功率放大電路課件

功率放大電路課件2023/4/271第1頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日2

本章主要講述功率放大電路的基本原理和基本分析方法。重點掌握功率放大電路的有關(guān)基本概念：晶體管的甲類、乙類和甲乙類工作狀態(tài)，最大輸出功率，轉(zhuǎn)換效率，交越失真等；掌握OCL的工作原理，并估算最大輸出功率和效率；正確理解功率放大電路的組成原則，了解功放管的選擇方法。內(nèi)容簡介2023/4/272第2頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日8.1功率放大電路的一般問題2.功率放大電路提高效率的主要途徑1.功率放大電路的特點及主要研究對象2023/4/273第3頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日1.功率放大電路的特點及主要研究對象(1)功率放大電路的主要特點功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。因此，要求同時輸出較大的電壓和電流。管子工作在接近極限狀態(tài)。(2)要解決的問題提高效率減小失真管子的保護(hù)一般直接驅(qū)動負(fù)載，帶載能力要強。4（3）管子工作在接近極限狀態(tài)。有時是雙重保護(hù)，也保護(hù)使用者。

（1）在電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的輸出功率（P0大時，效率影響大）；

（2）工作于大信號狀態(tài)容易產(chǎn)生非線性失真。2023/4/274第4頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日5

無本質(zhì)的區(qū)別，都是能量的控制與轉(zhuǎn)換。不同之處在于，各自追求的指標(biāo)不同：電壓放大電路追求不失真的電壓放大倍數(shù)；功率放大電路追求盡可能大的不失真輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。

主要技術(shù)指標(biāo)

（1）最大輸出功率Pom：在電路參數(shù)確定的情況下負(fù)載可能獲得的最大交流功率。

分析方法

工作于大信號狀態(tài)，功放管的非線性不可忽略，宜采用圖解分析法。

（2）轉(zhuǎn)換效率

：最大輸出功率與電源提供的功率之比，即

思考題：功率放大電路與前面介紹的電壓放大電路有本質(zhì)上的區(qū)別嗎？指標(biāo)如：企業(yè)與學(xué)校，都有“產(chǎn)品”，目標(biāo)不同2023/4/275第5頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日2.功率放大電路提高效率的主要途徑降低靜態(tài)功耗，即減小靜態(tài)電流。四種工作狀態(tài)根據(jù)正弦信號整個周期內(nèi)三極管的導(dǎo)通情況劃分乙類：導(dǎo)通角等于180°甲類：一個周期內(nèi)均導(dǎo)通甲乙類：導(dǎo)通角大于180°丙類：導(dǎo)通角小于180°2023/4/276第6頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日2023/4/277

三極管根據(jù)正弦信號整個周期內(nèi)的導(dǎo)通情況，可分為幾個工作狀態(tài)：乙類：

=180°甲類：

=360°甲乙類：180°<

<

360°丙類：

<

180°思考題：功率放大電路中電源的功率除了提供給負(fù)載外，其余的消耗在什么地方？

思考題：功放中的功放管采用哪種工作狀態(tài)最合適？提高功放效率的根本途徑是減小有源器件（功放管）的靜態(tài)功耗。2.晶體管的工作狀態(tài)

采用甲乙類工作狀態(tài)最合適，因為甲類效率太低，丙類失真太大，乙類會產(chǎn)生交越失真。有時用半導(dǎo)通角φ工作狀態(tài)分析消耗在功放管的靜態(tài)功耗。2023/4/277第7頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日8復(fù)習(xí)：R的電源供給功率圖-----耗能元件2023/4/278第8頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日9復(fù)習(xí)：L的電源供給功率圖-----P=0，儲能元件2023/4/279第9頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日1010圖功率放大器工作狀態(tài)的分類（a）甲類;（b）乙類;（c）甲乙類本質(zhì)：靜態(tài)工作點不同，--------偏置不同甲、乙類、甲乙類示意圖2023/4/2710第10頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日11甲乙丙狀態(tài)的轉(zhuǎn)移特性甲類的輸出特性思考：圖中那些曲線應(yīng)該用虛線表示乙類：

=180°甲類：

=360°甲乙類：180°<

<

360°丙類：

<

180°2023/4/2711第11頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日1212輸出波形示意圖不同狀態(tài)本質(zhì)：靜態(tài)工作點不同，--------靜態(tài)偏置不同2023/4/2712第12頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日13(b)乙類class-Bamplifier(c)甲乙類class-ABamplifier(d)丙類class-Camplifier4.分類(a)甲類class-Aamplifier四類電路的效率示意圖★★由圖知：黃色為電源輸出平均功率，四類電路靜態(tài)（平均）功耗逐步減小，效率提高。2023/4/2713第13頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日1414幾類放大器的特點

甲類放大器的工作點設(shè)置在放大區(qū)的中間,這種電路的優(yōu)點是在輸入信號的整個周期內(nèi)三極管都處于導(dǎo)通狀態(tài),輸出信號失真較?。ㄇ懊嬗懻摰碾妷悍糯笃鞫脊ぷ髟谶@種狀態(tài)）,缺點是三極管有較大的靜態(tài)電流ICQ,這時管耗PC大,電路能量轉(zhuǎn)換效率低。乙類放大器的工作點設(shè)置在截止區(qū),這時,由于三極管的靜態(tài)電流ICQ=0,所以能量轉(zhuǎn)換效率高,它的缺點是只能對半個周期的輸入信號進(jìn)行放大,非線性失真大。甲乙類放大電路的工作點設(shè)在放大區(qū)但接近截止區(qū),即三極管處于微導(dǎo)通狀態(tài),這樣可以有效克服乙類放大電路的失真問題,且能量轉(zhuǎn)換效率也較高,目前使用較廣泛。2023/4/2714第14頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日8.2射極輸出器——甲類放大的實例簡化電路帶電流源詳圖的電路圖特點：電壓增益近似為1，電流增益很大，可獲得較大的功率增益，輸出電阻小，帶負(fù)載能力強。2023/4/2715第15頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日電壓與輸入電壓的關(guān)系設(shè)T1的飽和壓VCES≈0.2V

vO正向振幅最大值vO負(fù)向振幅最大值若T1首先截止若T3首先出現(xiàn)飽和8.2射極輸出器——甲類放大的實例2023/4/2716第16頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日8.2射極輸出器——甲類放大的實例VBIAS=0.6V當(dāng)放大器的效率效率低，最高為50%分子為最大輸出功率，分母為VCC和VEE的功耗，詳細(xì)見書P3852023/4/2717第17頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日2023/4/271818

由上式可知，功率放大器工作在甲類狀態(tài)時，其電源供給的功率PU與輸出信號電流iC無關(guān)，僅與電源電壓UCC及靜態(tài)電流ICQ有關(guān)（見R示意圖）。也就是說，無論有無信號輸入輸出，電源供給的功率是固定不變的。由此也可得出，這類功放電路的輸出功率越大，電路的效率就越高(已知P=IV)。當(dāng)電路輸出最大不失真功率時效率最高，（此時，靜態(tài)工作點在正中，輸出信號I與U的最大值就是UCC與ICQ，所以最大不失真功率為0.5UCC×ICQ），其值為η-m=

此式說明-----甲類功率放大器的最高效率為50%，實際效率要低得多。。2、如果要增大輸出功率,在回路等效總電阻不變的情況下：需增大Ic1m；如果要提高效率,需增大Ic1m或減小IC0(減小IC0即減小集電極功耗,通過降低靜態(tài)工作點獲得）甲類放大小結(jié)（效率)PU=P0+PC2023/4/2718第18頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路8.3.2分析計算8.3.1電路組成8.3.3功率BJT的選擇8.3.4具體功率放大電路2023/4/2719第19頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日2020原因：在甲類放大中，靜態(tài)電流ICQ是造成管耗高、效率低的主要原因。降低靜態(tài)電流，使管子工作于乙類狀態(tài)，可以減少管耗、提高效率，但這樣會使輸出波形被削掉一半，出現(xiàn)嚴(yán)重失真。若采用工作于乙類的推挽功率放大器，既可提高效率，同時又能減少波形失真2023/4/2720第20頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日8.3.1電路組成由一對NPN、PNP特性相同的互補三極管組成，采用正、負(fù)雙電源供電。這種電路也稱為OCL互補功率放大電路。1.電路組成2.工作原理兩個三極管在信號正、負(fù)半周輪流導(dǎo)通，使負(fù)載得到一個完整的波形。2023/4/2721第21頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日8.3.2分析計算圖解分析2023/4/2722第22頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日23乙類輸出波形示意圖2023/4/2723第23頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日24在甲類工作狀態(tài)時,最高效率為50%。在乙類工作狀態(tài)時,集電極電流是在半個周期內(nèi)導(dǎo)通的尖頂余弦脈沖,可以用傅氏級數(shù)展開為:iC=IC0+Ic1mcosω0t+Ic2mcos2ω0t+…

=其中ICm是尖頂余弦脈沖的高度,即集電極電流最大值。由此可求得在Ucm=VCC時的最高效率(P0/PD)η=乙類效率分析2023/4/2724第24頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日1.最大不失真輸出功率Pomax實際輸出功率8.3.2分析計算忽略VCES時2023/4/2725第25頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日8.3.2分析計算單個管子在半個周期內(nèi)的管耗2.管耗PT兩管管耗2023/4/2726第26頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日3.電源供給的功率PV當(dāng)4.效率當(dāng)8.3.2分析計算2023/4/2727第27頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日1.最大管耗和最大輸出功率的關(guān)系因為8.3.3功率BJT的選擇當(dāng)≈0.6VCC時具有最大管耗≈0.2Pom

選管依據(jù)之一2023/4/2728第28頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日功率與輸出幅度的關(guān)系8.3.3功率BJT的選擇2.功率BJT的選擇（自學(xué)）end2023/4/2729第29頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日30無輸出電容（OCL）乙類互補對稱功率放大電路

優(yōu)點：直接耦合，頻率特性好。

缺點：雙電源供電。1.電路組成及工作原理雙電源乙類互補功率放大電路。這類電路又稱無輸出電容的功率放大電路,簡稱OCL電路。V1為NPN型管,V2為PNP型管,兩管參數(shù)對稱。OutputCapacitorLess的縮寫，意為無輸出電容8.3.4具體功率放大電路2023/4/2730第30頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日3131OCL電路工作過程分析1）靜態(tài)分析當(dāng)輸入信號ui=0時,兩三極管都工作在截止區(qū),此時IBQ、ICQ、IEQ均為零,負(fù)載上無電流通過,輸出電壓uo=0。

2）動態(tài)分析（1）當(dāng)輸入信號為正半周時,ui>0,三極管V1導(dǎo)通,V2截止,V1管的射極電流ie1經(jīng)＋ＵCC自上而下流過負(fù)載,在RL上形成正半周輸出電壓,uo>0。（2）當(dāng)輸入信號為負(fù)半周時,ui<0,三極管V2導(dǎo)通,V1截止,V2管的射極電流ie2經(jīng)－ＵCC自下而上流過負(fù)載,在RL上形成負(fù)半周輸出電壓,uo<0。2023/4/2731第31頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日2023/4/273232圖雙電源乙類互補對稱功率放大器

OCL電路工作示意圖2023/4/2732第32頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日8.4甲乙類互補對稱功率放大電路8.4.2甲乙類單電源互補對稱電路8.4.1甲乙類雙電源互補對稱電路2023/4/2733第33頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日8.4.1甲乙類雙電源互補對稱電路乙類互補對稱電路存在的問題2023/4/2734第34頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日2023/4/273535演示演示電路如（a）圖,在放大器的輸入端加入一個1000Hz正弦信號,用示波器觀察輸出端的信號波形,發(fā)現(xiàn)輸出波形在正、負(fù)半周的交界處發(fā)生了失真,觀察到的輸出波形如圖(b)所示。交越失真現(xiàn)象演示2023/4/2735第35頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日3636產(chǎn)生交越失真的原因為了解決交越失真,可給三極管加適當(dāng)?shù)幕鶚O偏置電壓,使之工作在甲乙類工作狀態(tài),如圖所示。

在乙類互補對稱功率放大電路中,沒有施加偏置電壓,靜態(tài)工作點設(shè)置在零點,UBEQ=0,IBQ=0,ICQ=0,三極管工作在截止區(qū)。由于三極管存在死區(qū)電壓,當(dāng)輸入信號小于死區(qū)電壓時,三極管V1、V2仍不導(dǎo)通,輸出電壓uo為零,這樣在輸入信號正、負(fù)半周的交界處,無輸出信號,使輸出波形失真,這種失真叫交越失真。2023/4/2736第36頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日37甲乙類OCL功率放大電路的組成及工作原理

因為在ui為0時，晶體管已經(jīng)處于微導(dǎo)通狀態(tài)，其導(dǎo)通角大于180o，所以晶體管處于甲乙類工作狀態(tài)。

思考題：

ui可以從A或B點接入嗎？8.4.1甲乙類雙電源互補對稱電路12023/4/2737第37頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日8.4.1甲乙類雙電源互補對稱電路1.靜態(tài)偏置可克服交越失真2.動態(tài)工作情況二極管等效為恒壓模型設(shè)T3已有合適的靜態(tài)工作點交流相當(dāng)于短路2023/4/2738第38頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日3939

圖甲乙類互補對稱功率放大電路28.4.1甲乙類雙電源互補對稱電路22023/4/2739第39頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日VBE4可認(rèn)為是定值

R1、R2不變時，VCE4也是定值，可看作是一個直流電源。8.4.1甲乙類雙電源互補對稱電路32023/4/2740第40頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日8.4.2甲乙類單電源互補對稱電路4靜態(tài)時，偏置電路使VK＝VC≈VCC/2（電容C充電達(dá)到穩(wěn)態(tài)）。

當(dāng)有信號vi時負(fù)半周T1導(dǎo)通，有電流通過負(fù)載RL，同時向C充電正半周T2導(dǎo)通，則已充電的電容C通過負(fù)載RL放電。只要滿足RLC>>T信，電容C就可充當(dāng)原來的－VCC。計算Po、PT、PV和PTm的公式必須加以修正，以VCC/2代替原來公式中的VCC。2023/4/2741第41頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日42OTL乙類互補對稱功率放大電路

優(yōu)點：單電源供電。

缺點：低頻特性差。

靜態(tài)時：基極電位為Vcc/2（分析見書P393），由于電容C的容量足夠大，若初始電壓為0，則基極電壓通過T1管發(fā)射結(jié)向電容C充電，直至近似為Vcc/2為止。輸入信號正半周電源Vcc向T1管供電；輸入信號負(fù)半周，電容C上存儲的電壓Vcc/2向T2管供電。OutputTransformerLessAmplifier無輸出變壓器（書P393）2023/4/2742第42頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日43

本講主要掌握以下內(nèi)容：功率放大電路的特點和組成原則：輸出盡可能大的不失真信號功率和具有盡可能大的轉(zhuǎn)換效率；晶體管的工作狀態(tài)：甲類、乙類和甲乙類；工作狀態(tài)的本質(zhì)是什么？理想效率的計算（50%，78%，65%）。

OCL電路的定義，工作原理、交越失真和解決，優(yōu)缺。了解OTL電路的定義，工作原理，優(yōu)缺.小結(jié)2023/4/2743第43頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日44

無本質(zhì)的區(qū)別，都是能量的控制與轉(zhuǎn)換。不同之處在于，各自追求的指標(biāo)不同：電壓放大電路追求不失真的電壓放大倍數(shù)；功率放大電路追求盡可能大的不失真輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。

主要技術(shù)指標(biāo)

（1）最大輸出功率Pom：在電路參數(shù)確定的情況下負(fù)載可能獲得的最大交流功率。

分析方法

工作于大信號狀態(tài)，功放管的非線性不可忽略，宜采用圖解分析法。

（2）轉(zhuǎn)換效率

：最大輸出功率與電源提供的功率之比，即

思考題：功率放大電路與前面介紹的電壓放大電路有本質(zhì)上的區(qū)別嗎？指標(biāo)如：企業(yè)與學(xué)校，都有“產(chǎn)品”，目標(biāo)不同2023/4/2744第44頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日1.功率放大電路的特點及主要研究對象(1)功率放大電路的主要特點功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。因此，要求同時輸出較大的電壓和電流。管子工作在接近極限狀態(tài)。(2)要解決的問題提高效率減小失真管子的保護(hù)一般直接驅(qū)動負(fù)載，帶載能力要強。45（3）管子工作在接近極限狀態(tài)。有時是雙重保護(hù)，也保護(hù)使用者。

（1）在電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的輸出功率（P0大時，效率影響大）；

（2）工作于大信號狀態(tài)容易產(chǎn)生非線性失真。2023/4/2745第45頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日功率放大電路提高效率的主要途徑降低靜態(tài)功耗，即減小靜態(tài)電流。四種工作狀態(tài)根據(jù)正弦信號整個周期內(nèi)三極管的導(dǎo)通情況劃分乙類：導(dǎo)通角等于180°甲類：一個周期內(nèi)均導(dǎo)通甲乙類：導(dǎo)通角大于180°丙類：導(dǎo)通角小于180°2023/4/2746第46頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日47(b)乙類class-Bamplifier(c)甲乙類class-ABamplifier(d)丙類class-Camplifier4.分類(a)甲類class-Aamplifier四類電路的效率示意圖★★由圖知：黃色為電源輸出平均功率，四類電路靜態(tài)（平均）功耗逐步減小，效率提高。2023/4/2747第47頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日4848幾類放大器的特點

甲類放大器的工作點設(shè)置在放大區(qū)的中間,這種電路的優(yōu)點是在輸入信號的整個周期內(nèi)三極管都處于導(dǎo)通狀態(tài),輸出信號失真較小（前面討論的電壓放大器都工作在這種狀態(tài)）,缺點是三極管有較大的靜態(tài)電流ICQ,這時管耗PC大,電路能量轉(zhuǎn)換效率低。乙類放大器的工作點設(shè)置在截止區(qū),這時,由于三極管的靜態(tài)電流ICQ=0,所以能量轉(zhuǎn)換效率高,它的缺點是只能對半個周期的輸入信號進(jìn)行放大,非線性失真大。用互補電路彌補。甲乙類放大電路的工作點設(shè)在放大區(qū)但接近截止區(qū),即三極管處于微導(dǎo)通狀態(tài),這樣可以有效克服乙類放大電路的交越失真問題,且能量轉(zhuǎn)換效率也較高,目前使用較廣泛。2023/4/2748第48頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日

四類電路分析：a與b比靜態(tài)（平均）功耗減小，輸出功率不變，效率提高c與d比靜態(tài)（平均）功耗不變，輸出功率提高，效率提高2023/4/2749第49頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日乙類電路組成由一對NPN、PNP特性相同的互補三極管組成，采用正、負(fù)雙電源供電。這種電路也稱為OCL互補功率放大電路。1.電路組成2.工作原理兩個三極管在信號正、負(fù)半周輪流導(dǎo)通，使負(fù)載得到一個完整的波形。正半周負(fù)半周2023/4/2750第50頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日51乙類輸出波形示意圖----兩管輪流導(dǎo)通，合成完整波形2023/4/2751第51頁，共56頁，2023年，2月20日，星期日52無輸出電容（OCL）乙類互補對稱功率放大電路

優(yōu)點：直接耦合，頻率特性好。

缺點：雙電源供電。