第九章 功率放大電路

第九章功率放大電路第一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四§9.1概述9.1.1、功率放大電路的特點9.1.2、功率放大電路的組成第二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四能夠向負載提供足夠信號功率的放大電路稱為功率放大電路，簡稱功放。與小信號放大電路區(qū)別：功放既不是單純追求輸出高電壓，也不是單純追求輸出大電流，而是追求在電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的功率。功放電路的要求：Pomax

大，三極管極限工作=Pomax/PV要高失真要小第三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四9.1.1功率放大電路的特點一、主要技術(shù)指標1.最大輸出功率Pom功率放大電路提供給負載的信號功率稱為輸出功率。是交流功率，表達式為Po＝IoUo。最大輸出功率是在電路參數(shù)確定的情況下，負載上可能獲得的最大交流功率2.轉(zhuǎn)換效率功率放大電路的最大輸出功率與電源提供的直流功率之比。直流功率等于電源輸出電流平均值及電壓之積。第四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四二、功率放大電路中的晶體管在功率放大電路中，為使輸出功率盡可能大，要求晶體管工作在極限應(yīng)用狀態(tài)。選擇功放管時，要注意極限參數(shù)的選擇，還要注意其散熱條件，使用時必須安裝合適的散熱片和各種保護措施。晶體管集電極電流最大時接近ICM晶體管管壓降最大時接近U（BR）CEO晶體管耗散功率最大時接近PCM三、功率放大電路的分析方法因大信號作用，故應(yīng)采用圖解法。c-e反向擊穿電壓第五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四四、放大電路常用的三種工作狀態(tài)tuCEiCiCIB=0Q003)乙類工作狀態(tài)2)甲乙類工作狀態(tài)1)甲類工作狀態(tài)tuCEiCiCQ00IB=0tuCEiCiCQ00IB=0第六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四tiCO

IcM2ICQtiCO

IcM2ICQtiCO

IcMICQ2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)

(

<<2)失真大，靜態(tài)電流小，管耗小，效率較高。甲類工作狀態(tài)(=2)失真小，靜態(tài)電流大，管耗大，效率低。第七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四乙類工作狀態(tài)失真大，靜態(tài)電流為零，管耗小，效率高。QuCE

iCO

tiCO

QQ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。第八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四9.1.2功率放大電路的組成一、為什么共射放大電路不宜用作功率放大電路圖9.1.1(a)共射放大電路圖9.1.1輸出功率和效率的圖解分析直流電源提供的直流功率為ICQVCC即圖中矩形ABCO的面積。集電極電阻RC的功率損耗為ICQURC

即圖中矩形QBCD的面積。晶體管集電極耗散功率為ICQUCEQ即圖中矩形AQDO的面積。1.無輸入信號作用時第九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四圖9.1.1輸出功率和效率的圖解分析2.在輸入信號為正弦波時，若集電極電流也為正弦波直流電源提供的直流功率不變負載電阻RL上所獲得的功率PO僅為P/Om的一部分。R/L(=RC//RL)上獲得的最大交流功率P/Om為即圖中三角形QDE的面積共射放大電路輸出功率小，效率低（25℅），不宜作功放。第十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四二、變壓器耦合功率放大電路傳統(tǒng)的功放為變壓器耦合式電路電源提供的功率為PV＝ICQVCC，全部消耗在管子上。則可作出交流負載線RL等效到原邊的電阻為變壓器原邊線圈電阻可忽略不計，直流負載線垂直于橫軸且過(VCC，0)。第十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四在理想變壓器的情況下，最大輸出功率為即三角形QAB的面積在輸入信號為正弦波時，若集電極電流也為正弦波直流電源提供的功率不變電路的最大效率為:Pom/PV=50℅第十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四實用的變壓器功率放大電路希望輸入信號為零時，電源不提供功率，輸入信號愈大，負載獲得的功率也愈大，電源提供的功率也隨之增大，從而提高效率。變壓器耦合乙類推挽功率放大電路圖9.13(a)變壓器耦合乙類推挽功率放大電路同類型管子在電路中交替導(dǎo)通的方式稱為“推挽”工作方式。無輸入信號，二管截止有輸入信號，二管交替導(dǎo)通第十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四乙類推挽電路信號的正半周T1導(dǎo)通、T2截止；負半周T2導(dǎo)通、T1截止。

兩只管子交替工作，稱為“推挽”。設(shè)β為常量，則負載上可獲得正弦波。輸入信號越大，電源提供的功率也越大。第十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四三、無輸出變壓器的功率電路OutputTransformerless（OTL電路）用一個大容量電容取代了變壓器(電容：幾百~幾千微法的電解電容器）圖9.1.4OTL電路靜態(tài)時：前級電路應(yīng)使基極電位為VCC/2，發(fā)射結(jié)電位為VCC/2，故電容上的電壓也VCC/2。單電源供電。T1和T2特性對稱工作時：T1和T2輪流導(dǎo)通，電路為射極跟隨狀態(tài)。OTL工作在乙類工作狀態(tài)，會出現(xiàn)交越失真。如何消除？動畫avi\17-4.avi第十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四2.

OTL

電路

輸入電壓的正半周：＋VCC→T1→C→RL→地

C充電。輸入電壓的負半周：C的“＋”→T2→地→RL→C“－”C放電。C足夠大，才能認為其對交流信號相當(dāng)于短路。OTL電路低頻特性差。因變壓器耦合功放笨重、自身損耗大，故選用OTL電路。第十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四四、無輸出電容的功率放大電路OutputCapacitorless（OCL電路）雙電源供電,T1和T2特性對稱圖9.1.5OCL電路靜態(tài)時:T1和T2均截止，輸出電壓為零。工作時:T1和T2交替工作，正、負電源交替供電，輸出與輸入之間雙向跟隨。不同類型的二只晶體管交替工作，且均組成射極輸出形式的電路稱為“互補”電路；二只管子的這種交替工作方式稱為“互補”工作方式。第十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四3.

OCL電路輸入電壓的正半周：＋VCC→T1→RL→地輸入電壓的負半周：

地→RL→T2→－VCC兩只管子交替導(dǎo)通，兩路電源交替供電，雙向跟隨。靜態(tài)時，UEQ＝UBQ＝0。第十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四五、橋式推挽功率放大電路

BalancedTransformerless（BTL電路）圖9.1.6BTL電路單電源供電，四只管子特性對稱靜態(tài)時，四只晶體管均截止，輸出電壓為零。當(dāng)ui>0時，T1和T4導(dǎo)通，T2和T3截止，負載上獲得正半周電壓；當(dāng)ui<0時，T2和T3導(dǎo)通，T1和T4截止，負載上獲得負半周電壓。因而負載上獲得交流功率工作時，第十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四4.

BTL電路

輸入電壓的正半周：＋VCC→T1→

RL→T4→地輸入電壓的負半周：＋VCC→T2→

RL→T3→地①是雙端輸入、雙端輸出形式，輸入信號、負載電阻均無接地點。②管子多，損耗大，使效率低。第二十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四幾種電路的比較

變壓器耦合乙類推挽：單電源供電，笨重，效率低，低頻特性差。OTL電路：單電源供電，低頻特性差。OCL電路：雙電源供電，效率高，低頻特性好。BTL電路：單電源供電，低頻特性好；雙端輸入雙端輸出。第二十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四9.2.1OCL電路的組成及工作原理一、電路組成RLT1T2+VCC+ui+uoVCCui>0T1導(dǎo)通T2截止iC1io=iE1=iC1,uO=iC1RLui<0T2導(dǎo)通T1截止iC1io=iE2=iC2,uO=iC2RLui=0T1、T2截止9.2互補功率放大電路目前使用最廣泛的功放是OTL電路和OCL電路若考慮三極管的開啟電壓，輸出波形將產(chǎn)生交越失真。動畫avi\17-3.avi第二十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四二、消除交越失真的OCL電路的工作原理tiC0ICQ1ICQ2消除交越失真思路：圖9.2.2消除交越失真的OCL電路RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiR3ui=0，給T1、T2提供靜態(tài)電壓UB1、B2＝UD1＋UD2＋UR2UB1、B2略大于T1管發(fā)射結(jié)和T2管發(fā)射結(jié)開啟電壓之和，兩管均處于微導(dǎo)通狀態(tài)，即都有一個微小的基極電流，分別為IB1和IB2。靜態(tài)時應(yīng)調(diào)節(jié)R1，使UE為0,即u0為0。動畫avi\17-2.avi第二十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四當(dāng)ui=0時，T1、T2微導(dǎo)通。當(dāng)ui＞0(至)，T1

微導(dǎo)通充分導(dǎo)通微導(dǎo)通；T2微導(dǎo)通截止微導(dǎo)通。當(dāng)ui＜0(至)，T2

微導(dǎo)通充分導(dǎo)通微導(dǎo)通；

T1微導(dǎo)通截止微導(dǎo)通。當(dāng)輸入信號為正弦交流電時圖9.2.3T1和T2管在ui作用下輸入特性中的圖解分析二管導(dǎo)通的時間都比輸入信號的半個周期更長，功放電路工作在甲乙類狀態(tài)。第二十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四9.2.2OCL電路的輸出功率及效率當(dāng)輸入電壓足夠大，且又不產(chǎn)生飽和失真的圖解分析圖9.2.4OCL電路的圖解分析圖中I區(qū)為T1管的輸出特性，II區(qū)為T2管的輸出特性；二只管子的靜態(tài)電流很小，可認為Q點在橫軸上。Uop=VCC

–

UCES最大輸出電壓幅值最大不失真輸出電壓的有效值動畫avi\17-1.avi第二十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四最大輸出功率電源VCC提供的電流電源在負載獲得最大交流功率時所消耗的平均功率等于其平均電流與電源電壓之積。轉(zhuǎn)換效率理想情況下，UCES可忽略；但大功率管UCES較大，不能忽略第二十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四復(fù)習(xí)：1.功放電路的性能指標：

最大輸出電壓、最大輸出功率和效率

2.功放電路的分類：甲類、乙類、甲乙類、丙類和丁類變壓器耦合、OTL、OCL和BTL3.OCL功放的性能指標：Uop=VCC

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UCES第二十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四9.2.3OCL電路中晶體管的選擇一、最大管壓降UCEmax=2VCC

二、集電極最大電流三、集電極最大功耗如何求PT的最大功率？RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiR3第二十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四晶體管集電極最大功耗僅為最大輸出功率的五分之一。在查閱手冊選擇晶體管時，應(yīng)使極限參數(shù)BUCEO＞2VCC

ICM＞VCC/RL

PCM＞0.2Pom

第二十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四[例9.2.1]在圖9.2.2所示電路中已知VCC＝15V，輸入電壓為正弦波，晶體管的飽和管壓降UCES＝3V，電壓放大倍數(shù)約為1，負載電阻RL＝4歐，（1）求解負載上可能獲得的最大功率和效率（2）若輸入電壓最大有效值為8V，則負載上能夠獲得的最大功率為多少。解（1）（2）因為UO≈Ui，所以UOm≈8V。最大輸出功率RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiR3第三十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四9.4集成功率放大電路OTL、OCL和BTL電路均有各種不同電壓增益多種型號的集成電路。只需外接少量元件，就可成為實用電路。9.4.1集成功率放大電路分析LM386是一種音頻集成功放，具有功耗小，電壓增益可調(diào)節(jié)，電源電壓范圍大，外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于錄音機和收音機之中。掌握集成功放的電路組成，工作原理、主要性能指標和典型運用。第三十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四一、LM386內(nèi)部電路圖9.4.1LM386內(nèi)部電路原理圖第一級差分放大電路（雙入單出）第二級共射放大電路（恒流源作有源負載）第三級OTL功放電路輸出端應(yīng)外接輸出電容后再接負載。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)負反饋。第三十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四二、LM386的電壓放大倍數(shù)1.當(dāng)引腳1和8之間開路時Uf=UR5+UR6≈Ui/22.當(dāng)引腳1和8之間外接電阻R時第三十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四3.當(dāng)引腳1和8之間對交流信號相當(dāng)于短路時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9.4.2集成功率放大電路的主要性能指標（略）第三十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四9.4.3集成功率放大電路的應(yīng)用一、集成OTL電路的應(yīng)用1.LM386外接元件最少的用法靜態(tài)時輸出電容上電壓為VCC/2最大不失真輸出電壓的峰－峰值為電源電壓VCC

最大輸出功率為輸入電壓有效值第三十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四2.LM386電壓增益最大的用法3.LM386的一般用法圖9.4.4LM386電壓增益最大的用法圖9.4.5LM386的一般用法引腳1和引腳8接10uF電解電容器，1和8之間交流短路。引腳1和引腳5接電阻，也可改變電壓放大倍數(shù)。第三十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四二、集成OCL電路的應(yīng)用TDA1521的基本接法TDA1521為2通道OCL電路，可作為立體聲擴音機左、右兩個聲道的功放。最大輸出功率Pom＝12W最大不失真輸出電壓Uom＝9.8V第三十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四三、集成BTL電路的應(yīng)用TDA1556為2通道BTL電路?？勺鳛榱Ⅲw聲擴音機左，右兩個聲道的功放。TDA1556的基本接法第三十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四§9.2互補輸出級的分析計算一、輸出功率二、效率三、晶體管的極限參數(shù)第三十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四然后求出電源的平均功率，效率在已知RL的情況下，先求出Uom，則求解輸出功率和效率的方法第四十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期四一、