功率放大電路課件

第8章功率放大電路

在多級(jí)放大電路中，輸出的信號(hào)往往是送去驅(qū)動(dòng)一定的裝置。如，收音機(jī)的揚(yáng)聲器線圈、電動(dòng)機(jī)的控制線圈等。多級(jí)放大電路除了應(yīng)有電壓放大外，還要求有一個(gè)能輸出一定信號(hào)功率的輸出級(jí)。

主要向負(fù)載提供一定大小的功率為目的的放大電路稱為功率放大電路。例：擴(kuò)音系統(tǒng)實(shí)際負(fù)載功率放大電壓放大信號(hào)提取§8.1功率放大電路的一般問題§8.2射極輸出器－甲類放大的實(shí)例§8.3乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路§8.4甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路§8.5集成功率放大電路18.1功率放大電路的一般問題1.功放電路與普通放大電路的比較都是能量轉(zhuǎn)換電路，把直流能量轉(zhuǎn)換為信號(hào)能量。(1)共同點(diǎn)：(2)不同點(diǎn)：

普通放大電路：要求負(fù)載得到不失真電壓信號(hào)，不要求輸出功率；電路工作在小信號(hào)狀態(tài)，研究的問題是電壓放大倍數(shù)、輸入和輸出電阻、帶寬等。功率放大電路：要求負(fù)載得到一定的不失真或失真較小的輸出功率；電路工作在大信號(hào)狀態(tài)，研究的問題是提高輸出功率和效率。分析方法不同：

電壓放大電路可用微變等效電路法和圖解法分析而功率放大電路只能用圖解法。22.功放電路研究的主要問題要求輸出功率盡可能大;即要求輸出電流和電壓都大，管子運(yùn)行在極限狀態(tài)。8.1功率放大電路的一般問題

效率是指負(fù)載得到的有用信號(hào)功率與電源供給的直流功率之比，比值越大效率越高。電路效率要高：■非線性失真盡可能小：

功率與失真是一對(duì)矛盾，一般輸出功率越大失真越嚴(yán)重。半導(dǎo)體的散熱問題：

功放電路中很大一部分功率被集電結(jié)消耗掉，使結(jié)溫上升，為充分利用允許的管耗輸出足夠大的功率，散熱非常重要。功放管的保護(hù)問題：

為輸出足夠大的功率，管子承受的電壓很高，通過的電流很大，管子較容易損壞。38.1功率放大電路的一般問題３.功率放大電路的類型

功率放大電路按其靜態(tài)工作點(diǎn)在負(fù)載線上所處位置不同，或按輸入正弦信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)功放管的導(dǎo)通角來分，可分為甲類、乙類和甲乙類等類型.(1)甲類：

輸入正弦信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)功放管均導(dǎo)通，或靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在直流負(fù)載線的中間部分，功放管的導(dǎo)通角為２π;失真小，但效率低。uotuoibuceQIcUSC/REUSC48.1功率放大電路的一般問題３.功率放大電路的類型(2)乙類：

輸入正弦信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)功放管僅導(dǎo)通半個(gè)周期，或靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在截止區(qū)的邊緣，功放管導(dǎo)通角為π;效率高，但嚴(yán)重失真。iCQvCEωtib58.1功率放大電路的一般問題３.功率放大電路的類型(3)甲乙類：

輸入正弦信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)功放管導(dǎo)通半個(gè)多周期，靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)但靠近截止區(qū)，導(dǎo)通角為π～２π

。效率高，可以消除交越失真。iCib

動(dòng)畫6射極輸出器的特點(diǎn)：1.電壓放大倍數(shù)接近1但永遠(yuǎn)小于1;2.輸入電阻高，適合做多級(jí)放大電路的輸入級(jí);3.輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，適合做多級(jí)放大電路的輸出級(jí);8.2射極輸出器—甲類功率放大電路實(shí)例7vCEiBiCiEVCC+_viRLReC2vsRbv0+_2.射極輸出器作功放電路的原理圖1.射極輸出器的結(jié)構(gòu)8.2射極輸出器—甲類功率放大電路實(shí)例T：工作在放大狀態(tài)VBE=0.6Vvi：為正弦信號(hào)，幅度比較大v0：為輸出信號(hào)，v0=vi-0.6i0iBIASviRL+VCC-VEETRB＋-voVOm+=VCC-0.288.3乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路8.3.1.電路組成T1和T2分別為NPN管和PNP管構(gòu)成互補(bǔ)對(duì)稱電路。靜態(tài)時(shí)兩個(gè)管子均不取電流,有信號(hào)時(shí)兩個(gè)管子輪流導(dǎo)電,各向負(fù)載提供半個(gè)周期的輸出波形，從而形成一種推拉式輸出結(jié)構(gòu)。+UCC和-UCC為兩個(gè)電源T1和T2兩個(gè)射極輸出器組成的基本互補(bǔ)對(duì)稱電路T2vi的正半周vi的負(fù)半周98.3.2

工作原理(設(shè)ui為正弦波)1.靜態(tài)分析ui=0v→ic1、ic2均為0（乙類工作狀態(tài)）→uo=0v

ic1ic2ui-USCT1T2uo+USCRLiL+

－

2.動(dòng)態(tài)分析ic1ic2當(dāng)ui

0V時(shí)T1截止，T2導(dǎo)通當(dāng)ui>0V時(shí)T1導(dǎo)通，T2截止iL=ic1

;iL=ic2兩管交替工作得到完整的正弦波

動(dòng)畫8.3乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路10(1)靜態(tài)電流

ICQ、IBQ等于零；(2)每管導(dǎo)通時(shí)間為半個(gè)周期；(3)存在交越失真。特點(diǎn)：交越失真：在乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放電路中，在兩功放管輪流導(dǎo)通的交接班期間出現(xiàn)的非線性失真。ic1ic2ui-USCT1T2uo+USCRLiL+

－

交越失真

動(dòng)畫8.3.2

工作原理(設(shè)ui為正弦波)8.3乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路產(chǎn)生交越失真的原因：三極管存在著死區(qū)電壓。118.3.2分析計(jì)算ic的變化范圍：±Icm，vCE的變化范圍：±(VCC-VCES)若忽略管子的飽和壓降VCES，則Vcem=IcmRL≈VCC8.3乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路128.3.2分析計(jì)算8.3乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路1.輸出功率當(dāng)輸入信號(hào)足夠大時(shí):獲得最大輸出功率：功率三角形：13若圖T9.1所示電路中晶體管飽和管壓降的數(shù)值為│UCES│，則最大輸出功率POM＝

。8.3.2分析計(jì)算8.3乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路1.輸出功率14設(shè)輸出電壓為：v0=Vomsinωt兩只管子平均管耗：P=2PT1=2PT2VVviv02.每只管子平均管耗8.3.2分析計(jì)算8.3乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路153.每只管子的最大管耗8.3.2分析計(jì)算8.3乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路164.直流電源供給的功率8.3.2分析計(jì)算8.3乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路當(dāng)輸出電壓幅度達(dá)到最大，即Vom≈VCC

時(shí)，則得電源供給的最大功率為：175.效率8.3.2分析計(jì)算8.3乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路當(dāng)Vom≈VCC

時(shí)，則效率最高：188.3.2分析計(jì)算8.3乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路例:(北方交通大學(xué)2000年研究生入學(xué)試題)若要設(shè)計(jì)一個(gè)輸出功率為10W的乙類功率放大器，則應(yīng)選擇PCM至少為___W的功率管兩只管子。解：乙類功率放大器最大管耗與電路的最大輸出功率的關(guān)系是PT1m=0.2Po,要求輸出功率為10W,要用兩個(gè)額定管耗大于2W的管子。198.3.2分析計(jì)算8.3乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路例.如圖，設(shè)BJT的β＝100，VBE=0.7V，VCES=0.5V，ICEO=0，電容C對(duì)交流視為短路。輸入信號(hào)vi為正弦波。(1)計(jì)算電路可能達(dá)到的最大不失真輸出功率Pom；(2)此時(shí)Rb應(yīng)調(diào)節(jié)到什么數(shù)值？(3)此時(shí)電路的效率η＝？試與工作在乙類的互補(bǔ)對(duì)稱電路比較。解.(1)TRbRL12Vvi8ΩCv0v0(t)=V0+Vmsinωt，V0為直流分量，Vm為交流振幅故.V0+Vm<VCC，V0-Vm>VCES故.2Vm<VCC-VCES于是Vm的最大值：Vm＝VCC-VCES2于是Vm的有效值：最大不失真功率：208.3.2分析計(jì)算8.3乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路例.如圖，設(shè)BJT的β＝100，VBE=0.7V，VCES=0.5V，ICEO=0，電容C對(duì)交流視為短路。輸入信號(hào)vi為正弦波。(1)計(jì)算電路可能達(dá)到的最大不失真輸出功率Pom；(2)此時(shí)Rb應(yīng)調(diào)節(jié)到什么數(shù)值？(3)此時(shí)電路的效率η＝？試與工作在乙類的互補(bǔ)對(duì)稱電路比較。解.(2)TRbRL12Vvi8ΩCv0此時(shí)臨近T飽和218.3.2分析計(jì)算8.3乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路例.如圖，設(shè)BJT的β＝100，VBE=0.7V，VCES=0.5V，ICEO=0，電容C對(duì)交流視為短路。輸入信號(hào)vi為正弦波。(1)計(jì)算電路可能達(dá)到的最大不失真輸出功率Pom；(2)此時(shí)Rb應(yīng)調(diào)節(jié)到什么數(shù)值？(3)此時(shí)電路的效率η＝？試與工作在乙類的互補(bǔ)對(duì)稱電路比較。解.(3)TRbRL12Vvi8ΩCv0遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于乙類功率放大的78.5％228.3.2分析計(jì)算8.3乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路例.如圖，已知VCC=12V，RL=16Ω，vi為正弦波，(1)在BJT的飽和壓降可以忽略不計(jì)的情況下，負(fù)載上可能得到的最大輸出功率Pom，(2)每只管子允許的管耗PCM至少應(yīng)為多少？(3)每個(gè)管子的耐壓應(yīng)為多大？T1RL+VCCvi+v0-VCCT2解.(1)因.Vom=VCC.(2)每只管子允許的管耗PCM至少應(yīng)為多少(3)每個(gè)管子的耐壓應(yīng)為多大？231.功率管集電極的最大允許功耗8.3.3

功率BJT的選擇

如果要求輸出功率為10W，則只要用兩個(gè)額定管耗大于2W的管子就可以了。8.3乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路2.功率管的最大耐壓3.功率管的最大集電極電流24ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL8.3.3

功率BJT的選擇8.3乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路例.如圖,設(shè)VCC=12V,RL=8Ω，BJT的極限ICM=2A，V(BR)CEO=30VPCM=5W，(1)求POm指出BJT是否安全。(2)η=0.6時(shí)的PO。解.1）POmBJT是否安全要看實(shí)際iCM和vCEM是否超過極限參數(shù)BJT是安全的25ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL8.3.3

功率BJT的選擇8.3乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路例.如圖,設(shè)VCC=12V,RL=8Ω，BJT的極限ICM=2A，V(BR)CEO=30VPCM=5W，(1)求POm指出BJT是否安全。(2)η=0.6時(shí)的PO。解.2）根據(jù)268.4甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路

為了克服乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放電路中出現(xiàn)的交越失真，需要給兩只功放管一個(gè)靜態(tài)偏置小電流，使兩只功放管靜態(tài)時(shí)處于微導(dǎo)通狀態(tài)，其靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)但靠近截止區(qū)。8.4.1甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路電路一利用二極管提供偏置電壓T3：前置電壓放大級(jí),預(yù)功放級(jí)靜態(tài)時(shí)，在D1、D2上產(chǎn)生的壓降為T1、T2提供一個(gè)合適的偏壓，使之處于微導(dǎo)通狀態(tài)。但因電路對(duì)稱使ic1=ic2，iL=0，v0=027利用三極管恒壓源提供偏置T1：前置電壓放大級(jí),預(yù)功放級(jí)Rc1、R1

、R2、T4組成偏置電路，給T2、T3提供適當(dāng)偏壓，使之靜態(tài)時(shí)工作在微導(dǎo)通狀態(tài)8.4甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路8.4.1甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路電路二288.4甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路8.4.1甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路

例:某互補(bǔ)對(duì)稱電路如圖所示，已知三極管T1、T2的飽和壓降為VCES=1V,VCC=18V,RL=8.

(1)計(jì)算電路的最大不失真輸出功率Pomax；

(2)計(jì)算電路的效率；

(3)求每個(gè)三極管的最大管耗PT；

(4)為保證電路正常工作，所選三極管U(BR)CEO和

CM應(yīng)為多大；iU2RT2DD21R1WRT1RLUoVccAVcc298.4甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路8.4.1甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路

例:某互補(bǔ)對(duì)稱電路如圖所示，已知三極管T1、T2的飽和壓降為VCES=1V,VCC=18V,RL=8.

(1)計(jì)算電路的最大不失真輸出功率Pomax；(2)計(jì)算電路的效率；

iU2RT2DD21R1WRT1RLUoVccAVcc解.308.4甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路8.4.1甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路

例:某互補(bǔ)對(duì)稱電路如圖所示，已知三極管T1、T2的飽和壓降為VCES=1V,VCC=18V,RL=8.

(3)求每個(gè)三極管的最大管耗PT；

(4)為保證電路正常工作，所選三極管U(BR)CEO和

CM應(yīng)為多大；iU2RT2DD21R1WRT1RLUoVccAVcc

(4)當(dāng)一個(gè)管子處于飽和狀態(tài)，另一個(gè)管子c、e間承受的電壓接近2VCC所以，解.318.4.2甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路(OTL)1.電原理圖T1、T2：兩支互補(bǔ)對(duì)稱管；R1、R2、R3、D1、D2：組成偏置電路，靜態(tài)時(shí)使功放管處于微導(dǎo)通狀態(tài)，消除交越失真；為容量較大的電容器：用來作為T2導(dǎo)通時(shí)的電源。C：8.4甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路32靜態(tài)分析i(mA)vCECQ

因電路對(duì)稱，靜態(tài)時(shí)兩個(gè)晶體管發(fā)射極連接點(diǎn)電位為電源電壓的一半，負(fù)載中沒有電流。電容C兩端的電壓:8.4.2甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路(OTL)2.工作原理8.4甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路33動(dòng)態(tài)分析ui>0→T1導(dǎo)通，T2截止→在負(fù)載上有正半周的電流通過。ui<0→T1截止，T2導(dǎo)通→在負(fù)載上有負(fù)半周的電流通過。ic1ic2iB1tiB2IB1IB2iLt8.4.2甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路(OTL)2.工作原理8.4甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路34將雙電源該為單電源后，應(yīng)將VCC改為VCC/2。如：8.4.2甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路(OTL)3.分析計(jì)算8.4甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路358.4.2甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路(OTL)8.4甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路例:(北京郵電大學(xué)1999年研究生入學(xué)試題)OTL互補(bǔ)對(duì)稱功放如圖所示，設(shè)電容C足夠大，三極管的飽和電壓降VCES=1V,RL=8Ω問：

(1)按功放分類，T1,T2的工作方式為那種；

(2)電阻R1和D1、D2的作用；

(3)電位器RW的作用；

(4)負(fù)載RL得到的最大不失真輸出功率Pomax。甲乙類解.(1)(2)為T1、T2管提供靜態(tài)偏置電壓，動(dòng)態(tài)情況下可消除Ui幅度較小時(shí)由于三極管的死區(qū)而引起的交越失真。(3)調(diào)節(jié)電位器使三極管T1、T2的基極B1、B2間有一合適的電流

D和壓降VB1B2,壓降確保T1、T2管在靜態(tài)時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。(4)36

集成功率放大器廣泛用于音響、電視和小電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方面。集成功放是在集成運(yùn)算放大器的電壓互補(bǔ)輸出級(jí)后，加入互補(bǔ)功率輸出級(jí)而構(gòu)成的。大多數(shù)集成功率放大器實(shí)際上也就是一個(gè)具有直接耦合特點(diǎn)的運(yùn)算放大器。它的使用方法原則上與集成運(yùn)算放大器相同。8.5集成功率放大電路378.5.1

功率器件的散熱問題

集成功放使用時(shí)不能超過規(guī)定的極限參數(shù)，極限參數(shù)主要有功耗和最大允許電源電壓。集成功放要加有足夠大的散熱器，保證在額定功耗下溫度不超過允許值。8.5集成功率放大電路1.最高允許結(jié)溫。

2.通常的散熱措施是給功放管加裝散熱片。3.散熱片（板）是銅、鋁等導(dǎo)熱性能良好的金屬材料制成的，尺寸越大散熱能力越強(qiáng)，使用時(shí)可根據(jù)散熱要求的不同來選配。

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為了適用大功率的要求，開發(fā)了一種V形開槽的縱向MOS，稱VMOS；隨后又出現(xiàn)了一種更新的雙擴(kuò)散MOS，稱DMOS。1.VMOSsio2N+型襯底漏極DN-型外延層N+N+PS源極G柵極8.5.2功率VMOSFET和DMOSFET8.5集成功率放大電路392.DMOS漏極D源極S柵極G8.5.2功率VMOSFET和DMOSFET8.5集成功率放大電路402.VMOS和DMOS器件的優(yōu)點(diǎn)(1)與MOS器件一樣是電壓控制電流器件，輸入阻抗極高，因此所需驅(qū)動(dòng)電流極小，功率增益高；(2)VMOS不會(huì)出現(xiàn)熱擊穿，溫度穩(wěn)定性好；(3)高頻特性好；(4)導(dǎo)通電阻rDS?。?.5.2功率VMOSFET和DMOSFET8.5集成功率放大電路418.5.3以MOS功率管作輸出級(jí)的甲乙類功率放大器SHM1150IIBiMOS集成功率放大器v01v02v02v01-v028.5集成功率放大電路42±12V～±50VPOmax＝150W8.5.3以MOS功率管作輸出級(jí)的甲乙類功率放大器SHM1150IIBiMOS集成功率放大器8.5集成功率放大電路43=22V8.5.4BJT集成功率放大器舉例LM380集成音頻功率放大器8.5集成功率放大電路44=22V8.5.4BJT集成功率放大器舉例LM380集成音頻功率放大器8.5集成功率放大電路451．功率放大器的特點(diǎn)：工作在大信號(hào)狀態(tài)下，輸出電壓和輸出電流都很大。要求在允許的失真條件下，盡可能提高輸出功率和效率。2．為了提高效率，在功率放大器中，BJT常工作在乙類和甲乙類狀態(tài)下，并用互補(bǔ)對(duì)稱結(jié)構(gòu)使其基本不失真。這種功率放大器理論上的最大輸出效率可以達(dá)到78.5％。3．互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器的幾種主要結(jié)構(gòu)：

OCL（雙電源）——乙類、甲乙類。

OTL（單電源）——乙類、甲乙類。小結(jié)46例1．互補(bǔ)對(duì)稱功放電路如圖，VCC=-VEE=20V,RL=8Ω，T1與