模電第5章功率放大電路

第5章功率放大電路5.1功率放大電路的一般問(wèn)題5.2互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路5.3集成功率放大電路5.1功率放大電路的一般問(wèn)題電壓放大電路和功率放大電路都是利用三極管的放大作用將信號(hào)放大，前者工作在小信號(hào)狀態(tài)，目的是輸出足夠大的電壓信號(hào)，而功率放大電路則是工作在大信號(hào)狀態(tài)。

5.1.1對(duì)功率放大電路的基本要求5.1.2功率放大電路的分類(lèi)對(duì)功率放大電路的基本要求如下：1．能輸出盡可能大的功率，以滿(mǎn)足負(fù)載的要求。

2．具有較高的工作效率。

3．盡量減少非線(xiàn)性失真。

4．注意功率輸出管的散熱問(wèn)題。

5.1.1對(duì)功率放大電路的基本要求按照放大信號(hào)的頻率分:

低頻功率放大電路（幾十赫～幾十千赫）和高頻功率放大電路（幾百千赫～幾十兆赫）。按輸出端與負(fù)載的耦合方式的不同:

分為變壓器耦合方式、無(wú)輸出變壓器（OTL）方式和無(wú)輸出電容（OCL）方式。

按照其三極管靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置的不同:

常分為甲類(lèi)功率放大電路、乙類(lèi)功率放大電路和甲乙類(lèi)功率放大電路等。5.1.2功率放大電路的分類(lèi)ICUCEOQiCtOICUCEOQiCtOICUCEOQiCtO晶體管的工作狀態(tài)甲類(lèi)工作狀態(tài)

晶體管在輸入信號(hào)的整個(gè)周期都導(dǎo)通。Q大致在交流負(fù)載線(xiàn)的中點(diǎn)靜態(tài)IC較大，波形好,管耗大效率低。乙類(lèi)工作狀態(tài)

晶體管只在輸入信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，靜態(tài)IC=0，波形嚴(yán)重失真,管耗小效率高。甲乙類(lèi)工作狀態(tài)晶體管導(dǎo)通的時(shí)間大于半個(gè)周期，靜態(tài)IC

0，一般功放常采用。5.2互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路5.2.1

乙類(lèi)OTL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路(Output

TransformerLess)5.2.3甲乙類(lèi)OCL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路(OutputCapacitorLess

)5.2.2甲乙類(lèi)OTL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路5.2.4采用復(fù)合管的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路

5.2.1

乙類(lèi)OTL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路管型不同，參數(shù)相同，特性一致的對(duì)稱(chēng)互補(bǔ)管1.電路組成圖5.2.1乙類(lèi)OTL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)放大電路2.工作原理

在靜態(tài)時(shí)，由于電路上下的對(duì)稱(chēng)性，A點(diǎn)的電位為1/2VCC

，靜態(tài)時(shí)，兩管IB=0，工作于乙類(lèi)工作狀態(tài)，僅有穿透電流ICEO通過(guò)。

RLuiVT1VT2+VCCCAuo++-+-OtiC1OtiC2OtiLOtuiui>0時(shí)VT1導(dǎo)通VT2截止。ui<0時(shí)VT2導(dǎo)通VT1截止。iL=iC1–iC2RLuiVT1VT2+VCCCAuo++-+-在輸入信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)管子交替導(dǎo)通，在負(fù)載上合成得到一個(gè)完整的輸出電壓。故稱(chēng)為互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)放大電路。uI>0時(shí)工作點(diǎn)沿QA上移。uI<0時(shí)工作點(diǎn)沿QB下移。Ucem=(VCC/2)-UCES若VT1、VT2對(duì)稱(chēng)3.主要參數(shù)的估算-uCE2QiC1OiC2uCE1AOB圖5.2.2乙類(lèi)OTL互補(bǔ)電路的圖解法Icm1Icm2Ucem1UCESVCC/22RLVCC（1）最大輸出功率

（2）效率

電源供給的功率效率忽略UCES（3）功率管的極限參數(shù)

①集電極最大允許電流②集電極最大允許反向電壓③集電極最大允許耗散功率PCM

4．交越失真

圖5.2.3乙類(lèi)OTL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路的波形圖

RLuiVT1VT2+VCCCAuo++-+-5.2.2甲乙類(lèi)OTL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路

圖5.2.4甲乙類(lèi)OTL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路

1.電路組成

2.工作原理圖5.2.5甲乙類(lèi)OTL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路的波形圖

3.參數(shù)計(jì)算同上

調(diào)節(jié)電阻R，改變?nèi)龢O管的偏壓，消除交越失真。調(diào)節(jié)R1、R2，保證兩發(fā)射結(jié)的靜態(tài)電位1/2Vcc.3、確定三極管的極限參數(shù)4.帶自舉的OTL甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路

圖5.2.6帶自舉的OTL甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路5.2.3甲乙類(lèi)OCL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路1.電路組成

圖5.2.7甲乙類(lèi)OCL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)2.工作原理

圖5.2.8甲乙類(lèi)OCL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路的波形圖3.主要參數(shù)的估算

（1）最大輸出功率（2）效率忽略UCES（3）功率管的極限參數(shù)

①集電極最大允許電流②集電極最大允許反向電壓③集電極最大允許耗散功率互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功放電路設(shè)置適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作偏流的方法很多，如圖5.2.9所示電路為利用UBE

擴(kuò)大電路進(jìn)行偏置的OCL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路。

圖5.2.9甲乙類(lèi)OCL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路復(fù)合管可由兩個(gè)或兩個(gè)以上的三極管組合而成。它們可以由相同類(lèi)型的三極管組成，也可以由不同類(lèi)型的三極管組成。無(wú)論由相同或不同類(lèi)型的三極管組成復(fù)合管時(shí),

在前后兩個(gè)三極管的連接關(guān)系上，應(yīng)保證前級(jí)三極管的輸出電流與后級(jí)三極管的輸入電流的實(shí)際方向一致。外加電壓的極性應(yīng)保證前后兩個(gè)三極管均為發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，使兩管都工作在放大區(qū)。5.2.4采用復(fù)合管的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路

1．復(fù)合管的接法

rbe=

rbe1

+（1+

β1）rbe2(β1+β2+β1β2)ΔiBΔiE=(1+β2)(1+β1)ΔiB1=ΔiB+ΔiCβ=ΔiCΔiB=

β1+β2+β1β2

≈

β1β2iC1iC2iE1=iB2iEiCiBiB1ΔiC1

=β1Δ

iB1ΔiE1=ΔiB2=(1+β1)ΔiB1ΔiC2

=β2(1+β1)ΔiB1與NPN型三極管等效VT1VT2bec前一管的發(fā)射極與后一管的基極連接，前一管的集電極與后一管的集電極連接。由于前一管的基極、發(fā)射極電流Ib1,Ie1為：

Ie1=(1+β1)*ib1（β1為前一管的電流放大系數(shù)）

所以后一管的電流Ib2，Ie2為：

Ib2=Ie1

Ie2=(1+β2)*ib2=(1+β2)*Ie1=(1+β2)*(1+β1)*ib1（β2為后一管的電流放大系數(shù)）

因此按輸入電阻的公式，前一管的輸入電阻rbe1為：

rbe1=rbb1+(26/Ie1)*（1+β1）

若發(fā)射極上串有電阻Re，則輸入電阻R1

R1=rbb1+(26/Ie1+Re)*（1+β1）

后一管的輸入電阻rbe2為：

rbe2=rbb2+(26/Ie2)*(1+β2)

后一管的輸入電阻rbe2是前一管的發(fā)射極串聯(lián)的電阻Re，代入后：

R1=rbb1+(26/Ie1+rbe2)*（1+β1）

=rbb1+(26/Ie1)*（1+β1）+rbe2*（1+β1）

=rbe1+rbe2*（1+β1）

ic1=iB2iE2iB1iBic2iciE1iEΔiC=β1(1+β2)ΔiB1=(β1+β1β2)ΔiBΔiE=(1+β1+β1β2)ΔiB1=ΔiC+ΔiBβ

=

β1（1

+β2）≈

β1β2rbe=

rbe1與NPN型三極管等效ΔiE1=(1+β1)ΔiB1ΔiC1=ΔiB2=β1ΔiB1ΔiC2=β1β2)ΔiB1VT2VT1becrbe=

rbe1

+（1+

β1）rbe2β=

β1+β2+β1β2

≈

β1β2與PNP型三極管等效β

=

β1（1

+β2）≈

β1β2rbe=

rbe1與PNP型三極管等效iC1iE1=iB2iC2VT1VT2iEiCiB1iBbeciC1=iB2VT1VT2iEiC2iB1iBiCiE1bec（1）任意兩只三極管適當(dāng)連接可以等效為一只三極管，其等效后的型號(hào)與第一只管子的型號(hào)相同；（2）等效管子的電流放大系數(shù)近似為兩只管子放大系數(shù)的乘積，即

β≈β1β2

（3）等效管子的輸入電阻為同型號(hào)的兩只管子復(fù)合時(shí)， 不同型號(hào)的兩只管子復(fù)合時(shí)，

2．復(fù)合管組成的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路

圖5.2.11復(fù)合管組成的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路圖5.2.12復(fù)合管組成的準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路5.3集成功率放大電路5.3.1LM386通用型集成功率放大電路

5.3.2專(zhuān)用型集成功率放大電路XG4140

5.3.3音頻集成功率放大電路CD4100

5.3集成功率放大電路

集成功率放大器由于不僅具有體積小、重量輕、成本低、外圍元件少，安裝調(diào)試簡(jiǎn)單，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且在性能上也優(yōu)于分立元件，例如溫度穩(wěn)定性好，功耗小、失真小。特別是集成功率放大器內(nèi)部還設(shè)置有過(guò)熱、過(guò)電流、過(guò)電壓等自動(dòng)保護(hù)功能的電路對(duì)電路自行進(jìn)行保護(hù)。

5.3.1LM386通用型集成功率放大電路

1．LM386內(nèi)部電路

LM386內(nèi)部電路原理圖如圖5.3.1所示。與通用型集成運(yùn)放相類(lèi)似，它是一個(gè)三級(jí)放大電路。圖5.3.1LM386內(nèi)部原理電路電路單電源供電，如在①、⑧間接一個(gè)可調(diào)電阻電容串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，就可改變功放的增益，其可調(diào)范圍為20～200倍。

LM386供電電壓為4～12V，在Vcc=6V時(shí)可驅(qū)動(dòng)4Ω負(fù)載，9V時(shí)可驅(qū)動(dòng)8Ω負(fù)載。外部引線(xiàn)圖如圖5.3.2所示。＋－12364578＋

Vcc增益設(shè)定反相輸入端同相輸入端地增益設(shè)定旁路電容輸出端圖5.3.2LM386的的外部引線(xiàn)圖2．LM386組成OTL電路

如果在1和8之間外接10uF的電容器C1時(shí)，電路增益為200；如果在1和8之間接入1.2KΩ電阻R1和10uF的電容器C1時(shí)，則電路增益為50；調(diào)節(jié)電阻R1的大小，其功放的增益可調(diào)范圍為20～200倍。如果在1和8之間斷開(kāi)時(shí)，電路增益為20；圖5.3.4由LM386組成的簡(jiǎn)單OTL音頻放大電路若增益只需20倍，且電路無(wú)自激，則增益調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)、相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)及電源退耦網(wǎng)絡(luò)都可消去，可變成簡(jiǎn)單的外圍應(yīng)用電路，如圖5.3.4所示。3．LM386組成BTL電路

橋式推挽功率放大電路（也稱(chēng)為平衡式無(wú)輸出變壓器電路），簡(jiǎn)稱(chēng)為BTL(Bridge-Tied-Load)電路。其主要特點(diǎn)是在同樣電源電壓和負(fù)載電阻條件下，它可得到比OCL或OTL電路大幾倍的輸出功率，其工作原理圖如圖5.3.5所示。圖5.3.5BTL原理電路圖5.3.6由LM386組成的簡(jiǎn)單OTL音頻放大