功率放大電路的一般問題重點課件

5.1功率放大電路的一般問題

5.2乙類互補對稱功放的組成原理

5.3甲乙類互補對稱功率放大電路

第五章功率放大電路

5.1功率放大電路的一般問題第五章功率放大電路15.1功率放大電路的一般問題1．功率放大電路的定義

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(qū)動負載，帶負載能力要強。2．功率放大電路與電壓放大電路的區(qū)別

(1).本質(zhì)相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，在負載上都同時存在輸出電壓、電流和功率，從能量控制的觀點來看，放大電路實質(zhì)上都是能量轉(zhuǎn)換電路。因此，功率放大電路和電壓放大電路沒有本質(zhì)的區(qū)別。稱呼上的區(qū)別只不過是強調(diào)的輸出量不同而已。5.1功率放大電路的一般問題1．功率放大電路的定義25.1功率放大電路的一般問題(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?。在大信號狀態(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).研究方法不同電壓放大電路：圖解法、等效電路法功率放大電路：圖解法3.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，因此管子往往在接近極限運用狀態(tài)下工作。

所謂效率就是負載得到的有用信號功率和電源供給的直流功率的比值。它代表了電路將電源直流能量轉(zhuǎn)換為輸出交流能量的能力.功率放大電路是在大信號下工作，所以不可避免地會產(chǎn)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。

在功率放大電路中，有相當大的功率消耗在管子的集電結上，使結溫和管殼溫度升高。為了充分利用允許的管耗而使管子輸出足夠大的功率，放大器件的散熱就成為一個重要問題。5.1功率放大電路的一般問題(2).任務不同(3).35.1功率放大電路的一般問題4．放大電路的工作狀態(tài)分類（1）甲類放大在輸入正弦信號的一個周期內(nèi)三極管都導通，都有電流流過三極管。這種工作方式稱為甲類放大?；蚍QA類放大。此時整個周期都有，功率管的導電角θ=2π。（2）乙類放大（B類放大）在輸入正弦信號的一個周期內(nèi)，只有半個周期三極管導通。稱為乙類放大。如圖2所示，此時功率管的導電角θ=π。5.1功率放大電路的一般問題4．放大電路的工作狀態(tài)分類45.1功率放大電路的一般問題4．放大電路的工作狀態(tài)分類（3）甲乙類放大（AB類放大）在輸入正弦信號的一個周期內(nèi)，有半個周期以上三極管是導通的。稱為甲乙類放大。如圖所示，此時功率管的導電角θ滿足：π<θ<2π。（4）丙類放大（c類放大）功率管的導電角小于半個周期，即0<θ<π5.1功率放大電路的一般問題4．放大電路的工作狀態(tài)分類55.1功率放大電路的一般問題5．提高效率的主要途徑（1）效率η是負載得到的有用信號功率（即輸出功率Po）和電源供給的直流功率（PV）的比值。要提高效率，就應消耗在晶體管上的功率PT,將電源供給的功率大部分轉(zhuǎn)化為有用的信號輸出功率。（3）

提高效率的主要途徑是減小靜態(tài)電流從而減少管耗。（2）

在甲類放大電路中，為使信號不失真，需設置合適的靜態(tài)工作點，保證在輸入正弦信號的一個周期內(nèi)，都有電流流過三極管。當有信號輸入時，電源供給的功率一部分轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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%。靜態(tài)電流是造成管耗的主要因素，因此如果把靜態(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（或很小），信號增大時電源供給的功率也隨之增大，這樣電源供給功率及管耗都隨著輸出功率的大小而變，也就改變了甲類放大時效率低的狀況。實現(xiàn)上述設想的電路有乙類和甲乙類放大。乙類和甲乙類放大主要用于功率放大電路中。雖然減小了靜態(tài)功耗，提高了效率，但都出現(xiàn)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。5.1功率放大電路的一般問題5．提高效率的主要途徑（65.2乙類互補對稱功放的組成原理1．乙類互補對稱電路（1）電路組成:（2）工作原理:(a)乙類放大電路:由于該電路無基極偏置，所以vBE1=vBE2=vi。當vi=0時，T1、T2均處于截止狀態(tài)，所以該電路為乙類放大電路。(b)互補電路:考慮到BJT發(fā)射結處于正向偏置時才導電，因此當信號處于正半周時，vBE1=vBE2>0，則T2截止，T1承擔放大任務，有電流通過負載RL；(c)互補對稱(OCL)電路:為了使負載上得到的波形正、負半周大小相同，還要求兩個管子的特性必須完全一致，即工作性能對稱。所以圖1所示電路通常稱為乙類互補對稱電路。該電路是由兩個射極輸出器組成的。圖中,T1和T2分別為NPN型管和PNP型管，兩管的基極和發(fā)射極相互連接在一起，信號從基極輸入，從射極輸出，RL為負載5.2乙類互補對稱功放的組成原理1．乙類互補對稱電路（75.2乙類互補對稱功放的組成原理2.乙類互補對稱功放的圖解分析（功率放大電路的分析任務是求解最大輸出功率、效率及三極管的工作參數(shù)等。分析的關鍵是vo的變化范圍。在分析方法上，通常采用圖解法，這是因為BJT處于大信號下工作.下圖表示在vi為正半周時T1的工作情況。圖中假定，只要vBE1=vi>0，T1就開始導電，則在一周期內(nèi)T1導電時間約為半周期。隨著vi的增大，工作點沿著負載線上移，則io=iC1增大，vo也增大，當工作點上移到圖中A點時，vCE1=VCES，已到輸出特性的飽和區(qū)，此時輸出電壓達到最大不失真幅值Vomax。Vomax（a）T1管的工作情況vo根據(jù)上述圖解分析，可得輸出電壓的幅值為Vom=IomRL=VCC-VCE1其最大值為Vommax=VCC-VCES。T2管的工作情況和T1相似，只是在信號的負半周導電。兩管的工作情況：為了便于分析兩管的工作情況，將T2的特性曲線倒置在T1的右下方，并令二者在Q點，即vCE=VCC處重合，形成T1和T2的所謂合成曲線，如圖3(b)所示。這時負載線通過VCC點形成一條斜線，其斜率為-1/RL。顯然，允許的io的最大變化范圍為2Iom，vo的變化范圍為2Vom=2IomRL=2（VCC-VCES）。若忽略管子的飽和壓降VCES，則Vommax≈2VCC。根據(jù)以上分析，不難求出工作在乙類的互補對稱電路的輸出功率、管耗、直流電源供給的功率和效率。

5.2乙類互補對稱功放的組成原理2.乙類互補對稱功放的85.2乙類互補對稱功放的組成原理4．乙類互補對稱功放的管耗考慮到T1和T2在一個信號周期內(nèi)各導電約180°，且通過兩管的電流和兩管兩端的電壓vCE在數(shù)值上都分別相等（只是在時間上錯開了半個周期）。因此，為求出總管耗，只需先求出單管的損耗就行了。設輸出電壓為vo=Vomsinwt，則T1的管耗為

而兩管的管耗為5.2乙類互補對稱功放的組成原理4．乙類互補對稱功放的管95.2乙類互補對稱功放的組成原理5．乙類互補對稱功放的效率效率就是負載得到的有用信號功率和電源供給的直流功率的比值。為了計算效率，必須先分析直流電源供給的功率PV，它包括負載得到的信號功率和T1、T2消耗的功率兩部分，即當輸出電壓幅值達到最大，即Vom=VCC時，則得電源供給的最大功率為所以，一般情況下效率為當VomVCC時，則5.2乙類互補對稱功放的組成原理5．乙類互補對稱功放的效105.2乙類互補對稱功放的組成原理6最大管耗與最大輸出功率的關系工作在乙類的基本互補對稱電路，在靜態(tài)時，管子幾乎不取電流，管耗接近于零，因此，當輸入信號較小時，輸出功率較小，管耗也小，這是容易理解的；但能否認為，當輸入信號愈大，輸出功率也愈大，管耗就愈大呢？答案是否定的。那么，最大管耗發(fā)生在什么情況下呢？由管耗表達式可知管耗PT1是輸出電壓幅值Vom的函數(shù)，因此，可以用求極值的方法來求解。有:

令故Vom=2VCC/p?0.6VCC此時最大管耗為5.2乙類互補對稱功放的組成原理6最大管耗與最大輸出功率115.2乙類互補對稱功放的組成原理6最大管耗與最大輸出功率的關系

為了便于選擇功放管，常將最大管耗與功放電路的最大輸出功率聯(lián)系起來。由最大輸出功率表達式上式常用來作為乙類互補對稱電路選擇管子的依據(jù)，它說明，如果要求輸出功率為10W，則只要用兩個額定管耗大于2W的管子就可以了。當然，在實際選管子時，還應留有充分的安全余量，因為上面的計算是在理想情況下進行的?？傻妹抗艿淖畲蠊芎暮妥畲筝敵龉β手g具有如下的關系為了加深印象，可以通過Po、PT1和PV與Vom/VCC的關系曲線（如圖1所示）觀察它們的變化規(guī)律。圖中用Vom/VCC表示的自變量作為橫坐標，縱坐標分別用相對值表示。5.2乙類互補對稱功放的組成原理6最大管耗與最大輸出功率125.2乙類互補對稱功放的組成原理7．功率BJT的選擇在功率放大電路中，為了輸出較大的信號功率，管子承受的電壓要高，通過的電流要大，功率管損壞的可能性也就比較大，所以功率管的參數(shù)選擇不容忽視。選擇時一般應考慮BJT的三個極限參數(shù)，即集電極最大允許功率損耗PCM，集電極最大允許電流ICM和集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓V(BR)CEO。由前面知識點的分析可知，若想得到最大輸出功率，又要使功率BJT安全工作，BJT的參數(shù)必須滿足下列條件：（（1）

每只BJT的最大管耗PT1max≧0.2Pomax（（2）

通過BJT的最大集電極電流為Icm≧Voc/RL（（3）

考慮到當T2導通時，-vCE2=VCES≈0，此時vCE1具有最大值，且等于2VCC，因此，應選用反向擊穿電壓|V(BR)CEO|>2VCC的管子。注意，在實際選擇管子時，其極限參數(shù)還要留有充分的余地。5.2乙類互補對稱功放的組成原理7．功率BJT的選擇135.3甲乙類互補對稱功率放大電路

1．乙類互補對稱功率放大電路的交越失真理想情況下，乙類互補對稱電路的輸出沒有失真。實際的乙類互補對稱電路（圖），由于沒有直流偏置，只有當當輸入信號vi大于管子的門坎電壓（NPN硅管約為0.6V，PNP鍺管約為0.2V）時，管子才能導通。當輸入信號vi低于這個數(shù)值時，T1和T2都截止，ic1和ic2基本為零，負載RL上無電流通過，出現(xiàn)一段死區(qū)，如圖所示。這種現(xiàn)象稱為交越失真。5.3甲乙類互補對稱功率放大電路1．乙類互補對稱功率放145.3甲乙類互補對稱功率放大電路

2．甲乙類雙電源互補對稱電路2.1基本電路為了克服乙類互補對稱電路的交越失真，需要給電路設置偏置，使之工作在甲乙類狀態(tài)。如圖所示。圖中：T3組成前置放大級（注意，圖中未畫出T3的偏置電路），給功放級提供足夠的偏置電流。T1和T2組成互補對稱輸出級。靜態(tài)時，在D1、D2上產(chǎn)生的壓降為T1、T2提供了一個適當?shù)钠珘?，使之處于微導通狀態(tài)，工作在甲乙類。這樣，即使vi很?。―1和D2的交流電阻也小），基本上可線性地進行放大。上述偏置方法的缺點：偏置電壓不易調(diào)整，改進方法可采用VBE擴展電路。2.2VBE擴展電路VBE擴展電路如圖所示圖中，流入T4的極電流遠小于流過R1、R2的電流，則由圖可求出E4=VBE4（R1+R2）/R2由于VBE4基本為一固定值（硅管約為0.6~0.7V），只要適當調(diào)節(jié)R1、R2的比值，就可改變T1、T2的偏壓VCE4值。Vce4就是T1、T2的偏置電壓這種電路稱為VBE擴展電路5.3甲乙類互補對稱功率放大電路2．甲乙類雙電源互補對155.3甲乙類互補對稱功率放大電路

3．甲乙類單電源互補對稱電路3.1電路組成

甲乙類單電源互補對稱電路如圖所示。

T3組成前置放大級，T2和T1組成互補對稱電路輸出級3.2工作原理在vi=0時，調(diào)節(jié)R1、R2，就可使IC3、VB2和VB1達到所需大小，給T2和T1提供一個合適的偏置，從而使K點電位VK=VC=VCC/2。vi≠0時，在信號的負半周，T1導電，有電流通過負載RL，同時向C充電；在信號的正半周，T2導電，則已充電的電容C起著雙電源互補對稱電路中電源-VCC的作用，通過負載RL放電。只要選擇時間常數(shù)RLC足夠大（比信號的最長周期還大得多），就可以認為用電容C和一個電源VCC可代替原來的+VCC和-VCC兩個電源的作用。5.3甲乙類互補對稱功率放大電路3．甲乙類單電源互補對稱165.3甲乙類互補對稱功率放大電路

3．甲乙類單電源互補對稱電路3.1電路組成T3組成前置放大級，T2和T1組成互補對稱電路輸出級。

3.2工作原理在vi=0時，調(diào)節(jié)R1、R2，就可使IC3、VB2和VB1達到所需大小，給T2和T1提供一個合適的偏置，從而使K點電位VK=VC=VCC/2。vi≠0時，在信號的負半周，T1導電，有電流通過負載RL，同時向C充電；在信號的正半周，T2導電，則已充電的電容C起著雙電源互補對稱電路中電源-VCC的作用，通過負載RL放電。只要選擇時間常數(shù)RLC足夠大（比信號的最長周期還大得多），就可以認為用電容C和一個電源VCC可代替原來的+VCC和-VCC兩個電源的作用。5.3甲乙類互補對稱功率放大電路3．甲乙類單電源互補對175.3甲乙類互補對稱功率放大電路

3．甲乙類單電源互補對稱電路3.3分析計算：采用一個電源的互補對稱電路，由于每個管子的工作電壓不是原來的VCC，而是VCC/2，即輸出電壓幅值Vom最大也只能達到約VCC/2，所以前面導出的計算Po、PT、和PV的最大值公式，必須加以修正才能使用。修正的方法也很簡單，只要以Vcc/2代替原來的公式中的VCC即可。4.1單電源互補對稱電路存在的問題單電源互補對稱電路解決了工作點的偏置和穩(wěn)定問題。4．自舉電路但輸出電壓幅值達不到Vom=VCC/2?，F(xiàn)分析如下：（1）理想情況當vi為負半周最大值時，iC3最小，vB1接近于+VCC，此時希望T1在接近飽和狀態(tài)工作，即vCE1=VCES，故K點電位vK=+VCC-VCES≈VCC。當vi為正半周最大值時，T1截止，T2接近飽和導電，vK=VCES≈0。因此，負載RL兩端得到的交流輸出電壓幅值Vom=VCC/2。（2）實際情況當vi為負半周時，T1導電，因而iB1增加，由于Rc3上的壓降和vBE1的存在，當K點電位向+VCC接近時，T1的基流將受限制而不能增加很多，因而也就限制了T1輸向負載的電流，使RL兩端得不到足夠的電壓變化量，致使Vom明顯小于VCC/2。5.3甲乙類互補對稱功率放大電路3．甲乙類單電源互補對185.3甲乙類互補對稱功率放大電路

4.2自舉電路（1）電路解決上述矛盾方法是如果把圖1中D點電位升高，使VD>+VCC，例如將圖中D點與+VCC的連線切斷，VD由另一電源供給，則問題即可以得到解決。通常的辦法是在電路中引入R3、C3等元件組成的所謂自舉電路，