第五章功率放大電路

5功率放大電路

單級電壓放大電路存在的問題，多極放大電路的末級或末前級設置功率放大電路原因：UOIOPO

能量不一定足夠大

功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。它一般直接驅動負載，帶負載能力強。5.1

功率放大電路的一般問題（特點及分類）說明：功率與電壓放大電路的區(qū)別

（1）本質相同放大電路中，輸出到負載上的電量都同時存在輸出電壓、電流和功率，但在不同場合及不同要求下須強調的輸出量不同。電壓放大電路或電流放大電路主要用于增強電壓幅度或電流幅度。功率放大電路主要輸出較大的功率。但無論哪種放大電路，從能量控制的觀點來看，放大電路實質上都是能量轉換電路。因此，功率放大電路和電壓放大電路沒有本質的區(qū)別。均是利用T的電流放大作用，工作在放大區(qū)內，使信號放大。稱呼上的區(qū)別只不過是強調的輸出量不同而已。（2）任務不同電壓放大電路主要任務是使負載得到不失真的電壓信號。輸出的功率并不一定大。在小信號狀態(tài)下工作。功率放大電路主要任務是使負載得到不失真（或失真較?。┑妮敵龉β省Ｔ诖笮盘枲顟B(tài)下工作。（3）指標不同電壓放大電路主要指標是電壓增益、輸入和輸出阻抗.

功率放大電路主要指標是功率、效率、非線性失真。（4）電路的分析方法不同電壓放大電路：圖解法、微變等效電路法功率放大電路：圖解法一.功率放大電路的特殊問題

1功率要大

2效率要高

3失真要小

4散熱要好

為了獲得大的功率輸出，要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度，管子往往在接近極限運用狀態(tài)下工作。效率是負載得到的信號功率與電源供給功率的比值。它代表了電路將電源直流能量轉換為輸出交流能量的能力.功放電路是在大信號下工作，所以不可避免地會產生非線性失真，這就使輸出功率和非線性失真成為一對主要矛盾。功放電路中，大量的功率消耗在集電結上，使結溫和管殼溫度升高。為了使管子輸出足夠大的功率。1．特點（1）要有盡可能大的輸出功率（2）效率要高（3）非線性失真要小（4）要加裝散熱和保護裝置（5）要用圖解法分析

二．功放工作狀態(tài)分類

(1)甲類放大電路

根據晶體管的靜態(tài)工作點的位置不同分：

b.能量轉換效率低：最高為50%特點：c.放大管的導通角θ=2π靜態(tài)工作點位置iC1ICQωt=2

02集電極電流波形大a.靜態(tài)功耗uCEiC0QA提高效率的主要途徑：（1）要提高效率，就應減小在晶體管上的功率PT,將電源供給的功率大部分轉化為有用的信號輸出功率Po。

（2）電源供給的功率一部分轉化為有用的輸出功率，另一部分則消耗在管子（和電阻）上，并轉化為熱量的形式耗散出去，稱為管耗。甲類放大電路的效率是較低的，可以證明，即使在理想情況下，甲類放大電路的效率最高也只能達到50%。

（3）提高效率的主要途徑是減小靜態(tài)電流從而減少管耗。靜態(tài)電流是造成管耗的主要因素，把靜態(tài)工作點Q向下移動，使信號等于零時電源輸出的功率也等于零（或很?。@樣電源供給功率及管耗都隨著輸出功率的大小而變，改變了甲類放大時效率低的狀況。

(2)

甲乙類放大電路

a.靜態(tài)功耗較小b.能量轉換效率較高c.輸出失真較大特點：d.放大管的導通角π<θ<2πωtiC2π2π03πICQπ<<2π集電極電流波形靜態(tài)工作點位置uCEiC0QA(3)乙類放大電路b.能量轉換效率高c.輸出失真大特點：d.放大管的導通角θ=πωtiC3π2π=π03π集電極電流波形a.靜態(tài)功耗靜態(tài)工作點位置uCEiC0QA乙類和甲乙類放大雖然減小了靜態(tài)功耗，提高了效率，但都出現了嚴重的波形失真，因此，既要保持靜態(tài)時管耗小，又要使失真不太嚴重，這就需要在電路結構上采取措施?；パa對稱功放電路

思考題1.

功率放大器的作用是什么？對它有那些要求？它與電壓放大電路有那些區(qū)別？2.

試說明甲類、乙類、甲乙類功率放大器的區(qū)別？5.2

互補推挽功率放大電路電路特點：（1）晶體管T1、T2特性對稱（2）電源對稱（3）T1、T2射極輸出5.2.1

乙類互補推挽功率放大電路RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_1.工作原理靜態(tài)分析：當ui=0時設ui=UimsintT1、T2截止UA=0uO=0靜態(tài)功耗為零RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_A動態(tài)分析：a.ui>0時T1導通T2截止輸入信號輸出信號電流方向uO≈ui+RLT1ui+_+VCC_iC1iC2T2VCCuO_Ab.ui<0時T2導通T1截止輸入信號輸出信號電流方向uO≈uiRLT1ui+_+VCC_T2VCCuO+_A乙類互補推挽電路工作情況T1通T2通Uopp=2(VCC

–

UCES)UOPPuCE0QtiC0iCuCE2.主要指標計算

（1）輸出功率

當Uom達到最大值(VCC–UCES)時設RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_當忽略三極管的飽和壓降UCES時RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_（2）電源供給的功率平均集電極電流IC(AV)為RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_兩個電源供給的總電源功率

（3）能量轉換效率

RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_當時RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_(4)

晶體管的耗散功率令RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_最大管耗為

即當輸出電壓幅值為

晶體管的管耗最大每只管子的最大管耗為

RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_當ui較小時，管子T1、T2都截止3.電路存在的主要缺陷存在交越失真a.失真的原因晶體管存在死區(qū)電壓。b.失真的現象輸出電流出現一段“死區(qū)”RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_0tiCiBuBE0uit0交越失真在兩個管子交替工作區(qū)域出現的失真稱為交越失真輸入信號輸出信號交越失真的產生4.克服交越失真的常用方法給功率管（T1和T2）一定的直流偏置，使其工作于微導通狀態(tài)，即甲乙類工作狀態(tài)。5.2.2甲乙類互補推挽電路1.

利用二極管提供偏壓二極管提供偏壓，使T1、T2微導通狀態(tài)D1RLT1uI+_+VCC_iC1iC2iOT2T3D2uO+_RERCVCC2.利用擴大電路實現偏置圖中RLT1uI+_+VCC_T2uO+_T3R1R2R3R4VCC（1）當uI=0

時2.工作原理uA=VCC/2uC=VCC/2輸出電壓uO=01.電路組成D1RLT1uI+_+VCCT2T3D2uO+_RERCC+AuC5.2.3

單電源功率放大電路（2）當uI為負半周時T1導通，T2截止電容C同時充電D1RLT1uI+_+VCCT2T3D2uO+_RERCC+AuCuB1信號為正半周uB1uB2輸出信號為正半周T1截止，T2導通電容C放電uB2信號為負半周uB1uB2（3）當uI為正半周時D1RLT1uI+_+VCCT2T3D2uO+_RERCC+AuC輸出信號為負半周注意：電容C起負電源-VCC的作用1.每只管子的工作電壓變成了VCC/2，在計算各項指標時電源電壓要用VCC/2。2.電容C足夠大，使輸出正負半周對稱。D1RLT1uI+_+VCCT2T3D2uO+_RERCC+AuCRLT1uI+VCC_T2VEEuO+_5.2.5 互補推挽放大電路1.電路組成2.電路主要特點(2)輸出電阻小(3)動態(tài)范圍大(4)帶載能力強(1)T1、T2參數相同3.工作原理(1)uI=0時T1、T2截止uO=0(2)uI>0時T1導通、T2截止uO

uIRLT1uI+VCC_T2VEEuO+_(3)uI<0時T1截止、T2導通uO

uI4.輸出動態(tài)范圍5.電路存在的缺陷——交越失真當輸入電壓小于發(fā)射結死區(qū)電壓時，輸出電壓為零。RLT1uI+VCC_T2VEEuO+_D1RLT1uI+VCC_T2D2uO+_R1R2VEE克服交失真的方法：給T1、T2的發(fā)射結加一定的直流偏置，使其工在微導通狀態(tài)?？朔皇д娴幕パa電路1.電路組成5.2.4

前置級為運放的功率放大電路AD1RLT1uI+_+VCC_iB1iB2T2D2uO+_R3R4+_R2R1i4i3VCC2.電路特點(1)電路引入了電壓并聯負反饋。(2)

電路的穩(wěn)定性高。AD1RLT1uI+_+VCC_iB1iB2T2D2uO+_R3R4+_R2R1i4i3VCC3.電路的閉環(huán)電壓增益Auf≈－R2/R1·AD1RLT1uI+_+VCC_iB1iB2T2D2uO+_R3R4+_R2R1i4i3VCC思考題1.

乙類互補推挽功率放大器產生交越失真的原因是什么？怎么克服交越失真？2.為什么說前置級為運放的功率放大電路交越失真很小？5.3.1

雙極型功率晶體管（BJT）1.功率管的選擇（1）

PCM≥0.2Pom

（2）|U(BR)CEO|>2VCC（3）

ICM＞VCC/RC5.3

功率器件與散熱極限參數應滿足(在互補推挽功率放大電路中)2．二次擊穿的影響iCuCE0BA二次擊穿一次擊穿S/B曲線二次擊穿現象二次擊穿臨界曲線iCuCE01.

V型NMOS管的結構結構剖面圖5.3.2

功率MOSFET

S源極G柵極金屬源極SiO2溝道溝道外延層襯底D漏極_N

+PPNN

+N

+2.

V型NMOS管的主要特點（1）開關速度高（2）驅動電流?。?）過載能力強（4）易于并聯5.3.3

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）IGBT等效電路DT1GSRT2IGBT電路符號GSDT絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的主要特點：（1）輸入阻抗高（2）工作速度快（3）通態(tài)電阻低（4）阻斷電阻高（5）承受電流大兼顧了MOSFET和BJT的優(yōu)點，成為當前功率半導體器件發(fā)展的重要方向。外殼c集電結j散熱器sR(th)jcR(th)csR(th)sa環(huán)境a5.3.4

功率器件的散熱晶體管的散熱示意圖導電回路（電路）散熱回路（熱路）參量符號單位參量符號單位電壓UV溫差ΔToC電流IA最大允許功耗PCMW電阻RΩ熱阻RToC/W

功率器件的散熱分析方法：即用電路來模擬功率器件的散熱回路導電回路和散熱回路參數對照表電－熱模擬法Tj——集電結的結溫Tc

——功率管的殼溫Ts

——散熱器溫度Ta

——環(huán)境溫度Rjc

——集電結到管殼的熱阻Rcs

——管殼至散熱片的熱阻Rsa

——散熱片至環(huán)境的熱阻散熱等效熱路TjTcTsTaRjcRcsRsajcsaPCM散熱回路的總熱阻為

最大允許功耗TajCMRTTP-=TjTcTsTaRjcRcsRsajcsaPCM練習題例1

乙類互補推挽功放電路如圖所示。已知ui為正弦電壓，RL=8W，要求最大輸出功率為16W。假設功率管T1和T2特性對稱，管子的飽和壓降UCES=0。試求：

（1）正、負電源VCC的最小值；（2）當輸出功率最大時，電源供給的功率；（3）當輸出功率最大時的輸入電壓的有效值。

T1T2RL+VCCVCC__+uOui[解]（1）由于電路的最大輸出功率所以電源電壓（2）當輸出功率最大時，電源供給的功率T1T2RL+VCCVCC__+uOui（3）因為輸出功率最大時，輸出電壓的幅值為所以輸入電壓的有效值為

T1T2RL+VCCVCC__+uOui5.4

常用集成功率放大器（1）LM386LM386是美國國家半導體公司生產的音頻功率放大器,主要應用于低電壓消費類產品。為使外圍元件最少,電壓增益內置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容,便可將電壓增益調為任意值,直至200。輸入端以地位參考,同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半,在6V電源電壓下,它的靜態(tài)功耗僅為24mW,使得LM386特別適用于電池供電的場合。

LM386的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。（2）TDA2030TDA2030是德律風根生產的音頻功放電路，采用V型5腳單列直插式塑料封裝結構。如圖1所示，按引腳的形狀引可分為H型和V型。該集成電路廣泛應用于汽車立體聲收錄音機、中功率音響設備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點。并具有內部保護電路。意大利SGS公司、美國RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同類產品生產，雖然其內部電路略有差異，但引出腳位置及功能均相同，可以互換。

電路特點：1.外接元件非常少。2.輸出功率大，Po=18W(RL=4Ω)。3.采用超小型封裝（TO-220）,可提高組裝密度。4.開機沖擊極小。5.內含各種保護電路，因此工作安全可靠。主要保護電路有：短路保護、熱保護、地線偶然開路、電源極性反接（Vsmax=12V）以及負載泄放電壓反沖等。

6.TDA2030A能在最低±6V最高±22V的電壓下工作在±19V、8Ω阻抗時能夠輸出16W的有效功率，THD≤0.1%。無疑，用它來做電腦有源音箱的功率放大部分或小型功放再合適不過了。例2在圖示的電路中，已知運放性能理想，其最大的輸出電流、電壓分別為15mA和15V。設晶體管T1和T2的性能完全相同，=60，|UBE|=0.7V。試問（1）該電路采用什么方法來減小交越失真?。

R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1?（2）如負載RL分別為20W

、10W時，其最大不失真輸出功率分別為多大?

（3）為了使不失真輸出功率達到最大，其電路的最佳負載RLopt

及此時的最大輸出功率Pom

。R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1?（4）功放管T1

和T2的極限參數PCM、

ICM

和|U(BR)CEO|應選多大?

解（1）在電路即將導通之時，電路中各支路中的電流為零。這時R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1?R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1?在管子即將導通時，uo1等于其死區(qū)電壓UBE(th)。R1R2RLT1