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第9章功率放大電路9.1功率放大電路概述9.2互補(bǔ)功率放大電路9.3集成功率放大電路第9章功率放大電路知識(shí)要點(diǎn):1、掌握功率放大電路基本電路特性;2、掌握常見功放電路類型:OCL、OTL、BTL基本電路結(jié)構(gòu)特征及其相關(guān)特性。1、功率放大電路,簡稱功放,是一種能夠向負(fù)載電路提供足夠功率輸出的放大電路。2、用途非常廣泛,例如:收音機(jī)、錄音機(jī)、電視機(jī)、汽車等的音響、喇叭之前的電路必有功率放大電路;一些測(cè)控系統(tǒng)中的控制電路部分也必存在功放電路。3、對(duì)應(yīng)分立電路、集成電路兩種電路形式。9.1功率放大電路概述4、功放電路與共射(共集、共基)放大電路的區(qū)別:(1)相同點(diǎn):同為由三極管構(gòu)成的放大電路;本質(zhì)同為對(duì)能量的控制與轉(zhuǎn)換,即將電路中直流電源的能量轉(zhuǎn)換為信號(hào)的能量,提供給負(fù)載電路。(2)不同點(diǎn):對(duì)輸出電量的要求不同:共射(共集、共基)放大電路要求輸出端能夠向負(fù)載電路提供一定的輸出電壓或輸出電流,因此又被稱為:電壓放大電路或電流放大電路;而功率放大電路要求電路輸出端向負(fù)載電路提供足夠的功率輸出,由P=UI知,要求輸出電壓和輸出電流的值都較大。5、功放電路應(yīng)滿足的基本性能要求:(1)根據(jù)負(fù)載電路要求,提供所需功率;最大輸出功率“Pom”:指功放電路在輸入信號(hào)為正弦波,并且輸出波形基本不失真狀態(tài)下,負(fù)載電路可獲得的最大交流功率。在數(shù)值上等于在電路最大不失真狀態(tài)下的輸出電壓有效值和輸出電流有效值的乘積,即Pom=Uom×Io。功率放大電路中的三極管稱為“功放管”,共射(共集、共基)放大電路中的三極管稱為“放大管”。功放電路中的功放管工作于“大信號(hào)狀態(tài)”下;共射(共集、共基)放大電路中的三極管工作于“小信號(hào)狀態(tài)”下。(2)具有較高的轉(zhuǎn)換效率“?”;思考:功放電路輸出的功率由誰提供?答案:由電路中配置的直流電源提供。轉(zhuǎn)換效率“?”的定義:電路最大輸出功率與直流電源所提供的直流功率之比,即:?=Pom/Pv;
Pv=功放電路中電流的平均值與直流電源電壓值的乘積。電路散熱問題:功放電路內(nèi)部的功率損耗主要表現(xiàn)為三極管——功放管集電結(jié)的功耗上,其功耗增大,結(jié)溫就升高,當(dāng)溫度升高到一定值后,就可能把功放管燒壞。對(duì)于硅材料的功放管,其集電結(jié)所耐受的溫度范圍為120~180oC;鍺材料的所耐受的溫度范圍僅為85oC左右。功放管要特別注意散熱問題:體積外形特別、外加散熱片。(3)非線性失真要??;對(duì)于同一功放管而言,輸出的功率越大,輸出波形非線性失真就越嚴(yán)重。因此,對(duì)于功放電路而言,其輸出功率與輸出波形的非線性失真度之間是一對(duì)矛盾,在實(shí)際應(yīng)用中,一般是根據(jù)實(shí)際需要,人為規(guī)定一個(gè)允許的失真度。思考:如何能夠提高功放電路的轉(zhuǎn)換效率“?”?6、提高轉(zhuǎn)換效率“?”的途徑[減小功放管集電結(jié)損耗的途徑]分析一:此圖表明:Q點(diǎn)位置設(shè)置合理,三極管在整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)都導(dǎo)通工作,即使電路ui=0,也會(huì)較大值的ICQ流經(jīng)集電結(jié),在電路內(nèi)部產(chǎn)生功率損耗。所對(duì)應(yīng)的?最大取值只為50%,三極管在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)——2π都是導(dǎo)通工作的,即其導(dǎo)通角θ=360o,這稱為三極管工作于甲類狀態(tài)。分析二:圖中:三極管的Q點(diǎn)位置偏下,ICQ值降低,三極管只能在輸入信號(hào)的大半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通工作,此種狀態(tài)下三極管的導(dǎo)通角θ=180~360o,稱三極管工作于甲乙類狀態(tài)。這種工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)的放大電路內(nèi)部功耗降低,?提高。分析三:圖中:Q點(diǎn)下移至橫坐標(biāo)軸上,即只讓三極管在輸入正弦波的半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通工作,導(dǎo)通角θ=180o,此種情況,稱三極管工作于乙類狀態(tài),即當(dāng)電路的ui=0時(shí),電路中的ICQ=0,內(nèi)部功耗達(dá)到最小,?可高達(dá)78.5%。思考:如何確保既提高電路?,又能避免電路波形的嚴(yán)重失真問題?借助于兩個(gè)或兩個(gè)以上的三極管在輸入正弦波的正負(fù)半周交替工作,構(gòu)成互補(bǔ)型功放電路即可解決此問題。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)用的功放電路:變壓器耦合乙類推挽功率放大電路優(yōu)點(diǎn):可實(shí)現(xiàn)阻抗變換,適用于負(fù)載電阻較小的場(chǎng)合;缺點(diǎn):體積大,份量重,成本高,當(dāng)電路引入負(fù)反饋后,在低頻和高頻信號(hào)作用時(shí),易產(chǎn)生自激振蕩。(乙類)推挽:同類型三極管在同一電路輸入信號(hào)的正負(fù)半周交替導(dǎo)通工作(三極管工作于乙類狀態(tài))。9.2互補(bǔ)功率放大電路引入:目前較為常用的三種結(jié)構(gòu)(類型)的功放電路:OTL功放電路:無輸出變壓器的功放電路;OCL功放電路:無輸出電容的功放電路;BTL功放電路:橋式推挽功放電路。一、OTL功率放大電路1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn):由NPN、PNP型兩個(gè)三極管構(gòu)成(要求特性對(duì)稱),與負(fù)載電阻RL通過一個(gè)大容量的電容連接(一般為幾千微法電解電容),單電源供電。靜態(tài)時(shí)(ui=0),要求保證:UBQ=VCC/2(前級(jí)電路保障),則UEQ=VCC/2,即電容C上被充電壓為VCC/2。所對(duì)應(yīng)的UBEQ=0,T1、T2管均處于截止?fàn)顟B(tài)。知識(shí)點(diǎn)回顧:三極管工作于放大狀態(tài)的外部條件:Je正偏,Jc反偏。NPN型三極管:UBE>Uon,PNP型三極管:UEB>Uon(UBE<Uon)。若將三極管視為理想化,忽略其開啟電壓,即Uon=0,則:NPN:UBE>0;PNP:UEB>0(UBE<0)。+VCC+VCC/22、工作原理分析:(1)當(dāng)ui>0時(shí),即輸入信號(hào)正半周到來,UBE>0,則T1管導(dǎo)通,T2管截止,在VCC直流電源作用下,對(duì)應(yīng)電路中的電流流徑為:ie1;構(gòu)成一射極跟隨器。(2)當(dāng)ui<0時(shí),即輸入信號(hào)負(fù)半周到來,UBE<0,則T2管導(dǎo)通,T1管截止,VCC直流電源不起作用,在電容C放電的作用下,對(duì)應(yīng)電路中的電流流徑為:ie2;構(gòu)成射極跟隨器。uitOie1ie2+-3、特性總結(jié):在OTL功放電路中,NPN與PNP型兩種類型的三極管在輸入正弦波信號(hào)的正負(fù)半周內(nèi)交替工作,形成互補(bǔ)工作方式,且兩個(gè)三極管均工作于乙類狀態(tài)?;パa(bǔ)工作方式:不同類型三極管在輸入信號(hào)同一周期內(nèi)交替工作的方式。OTL功放電路的缺點(diǎn):雖不含變壓器,但含大容量電容,不便于集成,且電容的純電容效應(yīng)差。——OCL功放電路可克服此缺憾。二、OCL功放電路:1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn):電路輸出端與負(fù)載直接相連,且為正負(fù)對(duì)稱雙電源供電。靜態(tài)時(shí)(ui=0),由于電路上下的對(duì)稱性,對(duì)應(yīng)的UBEQ=0,T1、T2管均處于截止?fàn)顟B(tài)。2、工作原理分析:(1)當(dāng)ui>0時(shí),即輸入信號(hào)正半周到來,UBE>0,則T1管導(dǎo)通,T2管截止,在+VCC直流電源作用下,對(duì)應(yīng)電路中的電流流徑為:ie1;構(gòu)成一射極跟隨器。(2)當(dāng)ui<0時(shí),即輸入信號(hào)負(fù)半周到來,UBE<0,則T2管導(dǎo)通,T1管截止,在-VCC直流電源作用下,對(duì)應(yīng)電路中的電流流徑為:ie2;構(gòu)成射極跟隨器。+VCC-VCCuitO+-ie1ie23、特性總結(jié):需正負(fù)對(duì)稱雙電源供電,對(duì)電源配置要求較高。為了實(shí)現(xiàn)單電源供電,又無大容量電容,BTL功放電路可滿足此要求。三、BTL功放電路:1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn):由四個(gè)特性對(duì)稱的三極管構(gòu)成:T1、T2管為NPN型,T3、T4管為PNP型,單電源供電。靜態(tài)時(shí)(ui=0
),由于電路上下的對(duì)稱性,對(duì)應(yīng)的UBEQ=0,所有三極管均處于截止?fàn)顟B(tài)。E13B13B24E242、工作原理分析:(1)當(dāng)ui>0時(shí),即輸入信號(hào)正半周到來,T1、T4管導(dǎo)通,T2、T3管截止,在+VCC直流電源作用下,對(duì)應(yīng)電路中的電流流徑為:ie1。(2)當(dāng)ui<0時(shí),即輸入信號(hào)負(fù)半周到來,T2、T3管導(dǎo)通,T1、T4管截止,在+VCC直流電源作用下,對(duì)應(yīng)電路中的電流流徑為:ie2。uitO+-E13E24B13B24ie1ie23、特性總結(jié):
BTL功放電路中三極管數(shù)量多,內(nèi)部功耗大,?較低,且四個(gè)三極管很難實(shí)現(xiàn)特性上的理想對(duì)稱。4、“交越失真”:解決措施:令功放電路中的三極管在靜態(tài)時(shí)(ui=0
),均處于微導(dǎo)通狀態(tài),即讓功放管工作于甲乙類狀態(tài)。消除交越失真的OCL電路:B1B2所以兩個(gè)三極管在靜態(tài)時(shí)處于微導(dǎo)通狀態(tài)靜態(tài):動(dòng)態(tài):9.3集成功率放大電路1、內(nèi)部電路構(gòu)成:集成OTL電路類型介紹:LM3862、外形引腳排列:3、基本接法電路:接法一:外接元件最少的用法(電壓增益最小接法——電壓增益約為20)接法二:電壓增益最大的用法(電壓增益約為200)
接法三:一般用法電壓增益可調(diào)
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