第四章 功率放大電路【本章主要內(nèi)容】本章主要闡明功率放大電路的組成、最大輸出功率和效率的估算、以及集成功放的應(yīng)用。【本章學(xué)時(shí)分配】本章有2講，每講2學(xué)時(shí)。第十四講 功率放大電路概述和互補(bǔ)功率放大電路一、主要內(nèi)容1、 功率放大電路的基本概念和分類1) 功率放大電路的特點(diǎn)（1）大信號(hào)工作，采用圖解分析法（2）功率、效率、非線性失真為主要技術(shù)指標(biāo)（3）功率器件的安全工作非常重要2) 功率放大電路的幾種工作狀態(tài)（1）甲類工作狀態(tài)，晶體管的導(dǎo)通角2，最大效率為50%。（2）乙類工作狀態(tài)，晶體管的導(dǎo)通角，最大效率為78.5%。（3）甲乙類工作狀態(tài)，晶體管的導(dǎo)通角2，最大效率介于甲類和乙類之間。3) 功率放大電路的類型（1）變壓器耦合功率放大電路變壓器耦合功率放大電路如P474圖9.1.3所示。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)阻抗變換，缺點(diǎn)是體積龐大、笨重、消耗有色金屬，且效率低，低頻和高頻特性較差。（2）無(wú)輸出變壓器的功率放大電路無(wú)輸出變壓器的功率放大電路（簡(jiǎn)稱OTL電路）用一個(gè)大電容代替了變壓器，如P475圖9.1.4所示。該電路在靜態(tài)時(shí)電容上的電壓為VCC2。由于一般情況下功率放大電路的負(fù)載電流很大，電容容量常選為幾千微法，且為電解電容。電容容量愈大，電路低頻特性愈好。但是，當(dāng)電容容量增達(dá)到一定程度時(shí)，電解電容不再是純電容，而存在漏阻和電感，使得低頻特性不會(huì)明顯改善。（3）無(wú)輸出電容的功率放大電路無(wú)輸出電容的功率放大電路（簡(jiǎn)稱OCL電路）如P476圖9.1.5所示。此電路采用正、負(fù)電源交替供電，兩個(gè)晶體管輪流導(dǎo)通，輸出與輸入之間雙向跟隨。靜態(tài)時(shí)兩個(gè)管子均截止，輸出電壓為零。（4）橋式推挽功率放大電路橋式推挽功率放大電路（簡(jiǎn)稱BTL電路）如P477圖9.1.6所示。該電路為單電源供電，且不用變壓器和大電容。由圖可見(jiàn)電路由四只特性對(duì)稱的晶體管組成，靜態(tài)時(shí)管子均處于截止?fàn)顟B(tài)，負(fù)載上的電壓為零。BTL電路所用管子數(shù)量最多，難于做到管子特性理想對(duì)稱；且管子的總損耗大，使得電路的效率降低；另外電路的輸入和輸出均無(wú)接地點(diǎn)，因此有些場(chǎng)合不適用。OTL、OCL和BTL電路各有優(yōu)缺點(diǎn)，且均有集成電路，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要合理選擇。2、 OCL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路1) OCL乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路（1）電路的組成OCL乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路見(jiàn)P476圖9.1.5。（2）存在的問(wèn)題交越失真分析電路可知，當(dāng)輸入電壓的數(shù)值|ui|Uon（Uon為晶體管be間的開(kāi)啟電壓）時(shí)，T1和T2均截止，輸出電壓uO為0；只有當(dāng)|ui|Uon時(shí)，T1或T2才導(dǎo)通，它們的基極電流失真，如P478圖9.2.1所示，因而輸出電壓波形產(chǎn)生交越失真。2) OCL甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路（1）電路組成及工作原理OCL甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路如P478圖9.2.2所示。靜態(tài)時(shí)，從+VCC經(jīng)過(guò)R1、R2、D1、D2、R3到VCC有一個(gè)直流電流，它在T1和T2管兩個(gè)基極間所產(chǎn)生的電壓為UB1、B2UR2UD1UD2使UB1、B2略大于T1管發(fā)射結(jié)和T2管發(fā)射結(jié)開(kāi)啟電壓之和，從而使兩只管子均處于微導(dǎo)通狀態(tài)。另外靜態(tài)時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)R2，使發(fā)射極電位UE為0，即輸出電壓uO為0。當(dāng)所加信號(hào)按正弦規(guī)律變化時(shí)，由于D1、D2的動(dòng)態(tài)電阻很小，而且R2的阻值也很小，所以認(rèn)為T(mén)1和T2管的基極電位的變化近似相等。這樣，當(dāng)ui0且逐漸增大時(shí)，T1管基極電流隨之增大，而T2管基極電流隨之減小，最后截止，負(fù)載電阻上得到正方向的電流。同樣道理，當(dāng)ui0且逐漸減小時(shí)，T2管基極電流隨之增大，而T1管基極電流隨之減小，最后截止，負(fù)載電阻上得到負(fù)方向的電流。這樣，即使ui很小，總能保證至少有一只晶體管導(dǎo)通，從而消除了交越失真。（2）分析計(jì)算，求輸出功率、管耗、電源提供的功率及效率當(dāng)輸入電壓足夠大，且又不產(chǎn)生飽和失真時(shí)，電路的圖解分析如P480圖9.2.4所示。由圖示可知電路最大輸出電壓等于電源電壓減去晶體管的飽和電壓，即（VCCUCES）。另外由圖9.2.2可知，負(fù)載電阻上通過(guò)的電流就是管子的發(fā)射極電流。最大輸出功率Pom電路的輸出功率Po為式中UOM為輸出電壓的幅值。當(dāng)輸出最大不失真電壓時(shí)UOMVCCUCES，此時(shí)輸出功率為最大，即管耗PT每只管子的管耗為顯然當(dāng)UOM0時(shí)，管子的損耗為零。當(dāng)UOMVCCUCES時(shí)，管子的損耗為總管耗為：PTPT1PT22PT1直流電源提供的功率PVPVPT1PT2PO=2 PT1PO當(dāng)UOMVCCUCES時(shí)效率PoPV ，當(dāng)UOMVCC（忽略UCES）時(shí)，478.5%（3）最大管耗PT1max與輸出功率的關(guān)系最大管耗不是發(fā)生在輸出功率最大時(shí)。由管耗的計(jì)算公式知，管耗是輸出電壓幅值UOM的函數(shù)，用求極限的方法可求得，最大管耗時(shí)的UOM2VCC故最大管耗為式中的為不考慮晶體管飽和壓降（即UCES為0）時(shí)的最大輸出功率。（4）功放管的選擇由前面的分析知，在查閱手冊(cè)選擇功放管時(shí)，應(yīng)使極限參數(shù)U(BR)CEO2VCC，ICM VCCRL，PCM0.2，另外一定要嚴(yán)格按手冊(cè)要求安裝散熱片。二、本講重點(diǎn)1、 功率放大電路的特點(diǎn)（與電壓放大電路比較）及類型。2、 OCL甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及工作原理。3、 功率、效率和管耗的計(jì)算及相互關(guān)系。4、 功放管的選擇。三、本講難點(diǎn)1、功率放大電路的分析與計(jì)算。四、教學(xué)組織過(guò)程本講以講授為主，并通過(guò)例題掌握功率、效率和管耗的計(jì)算。五、課后習(xí)題見(jiàn)相應(yīng)章節(jié)的“習(xí)題指導(dǎo)”。 第十五講 改進(jìn)型OCL電路一、主要內(nèi)容1、 功率放大電路的安全運(yùn)行1）功率管的安全工作區(qū)，受集電極允許的最大電流ICM，最大電壓U(BR)CEO和最大功耗PCM以及二次擊穿臨界曲線的限制。2）功率管的散熱問(wèn)題在一定的溫度下，散熱能力越強(qiáng)，晶體管允許的功耗PCM就越大；另一方面，環(huán)境溫度Ta越低，允許的功耗PCM也越大。2、復(fù)合管的組成及其電流放大系數(shù) 1）復(fù)合管的組成原則（1）在正確的外加電壓下，每只管子的各極電流均有合適的通路，且均工作于放大區(qū)；（2）應(yīng)將第一只管子的集電極或發(fā)射極電流做為第二只管子的基極電流。（3）后級(jí)管子的不能將前級(jí)管子的箝位 ；（4）當(dāng)使用FET構(gòu)成復(fù)合管時(shí)，F(xiàn)ET只能作為第一級(jí)； 2）復(fù)合管的電流放大系數(shù)采用復(fù)合管結(jié)構(gòu)可使等效管的電流放大系數(shù)約增大到組成的各管的電流放大系數(shù)之積。3、復(fù)合管共射放大電路的動(dòng)態(tài)分析及其特點(diǎn)1）復(fù)合管共射放大電路的動(dòng)態(tài)分析其動(dòng)態(tài)分析方法與基本共射電路基本相同，只是復(fù)合管放大電路中的晶體管不只一個(gè)，應(yīng)分別畫(huà)出各晶體管的h參數(shù)等效模型，動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)算也較為復(fù)雜。2）復(fù)合管共射放大電路的特點(diǎn)電壓放大倍數(shù)與單管時(shí)相當(dāng)，但輸入電阻明顯增大。與單管放大電路相比，當(dāng)輸入信號(hào)相同時(shí)，從信號(hào)源索取的電流將顯著減少。3）四種類型的復(fù)合管 4、甲乙類互補(bǔ)功率放大電路為解決交越失真，可給三極管稍稍加一點(diǎn)偏置，使之工作在甲乙類,如圖所示。 (a)利用二極管提供偏置電壓 (b)利用三極管恒壓源提供偏置5、準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路當(dāng)輸出功率較大時(shí)，輸出級(jí)的推動(dòng)級(jí)，即末前級(jí)也應(yīng)該是一個(gè)功率放大級(jí)。此時(shí)往往采用復(fù)合管。復(fù)合管的極性由前面的一個(gè)三極管決定。由NPN-NPN或PNP-PNP復(fù)合而成的一般稱為達(dá)林頓管。如P166圖4.11所示。二、本講重點(diǎn)1、 功率管的散熱問(wèn)題，主要說(shuō)明管子的安全使用。2、 復(fù)合管的構(gòu)成原則及其電流放大倍數(shù)；3、 集成功率放大電路的結(jié)構(gòu)、功能、性能指標(biāo)的意義及其應(yīng)用。三、本講難點(diǎn)1、 功率管的散熱問(wèn)題。2、 集成功率放大電路的應(yīng)用。四、教學(xué)組織過(guò)程借助多媒體的動(dòng)畫(huà)效果理解功率管的散熱問(wèn)題，講授集成功率放大電路的應(yīng)用。五、課后習(xí)題1、 見(jiàn)相應(yīng)章節(jié)的“習(xí)題指導(dǎo)”。 【本章小結(jié)】1、 功率放大電路是在電源電壓確定情況下，以輸出盡可能大的不失真的信號(hào)功率和具有盡可能高的轉(zhuǎn)換效率為組成原則，功放管常常工作在盡限應(yīng)用狀態(tài)。低頻功放有變壓器耦合乙類推挽電路、OTL、OCL、BTL等電路。2、 功放的輸入信號(hào)幅值較大，分析時(shí)應(yīng)采用圖解法。OCL電路為直接耦合功率放