第4章模擬電路(楊素行)-課件

第四章功率放大電路4.1功率放大電路的主要特點4.2互補對稱式功率放大電路

4.2.1電路組成和工作原理

4.2.2互補對稱電路主要參數(shù)的估算4.3采用復合管的互補對稱式放大電路

4.3.1復合管的接法及其β和rbe4.3.2復合管組成的互補對稱放大電路第一節(jié)功率放大電路的主要特點對放大電路的要求放大電路中三極管的工作狀態(tài)放大電路的分析方法在一些電子設備中，常要求放大電路的輸出級能帶動某種負載，因而要求放大電路有足夠大的輸出功率。這種放大電路通稱為功率放大器。1.根據負載要求，提供足夠的輸出功率。最大輸出功率Pom

：在正弦輸入信號下，輸出波形不超過規(guī)定的非線性失真指標時，放大電路最大輸出電壓和最大輸出電流有效值的乘積。21UcemIcm=

2·Icm2Pom=Ucem共射接法下一、對放大電路的要求式中po

為放大電路輸出給負載的功率，而pv

為直流電源Vcc所提供的功率。popvη=放大電路的效率可表示為2.具有較高的效率。放大電路輸出給負載的功率由直流電源提供。在輸出功率比較大的情況下，效率問題更為重要。如果功率放大電路的效率不高，不僅造成能量的浪費，而且消耗在放大電路內部的電能將轉換成為熱量，使管子、元件等溫度升高，因而不得不選用較大容量的放大管和其他設備，很不經濟。

功率放大電路的主要特點功放與其它放大電路的不同：

1、對電路的要求不同放大電路：主要提供比較大的電壓放大倍數(shù)；功放：根據負載的要求，提供足夠的輸出功率，同時希望具有較高的效率，并盡量減小非線性失真。

2、主要技術指標不同放大電路：電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻功放：最大輸出功率、效率3、分析的方法和工具不同放大電路：工作在小信號狀態(tài)，可利用微變等效電路法，圖解法功放：工作在大信號狀態(tài)，只能用圖解法功放的分類變壓器耦合功放、直接耦合的互補對稱功放直接耦合的功放按電路的結構可分為：

OTL互補對稱功放、OCL互補對稱功放按功率三極管的導電角可分為：甲類：當輸入信號為正弦波時，若晶體管在信號的整個周期內均導通（即導通角），則稱之為工作在甲類狀態(tài)；乙類：若晶體管僅在信號的正半周或負半周導通（即），則稱之為工作在乙類狀態(tài)；甲乙類：若晶體管的導通時間大于半個周期且小于整個周期（即），則稱之為工作在甲乙類狀態(tài)。按電路元件是否集成：

分立元件功放、集成功放選用放大三極管時，極限參數(shù)應留有一定的余地。二、放大電路中三極管的工作狀態(tài)在功率放大電路中，三極管工作在大信號狀態(tài)，使得管子的特性曲線的非線性問題充分暴露出來。在實際的功率放大電路中，應根據負載的要求，盡量設法減小輸出波形的非線性失真。當功率放大電路工作時，應防止三極管的工作點超出安全工作去的范圍。在功率放大電路中，由于三極管的工作點在大范圍內變化，因此，對電路進行分析時，一般不能采用微變等效電路法，常采用圖解法分析放大電路的靜態(tài)和動態(tài)工作情況。三、放大電路的分析方法從功率放大電路的上述特點，可以組成功率放大的具體電路?？紤]電路的具體形式時，主要應注意使放大電路具有足夠的輸出功率和較高的效率，并盡量減小輸出波形的非線性失真。輸出電阻低，帶負載能力比較強，可作為基本功率放大電路。缺點：對正、負向輸入信號跟隨的能力不同。通常對負向輸入電壓的跟隨范圍相對較小。0uit0uot射極輸出器的特點:RLReVT

VCCuiuo射極輸出器最大負向輸出電壓最大正向輸出電壓0uit+UOm

=VCC–UCESRL+ReRL(

-VEE

)-UOm

=通常VCC=VEE，所以+UOm

＞-

UOm

可增大VEE或減小Re使+UOm

=-

Uom

，但將增加電路的靜態(tài)功耗。RLRe-VEEVT

VCCuiuo第二節(jié)

互補對稱式功率放大電路電路的組成和工作原理互補對稱電路主要參數(shù)的估算一、電路組成和工作原理1.

OTL乙類互補對稱電路R1

和R2確定放大電路的靜態(tài)電位。2

VCC調整R1

和

R2的值，使靜態(tài)時兩管的發(fā)射極電位為2

VCC電容C2兩端的電壓也等于動態(tài)時電容兩端的電壓保持0.5VCC的數(shù)值基本不變。R2+R1+VCCC2-VT1NPNuiuoVT2PNPRLOTL乙類互補對稱電路C1+otic1otic2otiLotui交越失真ic1ic2iLui>0時VT1導通VT2截止。ui<0時VT2導通VT1截止。iL=iC1–iC2R2+R1+VCCC2-VT1NPNuiuoVT2PNPRLC1+2.

OTL甲乙類互補對稱電路iC1iC2iLiB1iB2R

、VD1和VD2為兩管提供了靜態(tài)基極電流IB1和IB2避免了ui較小時兩管同時截止減小了交越失真。iC1

和

iC2不為零，靜態(tài)時為零R2R1ui++VCCC1-VT1NPNuoVT2PNP2VCCRLVD1VD2b1b2R+OtiC1OtiC2OtiLOTL甲乙類互補對稱電路的波形圖OtuiR2R1ui++VCCC1-VT1NPNuoVT2PNP2VCCRLVD1VD2b1b2R+iC1iC2iLUcem

=VCC-UCES

靜態(tài)時

UCE1=+VCC,UCE2=-VCC。OCL甲乙類互補對稱輸出級-VCCR2R1ui+VCCVT1NPNuoVT2PNPRLVD1VD2b1b2RiC1iC2iL3.

OCL甲乙類互補對稱電路OCL電路省去了大電容，即改善了低頻響應，又有利于實現(xiàn)集成化，應用更為廣泛。OCL電路存在的主要問題：兩個三極管的發(fā)射極直接連到負載電阻上，如果靜態(tài)工作點失調或電路內元器件損壞，將造成一個較大的電流長時間流過負載，可能造成電路損壞。為了防止出現(xiàn)此種情況，實際使用的電路中，常常在負載回路接入熔斷絲作為保護措施。ui>0時工作點沿QA上移。ui<0時工作點沿QB下移。Ucem=Vcc-UCES若VT1、VT2對稱-uCE2QiC1OiC2uCE1AOB

OCL互補電路的圖解法Icm1Icm2Ucem1UCESVCC二、互補對稱電路主要參數(shù)的估算1.OCL互補對稱電路主要參數(shù)的估算Ucem

=VCC-UCES

Pom

≈2RLV2CCPom==21RLU2cem21RL(VCC–UCES)2（1）最大輸出功率當滿足條件UCES<<VCC時PV=×Icmsinωtd(ωt)=

≈VCCπ1π0π2VCCIcmπRL2V2CCpompvη=≈=78.5%4π（2）效率當輸出最大功率時，放大電路的效率等于最大輸出功率pom與直流電源提供的功率PV之比。當忽略飽和管壓降UCES時，OCL乙類和甲乙類互補對稱電路的效率為如果考慮三極管的飽和管壓降UCES，則OCL乙類和甲乙類互補對稱電路的效率將低于此值。（3）功率三極管的極限參數(shù)在OCL互補對稱電路中，流過三極管的最大集電極電流為：▼集電極最大允許電流ICM因此選擇功率三極管時，其集電極最大允許電流應為：在OCL互補對稱電路中，兩個三極管的集電極電壓之和等于2VCC，即▼集電極最大允許反向電壓U(BR)CEO當VT2導電時，VT1截止，此時VT1的集電極承受反向電壓。當VT2飽和時，VT1的集電極電壓達到最大，此時：或因此，功率三極管的集電極最大允許反向電壓應為當忽略三極管的管壓降時，PTm=0.2Pom

在OCL互補對稱電路中，直流電源提供的功率PV，一部分轉換成輸出功率Po傳送給負載，另一部分則消耗在三極管內部，成為三極管的耗散功率PT

，使管子發(fā)熱。▼集電極最大允許耗散功率PCM當集電極輸出電壓的峰值UOM

≈0.6

VCC時，三極管的功率損耗達到最大，即PT=

PTm

。此時，每個三極管的最大管耗為:因此，在選擇功率三極管時應滿足，PCM>0.2Pom

Ucem=-2VccUCES若VT1、VT2對稱-uCE2QiC1OiC2uCE1AOB

OTL互補對稱電路的圖解法Icm1Icm2Ucem1UCESVCC交流負載線2.OTL互補對稱電路主要參數(shù)的估算2Pom=Ucem

Icm=2121RLU2cemPom

≈81RLV2CCPV=×Icmsinωtd(ωt)2VCCπ1π0pompvη=

≈==78.5%81RLV2CC2πRLV2CC4π21RL(VCC/2–UCES)2=若滿足UCES

<<2VCC2πRLV2CC≈πVCCIcm=（1）最大輸出功率（2）效率（3）功率三極管的極限參數(shù)▼集電極最大允許電流ICM▼集電極最大允許反向電壓U(BR)CEOPTm=0.2Pom

▼集電極最大允許耗散功率PCMPCM>0.2Pom

ICUCEOQiCtOICUCEOQiCtOICUCEOQiCtO晶體管的工作狀態(tài)甲類工作狀態(tài)晶體管在輸入信號的整個周期都導通靜態(tài)IC較大，波形好,管耗大效率低。乙類工作狀態(tài)晶體管只在輸入信號的半個周期內導通，靜態(tài)IC=0，波形嚴重失真,管耗小效率高。甲乙類工作狀態(tài)晶體管導通的時間大于半個周期，靜態(tài)IC

0，一般功放常采用。第三節(jié)采用復合管的互補對稱放大電路復合管的接法及其β和rbe復合管組成的互補對稱放大電路一、復合管的接法及其β和rbe復合管可由兩個或兩個以上的三極管組合而成。它們可以由相同類型的三極管組成，也可以由不同類型的三極管組成。無論由相同或不同類型的三極管組成復合管時，首先，在前后兩個三極管的連接關系上，應保證前級三極管的輸出電流與后級三極管的輸入電流的實際方向一致。其次，外加電壓的極性應保證前后兩個三極管均為發(fā)射結正偏，集電結反偏，使兩管都工作在放大區(qū)。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VT1VT2becic1=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=β1β2ΔiB1VT2VT1becrbe=

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結論：1、由兩個相同類型的三極管組成的復合管，其類型與原來相同。復合管的，復合管的。2、由兩個不同類型的三極管組成的復合管，其類型與前級三極管相同。復合管的，復合管的。二、復合管組成的互補對稱放大電路VT1VT2+VCC-VCCuiRLuoRR2R1VD2VD1VT3VT4VT3、VT4很難互補對稱VT3、VT4可實現(xiàn)互補對稱VT1VT2+VCC-VCCuiRLuoRR2R1VD2VD1VT3VT4Re1Re2例題：OCL功放如圖，VT1、VT2為互補對稱管。1.靜態(tài)時，流過負載電阻RL的電流多大？2.靜態(tài)時，輸出電壓UO應是多少？調整哪個電阻能滿足這一要求？3.R1、R2、R3、D1、D2各起什么作用？4.動態(tài)時，若輸出電壓波形出現(xiàn)交越失真，應調整哪個電阻？如何調整？5.設VCC=10V,R1=R3=2K，晶體管的UBE=0.7V,=50,PCM=200mW,靜態(tài)時UO=0，若D1、D2和R2三個元件中任何一個開路，將會產生什么后果？6.若D1、D2中有一個接反，會出現(xiàn)什么后果？1、IL＝0；2、Uo＝0，調R1和R3可滿足要求。3、R1、R3為功放管T1、T2提供基極電流通路，也為二極管支路提供電流通路。R2、D1、D2為T1、T2提供靜態(tài)偏置電壓UBE1＋|UBE2|，使之工作在甲乙類狀態(tài)。4、增大R2。5、此時T1、T2上的靜態(tài)功耗均為：故T1、T2管將燒毀。6、T2將失去跟隨作用，并導致T1、T2的基極電流過大，甚至有可能燒壞功放管。第四節(jié)集成功率放大器集成功率放大器的電路組成集成功率放大器的主要技術指標集成功率放大器的引腳和典型接法目前，利用集成電路工藝已經能夠生產出品種繁多的集成功率放大器。集成功放除了具有一般集成電路的共同特點外，還有一些突出的優(yōu)點，主要有溫度穩(wěn)定性好，電源利用率高，功耗較低，非線性失真較小等，還可以將各種保護電路也集成在芯片內部，使用更加安全。集成功放從用途劃分，有通用型功放和專用型功放。從芯片內部的構成劃分，有單通道功放和雙通道功放，從輸出功率劃分，有小功率功放和大功率功放。集成功率放大器與一般集成運算放大器的主要區(qū)別在于，對前者要求輸出更大的功率。為了達到這個要求，集成功放的輸出級常常采用復合管組成。另外，通常要求更高的直流電源電壓。對于輸出功率比較高的集成功放，有時要求其外殼裝散熱片。由于集成工藝的限制，集成功放中的某些元件要求外接。有時為了使用方便而有意識地留出若干引線端，允許用戶外接元件以靈活地調節(jié)某些技術指標。一、集成功率放大器的電路組成82716354R3R2R1R4R5R7R615kΩ15kΩ50kΩ1.35kΩ150kΩ15kΩ50kΩVT1VT2VT3VD1VT10VT4VT5VT7VT8VT6VT9VD2輸入級為雙端輸入、單端輸出差分放大電路鏡像電流源中間級引入一個電壓串聯(lián)負反饋，減小非線性失真。二、集成功率放大器的主要技術指標參數(shù)測試條件最小典型最大單位工作電源電壓（V+）LM386N-1,-3，LM386M-1LM386N-4451218VV靜態(tài)電流（IQ）V+=6V,Ui=048mA輸出功率（PO）LM386N-1，LM386M-1LM386N-3LM386N-4V+=6V,RL=8Ω,THD=10%V+=9V,RL=8Ω,THD=10%V+=16V,RL=32Ω,THD=10%2505007003257001000mWmWmW電壓增益（Au）V