第78章功率放大器與直流電源

第七章功率放大電路當前第1頁\共有74頁\編于星期六\13點例：擴音系統(tǒng)執(zhí)行機構(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)行機構(gòu)。如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動作、儀表指針偏轉(zhuǎn)等。功率放大電壓放大信號提取7.1功率放大電路當前第2頁\共有74頁\編于星期六\13點放大器方框圖如下：負載(換能器)

前置放大器

功率放大器信號源一、功率放大電路的特點由電壓放大電路組成，其主要任務(wù)是不失真地提高輸入信號電壓的幅度，以驅(qū)動后面的功率放大電路。

其任務(wù)是在保證信號失真在允許范圍內(nèi)的前提下，盡可能地提高輸出功率，以驅(qū)動輸出負載（換能器）。當前第3頁\共有74頁\編于星期六\13點(2)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

、U(BR)CEO

、

PCM

。

ICMPCMU(BR)CEOicuce(1)輸出功率Po盡可能大當前第4頁\共有74頁\編于星期六\13點(3)電流、電壓信號比較大，必須注意防止波形失真。(4)電源提供的能量盡可能轉(zhuǎn)換給負載，減少晶體管及線路上的損失。即注意提高電路的效率()。Po

:負載上得到的交流信號功率。PV

：電源提供的直流功率。(5)功放管散熱和保護問題(6)在分析方法上，通常采用圖解法。當前第5頁\共有74頁\編于星期六\13點綜上所述，對功率放大電路的要求是：

在保證晶體管安全工作的條件下和允許失真的范圍內(nèi)，充分發(fā)揮其潛力，輸出盡量允許大的功率，同時還要減小管子的損耗，以提高其效率。當前第6頁\共有74頁\編于星期六\13點二、功率放大電路提高效率的主要途徑甲類放大——輸入信號的整個周期內(nèi)均有電流流過管子即管子在一周內(nèi)都導(dǎo)通。甲乙類放大——管子在一個周期內(nèi)有半個周期以上導(dǎo)通。乙類放大——管子在一個周期內(nèi)只有半個周期導(dǎo)通。當前第7頁\共有74頁\編于星期六\13點乙類放大（c），效率最高；甲乙類放大（b），效率其次；甲類放大（a），效率最低。當前第8頁\共有74頁\編于星期六\13點例：如圖所示的射極跟隨器處于甲類工作狀態(tài)，設(shè)VCC=6V，RL=8Ω，三極管的β=40，ICEO、UCES忽略不計。試求在充分激勵下，該電路的最大不失真輸出功率和效率。

解：當靜態(tài)工作點Q平分交流負載線時，該電路在充分激勵下有最大的不失真輸出電壓，此時電路的輸出功率也為最大。

C1uiuoRBT+VCC+++--RL當前第9頁\共有74頁\編于星期六\13點（1）靜態(tài)

靜態(tài)工作點

UCEQ=VCC/2=6/2=3(V)ICQ=(VCC－UCEQ)/RL=3/8=0.375(A)

電源供給功率PVQ=VCC﹒ICQ=6×0.375=2.25(W)三極管消耗功率

PTQ=UCEQ﹒ICQ=3×0.375=1.125(W)負載RL上消耗的直流功率

PRQ=ICQ2﹒RL=0.3752×8=1.125(W)C1uiuoRBT+VCC+++--RL當前第10頁\共有74頁\編于星期六\13點在充分激勵下，Ucem≈VCC/2，Icm=Ucem/RL≈VCC/2RL，由此得：a.交流輸出功率(即為△QED的面積)（2）動態(tài)C1uiuoRBT+VCC+++--RL當前第11頁\共有74頁\編于星期六\13點b.管子消耗功率

(即為△AQD的面積)C1uiuoRBT+VCC+++--RL當前第12頁\共有74頁\編于星期六\13點c.電源供給功率

(即為矩形ABCD的面積)d.效率C1uiuoRBT+VCC+++--RL當前第13頁\共有74頁\編于星期六\13點甲類功放有以下特點：(1)整個周期內(nèi)均有iC>0；(3)電源始終不斷地輸送功率：靜態(tài)時，這些功率全部消耗在管子和電阻上；動態(tài)時，其中一部分轉(zhuǎn)化為有用的輸出功率，信號愈大，輸送給負載的功率愈多。(4)輸出功率較??；

(5)效率較低。

(2)信號失真??；當前第14頁\共有74頁\編于星期六\13點如何解決效率低的問題？辦法：降低Q點。既降低Q點又不會引起截止失真的辦法：采用推挽輸出電路，或互補對稱射極輸出器。缺點：但又會引起截止失真。當前第15頁\共有74頁\編于星期六\13點

互補對稱功放的類型無輸出變壓器形式（OTL電路）無輸出電容形式（OCL電路）OTL:OutputTransformerLessOCL:OutputCapacitorLess互補對稱：電路中采用兩支晶體管，NPN、

PNP各一支；兩管特性一致。類型：三、互補對稱功率放大電路當前第16頁\共有74頁\編于星期六\13點乙類互補對稱放大電路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、負雙電源供電。也稱為OCL互補功率放大電路。2、工作原理

兩個三極管在信號一個正、負半周輪流導(dǎo)通，使負載得到一個完整的波形。ui-VCCT1T2uo+VCCRLiC1+-+-iC2當前第17頁\共有74頁\編于星期六\13點為分析方便，如圖曲線倒置成Q點重合乙類互補對稱電路圖解分析：

由圖可知，Ucem的最大值為VCC-UCE(sat)，如果忽略UCE(sat)

，則:Ucem(max)≈VCC。

負載斜率相等且都通過Q點，那么合成的負載線成圖示的一條直線。當前第18頁\共有74頁\編于星期六\13點(1)輸出功率Po

：

最大不失真輸出功率為：當前第19頁\共有74頁\編于星期六\13點(2)直流電源供給功率PV

：當前第20頁\共有74頁\編于星期六\13點(3)效率

:當前第21頁\共有74頁\編于星期六\13點(4)管耗：總管耗：

當前第22頁\共有74頁\編于星期六\13點三極管的最大管耗

問：Uom=？PT1最大,PT1max=？用PT1對Uom求導(dǎo)得出：PT1max發(fā)生在Uom=0.64VCC處。將Uom=0.64VCC代入PT1表達式：當前第23頁\共有74頁\編于星期六\13點甲類放大器與乙類放大器的兩點比較：A、甲類放大器中的電源供給功率PV與信號大小無關(guān)，而乙類放大器的電源供給功率PV隨信號的大小而變：靜態(tài)時，其值為零；信號增大時，其值隨之增大；當Ucem最大亦即Po最大時，電源供給功率PV也達到最大。B、甲類放大時，靜態(tài)管耗最大。而乙類工作時，靜態(tài)管耗卻為零，當Uom由小增大時，由于PT是Uom的二次函數(shù)，它們之間是非單調(diào)變化關(guān)系。當Uom=0.64VCC時，PT達到最大。當前第24頁\共有74頁\編于星期六\13點(5)選管條件a、PCMPT1max=0.2Pomb、c、ICM>VCC/RLui-VCCT1T2uo+VCCRLiC1+-+-iC2當前第25頁\共有74頁\編于星期六\13點例7.2.1乙類OCL參數(shù)估算設(shè)，，計算：（1）若輸入信號有效值為10V，求電路的Po、PV和效率及單管管耗。（2）若，且輸入幅值足夠大，求負載可能得到的最大功率和效率。（3）求每個管子的極限參數(shù)。（4）若，且輸入幅值足夠大，求負載可能得到的最大功率和效率。ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL+-+-當前第26頁\共有74頁\編于星期六\13點解：（1）ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL+-+-當前第27頁\共有74頁\編于星期六\13點（3）極限參數(shù)ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL+-+-（2）充分激勵且當前第28頁\共有74頁\編于星期六\13點ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL+-+-（4）充分激勵且當前第29頁\共有74頁\編于星期六\13點乙類互補對稱電路存在的問題實際測試波形當前第30頁\共有74頁\編于星期六\13點乙類放大的輸入輸出波形關(guān)系:缺點死區(qū)電壓uiuou"ou′o

′tttt交越失真：輸入信號ui在過零前后，輸出信號出現(xiàn)的失真便為交越失真。交越失真ui-VCCT1T2uo+VCCRLiC1+-+-iC2當前第31頁\共有74頁\編于星期六\13點(1)靜態(tài)電流

ICQ、IBQ等于零；(2)每管導(dǎo)通時間等于半個周期；(3)存在交越失真。乙類放大的特點：ui-VCCT1T2uo+VCCRLiC1+-+-iC2當前第32頁\共有74頁\編于星期六\13點1、克服交越失真交越失真產(chǎn)生的原因：在于晶體管特性存在非線性，ui<uT時晶體管截止。iBiBuBEtuitUT四、甲乙類互補推挽電路當前第33頁\共有74頁\編于星期六\13點克服交越失真的措施：

靜態(tài)時

T1、T2兩管發(fā)射結(jié)電位分別為二極管D1、D2的正向?qū)▔航?，致使兩管均處于微弱?dǎo)通狀態(tài)。

電路中增加R1、D1、D2、R2支路。R1D1D2R2+VCC-VCCuouiRLT1T2-+-+當前第34頁\共有74頁\編于星期六\13點兩管導(dǎo)通時間均比半個周期大一些的工作方式稱為“甲乙類放大”。

動態(tài)時設(shè)ui加入正弦信號。正半周，T2截止，T1基極電位進一步提高，進入良好的導(dǎo)通狀態(tài)；負半周，T1截止，T2

基極電位進一步降低，進入良好的導(dǎo)通狀態(tài)。從而克服死區(qū)電壓的影響，消除交越失真。R1D1D2R2+VCC-VCCuouiRLT1T2-+-+當前第35頁\共有74頁\編于星期六\13點uB1tUTtiBIBQ甲乙類放大的波形關(guān)系：ICQiCuBEiBib特點：存在較小的靜態(tài)電流ICQ

、IBQ。每管導(dǎo)通時間大于半個周期，基本不失真。iCQuceVCC/RLVCCIBQ當前第36頁\共有74頁\編于星期六\13點為更好地和T1、T2兩發(fā)射結(jié)電位配合，克服交越失真，電路中的D1、D2兩二極管可以用UBE電壓倍增電路替代。2、UBE電壓倍增電路

合理選擇R1、R2大小，B1、B2間便可得到UBE

任意倍數(shù)的電壓。以滿足不同電路克服交越失真的需要。

圖中B1、B2分別接T1、T2的基極。假設(shè)I>>IB，則參數(shù)估算近似按乙類處理B1B2+-BER1R2UIBI當前第37頁\共有74頁\編于星期六\13點五、基本單電源互補對稱電路(OTL)電容C滿足：C>(5~10)/2πfLRL靜態(tài)時要求K點電位UK=UC=VCC/2

R1D1D2R2+VCCuouiRLT1T2-+-+C特點1.單電源供電；2.輸出加有大電容。當前第38頁\共有74頁\編于星期六\13點（1）輸出功率

Po（2）直流電源供給功率PV當時當前第39頁\共有74頁\編于星期六\13點（3）效率和管耗PT總管耗

當前第40頁\共有74頁\編于星期六\13點六、采用復(fù)合管的功率輸出級增加復(fù)合管的目的是：擴大電流的驅(qū)動能力。復(fù)合管的構(gòu)成方式：cbeT1T2ibic方式一：becibic當前第41頁\共有74頁\編于星期六\13點1

2晶體管的類型由復(fù)合管中的第一支管子決定。方式二：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：ebcT1T2ibieicbecibicie當前第42頁\共有74頁\編于星期六\13點復(fù)合管的幾種接法cbeT1T2ibiciebce

（a）NPN型cbeT1T2

bce（c）NPN型cbeT1T2bce

（b）PNP型cbeT1T2

bce（d）PNP型當前第43頁\共有74頁\編于星期六\13點

T1：電壓推動級

T2、R1、R2：

UBE倍增電路

T3、T4、T5、T6：

復(fù)合管構(gòu)成的輸出級準互補輸出級中的T4、T6均為NPN型晶體管，兩者特性容易對稱。改進后的OCL準互補輸出功放電路：+VCC-VCCR1R2RLuiT1T2T3T4T5T6當前第44頁\共有74頁\編于星期六\13點第八章直流穩(wěn)壓電源當前第45頁\共有74頁\編于星期六\13點電源變壓器:將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路u1u2u3u4uo整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路整流電路:將交流電壓u2變?yōu)槊}動的直流電壓u3。濾波電路:將脈動直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4。穩(wěn)壓電路:清除電網(wǎng)波動及負載變化的影響,保持輸出電壓uo的穩(wěn)定。直流穩(wěn)壓電源的組成當前第46頁\共有74頁\編于星期六\13點uo(3)輸出電壓平均值（Uo）：(1)輸出電壓波形：(2)二極管上的平均電流：ID

=IL1、單相半波整流電路一、整流電路u1u2aTrbDRLuoiL當前第47頁\共有74頁\編于星期六\13點2、單相全波整流電路(4)uo平均值Uo：Uo=0.9U2(1)輸出電壓波形：(2)二極管上承受的最高電壓：uo(3)二極管上的平均電流：u1u2aTrbD1RLuoD2u2iL當前第48頁\共有74頁\編于星期六\13點3、單相橋式整流電路橋式整流電路+-u2正半周時電流通路uou1u2TrD4D2D1D3RLio+-當前第49頁\共有74頁\編于星期六\13點橋式整流電路-+uOu1u2TrD4D2D1D3RLu2負半周時電流通路iO+-當前第50頁\共有74頁\編于星期六\13點iD1ωtuD1ωtiD2ωt2πu2ππ3π4ωtωtiouoωtRLu1u2TrD4D2D1D3uo＋＋＋

iou1u2TrD4D2D1D3RLuo＋＋＋

io當前第51頁\共有74頁\編于星期六\13點4、整流電路的主要參數(shù)

（1）整流輸出電壓平均值（Uo）負載上的(平均)電流:（2）整流二極管的平均電流ID（3）二極管截止時兩端承受的最大反向電壓當前第52頁\共有74頁\編于星期六\13點問：若D1開路，電路功能？若D1短路，電路如何？u1u2TD4D2D1D3RLuo當前第53頁\共有74頁\編于星期六\13點二、濾波電路濾波電路的結(jié)構(gòu)特點:電容與負載RL并聯(lián)，或電感與負載RL串聯(lián)。交流電壓脈動直流電壓整流濾波直流電壓當前第54頁\共有74頁\編于星期六\13點1、電容濾波橋式整流電容濾波電路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–當前第55頁\共有74頁\編于星期六\13點(1)RL未接入時u2tuot整流電路為電容充電充電結(jié)束沒有電容時的輸出波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–當前第56頁\共有74頁\編于星期六\13點(2)RL接入（且RLC較大）時u2tuotau1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–當前第57頁\共有74頁\編于星期六\13點uoabcdau1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–當前第58頁\共有74頁\編于星期六\13點u2t整流電路的輸出電流iDiDuotau1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–當前第59頁\共有74頁\編于星期六\13點近似估算:Uo=1.1~1.2U2。(b)流過二極管瞬時電流很大。整流管導(dǎo)電時間越短iD的峰值電流越大(3)電容濾波電路的特點(a)輸出電壓Uo與放電時間常數(shù)RLC有關(guān)；當前第60頁\共有74頁\編于星期六\13點結(jié)論：電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負載電流較小且負載變動不大的場合。(c)輸出特性(外特性)uo電容濾波純電阻負載1.4U20.9U20IL當前第61頁\共有74頁\編于星期六\13點2、電感濾波電感濾波電路u2u1RLLuo當前第62頁\共有74頁\編于星期六\13點T+_UIUO比較放大基準取樣URFUO+_C2RL調(diào)整元件+–+–三、穩(wěn)壓電路串聯(lián)型線性直流穩(wěn)壓電路當前第63頁\共有74頁\編于星期六\13點串聯(lián)型線性直流穩(wěn)壓電路+-+AR1UBR2

IO穩(wěn)定的UOR3+UREFUI(不穩(wěn)定的直流電壓)UO1誤差放大器負載UOUF基準電壓源UREFUI+-CEBT+-+-采樣電路當前第64頁\共有74頁\編于星期六\13點一種實際的串聯(lián)式穩(wěn)壓電路UoUB2UBE2(=UB2-UZ）UC2Uo當UI

增加使Uo升高時UCE1R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2當前第65頁\共有74頁\編于星期六\13點輸出電壓的確定和調(diào)節(jié)范圍R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2當前第66頁\共有74頁\編于星期六\13點

選用差動放大器或運放構(gòu)成的放大器代替T2管構(gòu)成的放大器，可以解決零點漂移的問題。UoUFUID(=UREF-UF）UBUoUCEI