模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 課件 第8章 功率放大電路

第8章功率放大電路8.1功率放大電路概述8.2互補(bǔ)功率放大電路8.3集成功率放大電路本章討論的問題：1、什么是功率放大電路，功率放大電路是放大功率嗎？對(duì)功率放大電路的基本要求是什么？電壓放大電路和功率放大電路有什么區(qū)別？2、什么是晶體管的甲類、乙類和甲乙類工作狀態(tài)？3、功率放大電路的輸出功率是交流功率還是直流功率?晶體管的耗散功率最大時(shí)，電路的輸出功率是最大嗎？4、在已知電源電壓和負(fù)載的情況下，如何估算出最大輸出功率以及轉(zhuǎn)換效率？5、功放管和小信號(hào)放大電路中晶體管的選擇有何不同？如何選擇？8.1功率放大電路概述

能夠向負(fù)載提供足夠信號(hào)功率的放大電路稱為功率放大電路，簡(jiǎn)稱功放。

功率放大電路與其他放大電路在本質(zhì)上沒有根本的區(qū)別；只是功放既不單純追求輸出高電壓，也不是單純追求輸出大電流，而是追求在電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的功率。因此，從功放電路的組成和分析方法，到其元器件的選擇都與小信號(hào)放大電路又著明顯的區(qū)別。

功率放大電路的作用：是放大電路的輸出級(jí)，去推動(dòng)負(fù)載工作。例如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動(dòng)作、儀表指針偏轉(zhuǎn)、電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)等。

對(duì)輸出級(jí)的要求互補(bǔ)輸出級(jí)是直接耦合的功率放大電路。

對(duì)輸出級(jí)的要求：帶負(fù)載能力強(qiáng)；直流功耗??；負(fù)載電阻上無直流功耗；最大不失真輸出電壓最大，即輸出功率盡可能大。射極輸出形式靜態(tài)工作電流小輸入為零時(shí)輸出為零雙電源供電時(shí)Uom的峰值接近電源電壓。單電源供電Uom的峰值接近二分之一電源電壓。

8.1.1功率放大電路的特點(diǎn)一、主要技術(shù)指標(biāo)1.最大輸出功率Pom功率放大電路提供給負(fù)載的信號(hào)功率稱為輸出功率。是交流功率，表達(dá)式為Po＝IoUo。最大輸出功率是在電路參數(shù)確定的情況下，負(fù)載上可能獲得的最大交流功率。2.轉(zhuǎn)換效率

功率放大電路的最大輸出功率與電源提供的直流功率之比。直流功率等于電源輸出電流平均值及電壓之積。效率盡可能高，因而電路損耗的直流功率盡可能小，靜態(tài)時(shí)功放管的集電極電流近似為0。3.非線性失真要小4.散熱問題額定功率是指在失真允許的范圍內(nèi)放大器輸出的最大功率。最大不失真功率是指在不失真的情況下最大輸出功率。功放管通常為大功率管，要特別注意其散熱條件，使用時(shí)必須安裝散熱片，有時(shí)還要采取各種保護(hù)措施。三、分析方法

因大信號(hào)作用，故應(yīng)采用圖解法。晶體管集電極電流最大時(shí)接近ICM晶體管承受的最大管壓降最大時(shí)接近c(diǎn)-e反向擊穿電壓U（BR）CEO晶體管消耗的最大功率接近集電極最大耗散功率PCM二、晶體管的選用

根據(jù)極限參數(shù)選擇晶體管。在功率放大電路中，為使輸出功率盡可能大，要求晶體管工作在極限應(yīng)用狀態(tài)。選擇功放管時(shí)，要注意極限參數(shù)的選擇，以保證管子正常工作；另外還要注意其散熱條件，使用時(shí)必須安裝合適的散熱片和各種保護(hù)措施。晶體管集電極電流最大時(shí)接近ICM晶體管承受的最大管壓降最大時(shí)接近c(diǎn)-e反向擊穿電壓U（BR）CEO晶體管消耗的最大功率接近集電極最大耗散功率PCM晶體管集電極電流最大時(shí)接近ICM晶體管承受的最大管壓降最大時(shí)接近c(diǎn)-e反向擊穿電壓U（BR）CEO晶體管消耗的最大功率接近集電極最大耗散功率PCM四.對(duì)功率放大路的要求（1）甲類方式：晶體管在信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)均處于導(dǎo)通狀態(tài)（2）乙類方式：晶體管僅在信號(hào)的半個(gè)周期處于導(dǎo)通狀態(tài)（3）甲乙類方式：晶體管在信號(hào)的多半個(gè)周期處于導(dǎo)通狀態(tài)（1）在電源電壓一定的情況下，最大不失真輸出電壓最大，即輸出功率盡可能大。（2）效率盡可能高，因而電路損耗的直流功率盡可能小，靜態(tài)時(shí)功放管的集電極電流近似為0。五、晶體管的工作方式為什么共射放大電路不宜作功率放大電路？直流電源提供的功率為ICQVCC,晶體管的集電極耗散功率為ICQUCEQ

靜態(tài)時(shí)：輸入正弦波時(shí)：電源輸出的平均電流為ICQ,因此電源提供功率不變，管壓降電流的最大分量為ICQRL’,有效值為ICQRL’/√2,所以負(fù)載上可能獲得的最大功率為RL數(shù)值越小，功率越小為了提高功率，可以去掉集電極電阻RC,直接將負(fù)載接在集電極，并利用變壓器實(shí)現(xiàn)阻抗變換①輸入信號(hào)增大，輸出功率如何變化？②輸入信號(hào)增大，管子的平均電流如何變化？③輸入信號(hào)增大，電源提供的功率如何變化？效率如何變化？適合做功放嗎？8.1.2功率放大電路的組成1、變壓器耦合功率放大電路--甲類(

=2

)1、變壓器耦合功率放大電路---甲類(

=2

)：電源提供的功率ICQUCC調(diào)整變壓器匝數(shù)RL’=(N1/N2)2RL，使交流負(fù)載線交于2UCC交流輸出最大功率2、乙類(

=

)乙類(

=

)乙類互補(bǔ)對(duì)稱(

=

)（1）變壓器耦合乙類推挽電路

信號(hào)的正半周T1導(dǎo)通、T2截止；負(fù)半周T2導(dǎo)通、T1截止。

兩只管子交替工作，稱為“推挽”。設(shè)β為常量，則負(fù)載上可獲得正弦波。輸入信號(hào)越大，電源提供的功率也越大。（2）OTL電路—無輸出變壓器功率放大電路

輸入電壓的正半周：＋VCC→T1→C→RL→地

C充電。輸入電壓的負(fù)半周：

C

的“＋”→T2→地→RL→C“－”

C放電。C足夠大，才能認(rèn)為其對(duì)交流信號(hào)相當(dāng)于短路。OTL電路低頻特性差。因變壓器耦合功放笨重、自身?yè)p耗大，故選用OTL電路。（3）OCL電路—無輸出電容功率放大電路輸入電壓的正半周：＋VCC→T1→RL→地輸入電壓的負(fù)半周：

地→RL→T2→－VCC兩只管子交替導(dǎo)通，兩路電源交替供電，雙向跟隨。靜態(tài)時(shí)，UEQ＝UBQ＝0。

互補(bǔ)對(duì)稱電路是集成功率放大電路輸出級(jí)的基本形式。當(dāng)它通過容量較大的電容與負(fù)載耦合時(shí)，由于省去了變壓器而被稱為無輸出變壓器(OutputTransformerless)電路，簡(jiǎn)稱OTL電路。若互補(bǔ)對(duì)稱電路直接與負(fù)載相連，輸出電容也省去，就成為無輸出電容(OutputCapacitorless)電路，簡(jiǎn)稱OCL電路。

OTL電路采用單電源供電，

OCL電路采用雙電源供電。8.2互補(bǔ)功率放大電路8.2.1雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路(OCL)(OCL—OutputCapacitorless)一、乙類OCL互補(bǔ)功率放大電路T1、T2理想對(duì)稱，靜態(tài)時(shí)T1、T2均截止，UB=UE=0(OCL—OutputCapacitorless)1、電路組成及工作原理RLT1T2+UCC+ui

+uo

UCCui>0T1導(dǎo)通T2截止iC1io=iE1=iC1,uO=iC1RLui<0T2導(dǎo)通T1截止iC2io=-iE2=-iC2,uO=-iC2RLui=0T1、T2截止iO2、交越失真消除失真的方法：設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。信號(hào)在零附近兩只管子均截止開啟電壓存在問題：當(dāng)輸入電壓小于死區(qū)電壓時(shí)，三極管截止，引起

交越失真。3、消除交越失真的互補(bǔ)輸出級(jí)對(duì)偏置電路的要求：有合適的Q點(diǎn)，且動(dòng)態(tài)電阻盡可能小，即動(dòng)態(tài)信號(hào)的損失盡可能小。如果信號(hào)為零時(shí)兩只管子處于臨界導(dǎo)通或微導(dǎo)通狀態(tài)，那么當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)兩只管子中至少有一只導(dǎo)通，因而消除了交越失真。二極管導(dǎo)通時(shí)，對(duì)直流電源的作用可近似等效為一個(gè)0.6～0.8V的直流電池，對(duì)交流信號(hào)的作用可等效為一個(gè)數(shù)值很小的動(dòng)態(tài)電阻。二、甲乙類雙電源互補(bǔ)功率放大電路---消除交越失真ui=0，給T1、T2提供靜態(tài)電壓準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)---消除交越失真為保持輸出管的良好對(duì)稱性，輸出管應(yīng)為同類型晶體管。

二管導(dǎo)通的時(shí)間都比輸入信號(hào)的半個(gè)周期更長(zhǎng)，功放工作在甲乙類狀態(tài)。求解輸出功率和效率的方法:然后求出電源的平均功率，效率在已知RL的情況下，先求出UO，則三、OCL功率放大電路的圖解分析-----當(dāng)輸入電壓足夠大，且又不產(chǎn)生飽和失真的圖解分析---當(dāng)輸入電壓足夠大，且又不產(chǎn)生飽和失真的圖解分析OCL功率放大電路的圖解分析1.

輸出功率2.

效率3.OCL電路中晶體管的選擇--極限參數(shù)PT1對(duì)UOm求導(dǎo)，并令其為0，可得證明：管子功耗與輸出電壓峰值的關(guān)系因此，選擇晶體管時(shí)，其極限參數(shù)將UOm代入PT1的表達(dá)式，可得【OCL電路小結(jié)】1.輸出功率2.電源功率PE=2V2CC/

RL3.效率實(shí)際約為60%最大輸出功率時(shí)：RL+VCC+ui

+uo

VCC每只管子最大管耗為

0.2Pom5.選管原則PCM>0.2PomU(BR)CEO>2VCCICM>VCC/RL4.管耗RL+VCC+ui

+uo

VCC[例1]

在圖示電路中已知VCC

＝15V，輸入電壓為正弦波，晶體管的飽和管壓降UCES＝3V，電壓放大倍數(shù)約為1，負(fù)載電阻RL＝4

。（1）求解負(fù)載上可能獲得的最大功率和效率（2）若輸入電壓最大有效值為8V，則負(fù)載上能夠獲得的最大功率為多少。解（1）（2）因?yàn)閁O≈Ui，所以UO≈8V。最大輸出功率[例2]

已知：VCC=VEE=24V，RL=8

，忽略UCE(sat)

求Pom

以及此時(shí)的

PE、PT1，并選管。[解]PE=

2V2CC/

RL=2242//(

8)=45.9(W)=0.5(45.936)=4.9(W)U(BR)CEO>48VICM>24/8=3(A)可選：U(BR)CEO=60

100VICM=5APCM=10

15WRL+VCC+ui

+uo

VCC輸入電壓的正半周：＋VCC→T1→C→RL→地

C充電。輸入電壓的負(fù)半周：

C

的“＋”→T2→地→RL→C“－”

C放電。C足夠大，才能認(rèn)為其對(duì)交流信號(hào)相當(dāng)于短路。OTL電路低頻特性差。8.2.2單電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路—OTL電路(OutputTransformerless)一、OTL乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路存在的問題：交越失真2.OTL乙類互補(bǔ)電路圖解分析電容C2的作用：1)充當(dāng)VCC/2電源2)耦合交流信號(hào)當(dāng)ui=0時(shí)，1.電路結(jié)構(gòu)二、OTL甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路當(dāng)ui=0時(shí)：調(diào)節(jié)R1、R2，使T1、T2有個(gè)合適的偏置，并且當(dāng)ui>0時(shí)：T2導(dǎo)通，C2放電，T2的等效電源電壓

0.5VCC。當(dāng)ui<

0時(shí)：T1導(dǎo)通，C2充電，T1的等效電源電壓

+0.5VCC。應(yīng)用OCL電路有關(guān)公式時(shí)，要用VCC/2取代VCC。2.OTL電路工作原理OCL電路和OTL電路的比較OCLOTL

電源雙電源單電源信號(hào)交、直流交流頻率響應(yīng)好fL

取決于輸出耦合電容C電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單較復(fù)雜Pomax討論一：出現(xiàn)下列故障時(shí)，將產(chǎn)生什么現(xiàn)象?1.R1短路；2.R1斷路；3.D1短路；4.D1斷路；5.T1集電極開路。討論二：出現(xiàn)下列故障時(shí)，將產(chǎn)生什么現(xiàn)象?1.R2短路；2.R2斷路；3.D1短路；4.D1斷路；5.T1集電極開路。T2、T5的極限參數(shù)：PCM＝1.5W，ICM＝600mA，UBR（CEO）＝40V。

1、R1、R