，靜態(tài)電流為零，管耗小，效率高。甲乙類工作狀態(tài)失真大，靜態(tài)電流小，管耗小，效率較高。甲類工作狀態(tài)失真小，靜態(tài)電流大，管耗大，效率低。

丙類放大用于高頻發(fā)射電路，晶體管導(dǎo)通角小于180°，效率更高，但失真更大，尤其是在小信號放大時，失真較明顯，且電路的后處理復(fù)雜、需頻譜搬移，除用于輸出大功率的專業(yè)功放，一般都不采用。

甲類、乙類、甲乙類和丙類均屬于傳統(tǒng)模擬放大器，晶體管都工作在放大狀態(tài)。按照輸入信號的大小來控制輸出的大小，放大元件串在電源與輸出之間，控制輸出的同時自身也要消耗電能。各類放大器的不同只是整個信號周期中晶體管的導(dǎo)通角不同，從而引起了性能上的差別。

丙類功率放大電路：

模擬功率放大電路的缺點(diǎn)：

按晶體管導(dǎo)通時間分類的擴(kuò)展與補(bǔ)充：

在理想情況下，功率器件導(dǎo)通時導(dǎo)通電阻為零，沒有電壓降，器件不消耗功率；關(guān)斷時電阻為無窮大，沒有電流流過，器件也不消耗功率。無論是導(dǎo)通還是截止?fàn)顟B(tài)，功率器件本身都不消耗功率，因此，開關(guān)類功率放大器能夠?qū)㈦娫垂β薀o損耗地轉(zhuǎn)換輸出到負(fù)載上，理論放大效率為100％。

丁類功率放大電路：進(jìn)入21世紀(jì)以后，各種便攜式的電子設(shè)備成為了電子設(shè)備的一種重要的發(fā)展趨勢。從作為通信工具的手機(jī)，到作為娛樂設(shè)備的MP3播放器，已經(jīng)成為差不多人人具備的便攜式電子設(shè)備。陸續(xù)將要普及的還有便攜式電視機(jī)，便攜式DVD等等。所有這些便攜式的電子設(shè)備的一個共同點(diǎn)，就是都有音頻輸出，也就是都需要有一個音頻放大器；另一個特點(diǎn)就是它們都是電池供電的，都希望能夠有較長的使用壽命。就是在這種需求的背景下，新型D類放大器被開發(fā)出來了。它的最大特點(diǎn)就是它能夠在保持最低的失真情況下得到最高的效率。此音頻功率放大器將被廣泛應(yīng)用于可攜式產(chǎn)品、家庭AV設(shè)備、專業(yè)影音、汽車音響、平板電視、媒體播放器筆記本電腦和汽車音箱等多個領(lǐng)域。10.2.1互補(bǔ)對稱功率放大電路的引出1.共射放大電路構(gòu)成的甲類放大電路

(a)共射放大電路(b)輸出功率與效率的圖解分析10.2互補(bǔ)對稱功率放大電路（2）三極管的靜態(tài)功耗：（4）動態(tài)功耗（當(dāng)輸入信號Ui時）放大電路向電阻性負(fù)載提供的輸出功率:在輸出特性曲線上，正好是三角形QDE的面積，這一三角形稱為功率三角形。（1）直流電源提供的直流功率矩形ABCO的面積。

矩形AQDO的面積。

（3）集電極電阻Rc的靜態(tài)功耗：矩形QBCD的面積。

最大輸出功率

要想PO大，就要使功率三角形的面積大，即必須使Uom

和Iom

都要大。此電路的最高效率甲類功率放大器存在的缺點(diǎn)：

輸出功率小靜態(tài)功率大，效率低結(jié)論：甲類放大電路不宜作為功率放大電路（1）直流電源提供的直流功率

（2）最大輸出功率

從變壓器原邊向負(fù)載方向看的交流等效電阻為（3）功放的最大效率2.單管變壓器耦合功率放大電路

3．互補(bǔ)對稱功率放大電路的引出(a)電路(b)圖解分析對比與回顧單向半波整流電路:(P18)10.2.2乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路1．變壓器耦合乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路

功率放大電路采用變壓器耦合方式由于變壓器體積龐大，比較笨重，消耗有色金屬，而且在低頻和高頻部分產(chǎn)生移相，使放大電路在引入負(fù)反饋時容易產(chǎn)生自激振蕩，所以現(xiàn)在常用無輸出變壓器的功率放大電路。2.OCL乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路（1）工作原理RLV1V2+VCC+ui+uoVEEui

>0V1導(dǎo)通V2截止iC1io

=iE1=iC1,uO

=iC1RLui

<0V2導(dǎo)通V1截止iC1io

=iE2=iC2,uO

=iC2RLui

=0V1、V2截止對比與回顧全波整流電路:(P19)（2）組合特性O(shè)CL乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路圖解分析①共用同一橫坐標(biāo)軸②縱坐標(biāo)軸正方向相反③靜態(tài)工作點(diǎn)Q在橫坐標(biāo)軸上重合④交流負(fù)載線重合，斜率均為：（3）參數(shù)計算①輸出功率PO及最大輸出功率(PO)M

負(fù)載上的最大不失真電壓為(Uom)M=VCC-UCES忽略晶體管的飽和壓降UCES↓↓②直流電源提供的平均功率PVCC

③效率與最大效率④晶體管的功率損耗結(jié)論：功率放大電路的效率與Uom有關(guān)，即與正弦輸入信號的幅值有關(guān)。⑤晶體管的最大功率損耗（4）功率管的選擇求PV1對Uom的導(dǎo)數(shù)并令其等于0：得到：單管最大功率損耗：集電極允許的最大功率損耗集電極最大允許電流反向擊穿電壓乙類互補(bǔ)功放電路的管耗（1）電路特點(diǎn)：①輸出端接有大容量電容CL,②靜態(tài)時,VT2與VT3完全對稱：③動態(tài)時,CL可當(dāng)作短路。①電源特性VT2的電源電壓為：（2）工作原理：VT3的電源電壓為：②工作原理與OCL電路完全相同，參數(shù)計算時用VCC

/2代替原來的VCC。3.單電源供電的OTL乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路4.BTL乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路BTL乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路5.乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路存在的問題交越失真的形成（1）交越失真（2）對稱管難以匹配的問題10.2.3甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路1.甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路給V1、V2提供靜態(tài)電壓tiC0ICQ1ICQ2克服交越失真思路：電路：（1）靜態(tài)分析：當(dāng)ui

>

0V1

微導(dǎo)通充分導(dǎo)通微導(dǎo)通；V2微導(dǎo)通截止微導(dǎo)通。當(dāng)ui<

0V2

微導(dǎo)通充分導(dǎo)通微導(dǎo)通；

V1微導(dǎo)通截止微導(dǎo)通。

ui

=0，VT1、VT2

微導(dǎo)通。兩管靜態(tài)電流相等，故流入負(fù)載的靜態(tài)輸出電流為零，靜態(tài)輸出電壓也為零。（2）動態(tài)分析：忽略R2與二極管上壓降：利用UBE擴(kuò)大電路進(jìn)行偏置的互補(bǔ)對稱電路10.3

集成功率放大器10.3.2其它集成功放10.3.1LM386集成功放及其應(yīng)用組成：前置級、中間級、輸出級、偏置電路特點(diǎn)：輸出功率大、外圍輔助元件少、效率高有過流、過壓、過熱保護(hù)分類：通用型、專用型10.3.1

LM386集成功放及其應(yīng)用1.典型應(yīng)用參數(shù)：直流電源：412V額定功率：660mW帶寬：300kHz輸入阻抗：50k12348765引腳圖典型的低功耗音頻功率放大器2.

特性：低功耗、電壓增益可調(diào)、電源電壓范圍大、外接元件少、頻率特性好3.

典型應(yīng)用：錄音機(jī)、收音機(jī)等2.內(nèi)部電路1.8開路時，

Au=20(負(fù)反饋最強(qiáng))1.8交流短路

Au=200(負(fù)反饋最弱)電壓串聯(lián)負(fù)反饋V3、V4：V5、V6：V1、V2：射級跟隨器，高Ri雙端輸入單端輸出差分電路恒流源負(fù)載輸出級：V7為驅(qū)動級(I0為恒流源負(fù)載)V11、V12用于消除交越失真V8、V10構(gòu)成PNP準(zhǔn)互補(bǔ)對稱（1）電路組成：輸入級：中間級：（2）電路增益：

LM3861234785RPC1C2C3C4C5C610F36k10F100F220F0.1F810.047F+VCC6輸出電容(OTL)頻率補(bǔ)償，抵消電感高頻的不良影響防止自激等調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)3.實際應(yīng)用電路10.4

功率管的散熱與二次擊穿

10.4.1功率管的散熱1.熱阻(a)晶體管的散熱示意圖(b)晶體管的散熱等效電路2.晶體管的散熱計算

(a)齒輪形(b)指狀形(c)板條形10.4.2功率管的二次擊穿1.二次擊穿現(xiàn)象(a)二次擊穿現(xiàn)象(b)二次擊穿臨界特性曲線2.二次擊穿產(chǎn)生的原因產(chǎn)生二次擊穿的原因主要是管內(nèi)的結(jié)構(gòu)缺陷，例如結(jié)面不均勻，晶格缺陷等。功率管一旦發(fā)生二次擊穿，結(jié)區(qū)的某些薄弱點(diǎn)上的電流密度就會劇增，形成局部過熱點(diǎn)，局部過熱點(diǎn)的溫度升高，反過來又使電流密度增大，如此反復(fù)作用，最終導(dǎo)致過熱點(diǎn)上的晶體熔化，在集電極和發(fā)射極間形成低阻通道，結(jié)果使uCE急劇下降，iC急劇增大，導(dǎo)致功率管在沒有發(fā)燙時就被損壞或性能嚴(yán)重惡化，因此，二次擊穿是不可逆的。3.防止二次擊穿的措施（1）在設(shè)計電路時，要設(shè)法使晶體管工作在安全區(qū)以內(nèi)，而且還要留有余地。例如增大功率余量，改善散熱情況，選用較低的電源電壓。（2）使用時要盡量避免產(chǎn)生過壓和過流的可能性，不要將負(fù)載開路或短路，不要突然加強(qiáng)信號，同時不允許電源電壓有很大波動。（3）采取適當(dāng)?shù)拇胧?。為了防止由于感性?fù)載而使管子產(chǎn)生過壓或過流，可在負(fù)載兩端并聯(lián)二極管（或二極管和電容），此外也可對晶體管加以保護(hù)，保護(hù)的方法很多，例如可以用穩(wěn)壓管并聯(lián)在功率管的c、e兩端，以吸收瞬時的過電壓等。小結(jié)1.功率放大電路的主要任務(wù)是在非線性失真允許的范圍內(nèi)，高效地獲得盡可能大的輸出功