1、 5.1 功率放大電路的一般問題 5.2 乙類雙電源互補對稱功率放大電路 5.3 甲乙類互補對稱功率放大電路 *5.4 集成功率放大器 *5.5 功率器件第五章 功率放大電路1第五章 功率放大電路 教學內(nèi)容： 本章以分析功率放大電路的輸出功率、 效率和非線性失真之間的矛盾為主線，逐步 提出解決矛盾的措施。在電路方面，以互補 對稱功率放大電路為重點進行較詳細的分析 與計算。教學要求： 本章需要重點掌握典型功放電路最大輸出功率、效率、管耗的分析計算和功放管選擇。2 功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。它一般直接驅(qū)動負載，帶負載能力強。 功率放大電路主要要求獲得一定的不失真的輸出功率，

2、通常在大信號狀態(tài)下工作。1.功率放大電路定義5.1 功率放大電路的一般問題 5.1.1 功率放大電路的特點及主要研究對象 32功率放大電路與電壓放大電路的區(qū)別 （1）本質(zhì)相同 電壓放大電路或電流放大電路主要用于增強電壓幅度或電流幅度。 功率放大電路主要輸出較大的功率。 但無論哪種放大電路，在負載上都同時存在輸出電壓、電流和功率，從能量控制的觀點來看，放大電路實質(zhì)上都是能量轉(zhuǎn)換電路。因此，功率放大電路和電壓放大電路沒有本質(zhì)的區(qū)別。稱呼上的區(qū)別只不過是強調(diào)的輸出量不同而已。4（2）任務(wù)不同 電壓放大電路主要任務(wù)是使負載得到不失真的電壓信號。輸出的功率并不一定大。在小信號狀態(tài)下工作。 功率放大電路主

3、要任務(wù)是使負載得到不失真（或失真較?。┑妮敵龉β?。在大信號狀態(tài)下工作。（3）指標不同 電壓放大電路主要指標是電壓增益、輸入和輸出阻抗 功率放大電路主要指標是功率、效率、非線性失真不同：（4）研究方法不同 電壓放大電路：圖解法、等效電路法 功率放大電路：圖解法 53.功率放大電路的特殊問題 （1）功率要大 （2）效率要高 （3）失真要小 （4）散熱要好 為了獲得大的功率輸出,要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度,管子往往在接近極限運用狀態(tài)下工作. 效率是負載得到的信號功率與電源供給功率的比值。它代表了電路將電源直流能量轉(zhuǎn)換為輸出交流能量的能力. 功率放大電路是在大信號下工作,所以不可避免地

4、會產(chǎn)生非線性失真,這就使輸出功率和非線性失真成為一對主要矛盾。 功率放大電路中,大量的功率消耗在集電結(jié)上,使結(jié)溫和管殼溫度升高.為了使管子輸出足夠大的功率,散熱要好。 64放大電路的工作狀態(tài)分類 （1）甲類放大 (A類) 功率管的導電角= 2 整個周期有電流； 失真小，但效率低。 （2）乙類放大(B類) 功率管的導電角 = 一半時間無電流； 效率高，但有交越失真。7（3）甲乙類放大(AB類) 此時功率管的導電角滿足： 2。 少半時間無電流； 效率高，可以消除交越失真。*（4）丙類放大(C類) 功率管的導電角小于半個周期，即0 0，T1就開始導電，則在一周期內(nèi)T1導電時間約為半周期。 隨著vi的

5、增大，工作點沿著負載線上移，則io = iC1增大，vo 也增大，當工作點上移到圖中A點時，UCE1 =VCES ，已到輸出特性的飽和區(qū)，此時輸出電壓達到最大不失真幅值 Vomax 。根據(jù)上述圖解分析，可得輸出電壓的幅值為Vom = IomRL = VCC - VCE1 ,其最大值為Vommax= VCC - VCES 。T2管的工作情況和T1相似，只是在信號的負半周導電。16AB兩管的工作情況： 為了便于分析兩管的工作情況，將T2的特性曲線倒置在T1的右下方，并令二者在Q點，即VCE = VCC處重合，形成T1和T2的所謂合成曲線。這時負載線通過VCC點形成一條斜線，其斜率為 -1/RL。顯

6、然:允許的io的最大變化范圍為:2Iom， vo的變化范圍為: 2Vom=2IomRL=2(VCC-VCES)。 若忽略管子的飽和壓降VCES ，則Vommax 2VCC 。 根據(jù)以上分析，可求出工作在乙類的互補對稱電路的輸出功率、管耗、直流電源供給的功率和效率。172. 性能指標分析計算 (設(shè)輸出電壓幅值為Vom時) 1) 輸出功率 最大輸出功率18 2) 管耗 單個管子在半個周期內(nèi)的管耗兩管管耗193)直流電源提供的功率 PV 直流電源供給的功率PV 包括負載得到的信號功率和T1、T2消耗的功率兩部分。20 4)效率 效率就是負載得到的有用信號功率和電源供給的直流功率的比值。一般情況下效率

7、：215.2.3 功率三極管BJT的選擇1.最大允許管耗與最大輸出功率的關(guān)系 222.功率BJT的選擇 在功率放大電路中，為了輸出較大的信號功率，管子承受的電壓要高，通過的電流要大，功率管損壞的可能性也就比較大，所以功率管的參數(shù)選擇不容忽視。選擇時一般應(yīng)考慮BJT的三個極限參數(shù)，即集電極最大允許功率損耗PCM ，集電極最大允許電流ICM和集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓V(BR)CEO 。 由前面知識點的分析可知，若想得到最大輸出功率，又要使功率BJT安全工作，BJT的參數(shù)必須滿足下列條件：（1） 每只BJT的最大管耗PT1max0.2 Pomax（2）通過BJT的最大集電極電流為ICM VCC

8、/ RL（3）考慮到當T2導通時，-vCE2 =VCES 0 ，此時vCE1具有最大值，且等于2VCC . 應(yīng)選用反向擊穿電壓| V(BR)CEO | 2VCC的管子。注意：在實際選擇管子時，其極限參數(shù)還要留有充分的余地。23例題（課本中例.） 功放電路如下圖所示，設(shè)VCC12V，RL，BJT的極限參數(shù)為ICM=2A， 。試求：（1）最大輸出功率Pom值，并檢驗所給三極管能否安全工作？（2）放大電路在 時的輸出功率PO值。 24解：（1）求Pom，并檢驗三極管的安全工作情況由得：又因為：可得：所求數(shù)值均分別小于所選三極管極限參數(shù)，故三極管 能安全工作。25（2）放大電路在 時的輸出功率PO值。

9、由式可得將Vom代入式得：26例已知輸入為正弦信號，L，.，要求最大輸出功率為，試在三極管飽和壓降可以忽略的情況下，求下列各值（）正負電源的最小值（取整數(shù)）（）根據(jù)VCC最小值，求三極管的ICM和V(BR)CEO最小值（）當輸出功率為最大時，輸入電壓有效值和兩個電阻上損耗的功率27解：由電路分析，電阻對功率放大器各參數(shù)有影響（）而?。ǎ?8（）半波整流正弦電流有效值：兩個電阻上的損耗功率PR29一、乙類互補對稱功率放大電路的交越失真 理想情況下，乙類互補對稱電路的輸出沒有失真。 實際電路中，由于沒有直流偏置，只有當輸入信號vi大于管子的門坎電壓（NPN硅管約為0.6V，PNP鍺管約為0.2V）

10、時，管子才能導通。 當輸入信號vi低于這個數(shù)值時，T1和T2都截止，ic1和ic2基本為零，負載RL上無電流通過，出現(xiàn)一段死區(qū)。這種現(xiàn)象稱為交越失真。 5.3 甲乙類互補對稱功率放大電路 5.3.1甲乙類雙電源互補對稱電路 30交越失真31 二、 甲乙類雙電源互補對稱電路 1. 基本電路 為了克服乙類互補對稱電路的交越失真，需要給電路設(shè)置偏置，使之工作在甲乙類狀態(tài)。 T3組成前置放大級，給功放級提供足夠的偏置電流。T1和T2組成互補對稱輸出級。靜態(tài)時，在D1、D2上產(chǎn)生的壓降為T1、T2提供了一個適當?shù)钠珘?，使之處于微導通狀態(tài)，工作在甲乙類。這樣，即使vi很小，也可線性地進行放大。 上述偏置方

11、法的缺點：偏置電壓不易調(diào)整，改進方法可采用VBE擴展電路。 利用二極管進行偏置的互補對稱電路322. VBE擴展電路 流入T4的基極電流遠小于流過R1、R2的電流，則由圖可求出：VCE4=VBE4(R1+R2)/R2由于VBE4基本為一固定值(硅管約0.60.7V)，只要適當調(diào)節(jié)R1、R2的比值，就可改變T1、T2的偏壓VCE4值。 VCE4就是T1、T2的偏置電壓這種電路稱為BE擴展電路331. 電路組成 T3組成前置放大級，T2和T1組成互補對稱電路輸出級 5.3.2 甲乙類單電源互補對稱電路 OTL(Outout Transformerless)342. 工作原理T3 組成前置放大級，T

12、2和T1組成互補對稱電路輸出級。 vi =0時，調(diào)節(jié)R1、R2，就可使IC3 、VB2和VB1達到所需大小，給T2和T1提供一個合適的偏置，從而使K點電位VK= VC= VCC/2 。 vi0時，在信號的負半周，T1導電，有電流通過負載RL，同時向C充電； vi0時，在信號的正半周，T2導電，則已充電的電容C起著雙電源互補對稱電路中電源 VCC 的作用，通過負載RL放電。只要選擇時間常數(shù)RLC足夠大(比信號的最長周期還大得多)，就可以認為用電容C和一個電源VCC可代替原來的+ VCC和 - VCC兩個電源的作用。 35 靜態(tài)時，通常K點電位VK = VC = VCC/ 2。為了提高電路工作點的

13、穩(wěn)定性能，常將 K 點通過電阻分壓(R1,R2)與前置放大電路的輸入端相連，以引入負反饋。其最終結(jié)果是使VK趨于穩(wěn)定。R1、R2 引入了交流負反饋，改善了性能指標。 在上圖中，假定由于溫度的變化使VK，則 VK VB3 B3 C3 VC3 VK 電路中電容C的作用： a.假定信號的負半周期中: T1+, T2-, C充電。 b.在信號的正半周期中: T1-, T2+, VCC斷開， C放電。363.單電源互補對稱電路存在的問題 單電源互補對稱電路解決了工作點的偏置和穩(wěn)定問題。 采用一個電源的互補對稱電路的偏置-OTL(outout transformerless)T337存在的問題: 輸出電壓

14、幅值達不到Vom= VCC/2?，F(xiàn)分析如下：當vi為負半周時，T1導電，因而iB1增加，由于Rc3上的壓降和VBE1的存在，當K點電位向+VCC接近時，T1的基流將受限制而不能增加很多，因而也就限制了T1輸向負載的電流，使RL兩端得不到足夠的電壓變化量，致使Vom明顯小于VCC/2。384.自舉電路 39 當vi =0時,vD= VD= VCC-Ic3 R3 ,而vK= VK= VCC/2,因此電容C3兩端電壓被充電到vC3= VCC/2 - Ic3 R3。當時間常數(shù)R3C3足夠大時,vC3(電容C3兩端電壓)將基本為常數(shù)(vC3VC3),不隨vi而改變。當vi為負時,T1導電,VK將由VCC

15、/2向更正方向變化,考慮到vD= vC3+ VK= VC3+ VK .顯然,隨著K點電位升高,D點電位vD也自動升高。因而,即使輸出電壓幅度升得很高,也有足夠的電流iB1,使T1充分導電。這種工作方式稱為自舉，意思是電路本身把vD提高了。原理：40這里介紹一個實用的OCL準互補功放電路。其中主要環(huán)節(jié)有 ： (1) 恒流源式差動放大輸入級（T1、T2、T3）；(2) 偏置電路（R1、D1、D2）；(3) 恒流源負載（T5）；(4) OCL準互補功放輸出級（T7、T8、T9、 T10）；(5) 負反饋電路（Rf、C1、Rb2構(gòu)成交流電壓串聯(lián)負反饋）； (6) 共射放大級（T4）；(7) 校正環(huán)節(jié)（

16、C5、R4）；(8) UBE倍增電路（T6、R2、R3）；(9) 調(diào)整輸出級工作點元件（Re7、Rc8、Re9、Re10）。將其集成起來，就成為集成功放電路。 *5.4 集成功率放大器實用功率放大器舉例41+24VuiRLT7T8RC8-24VR2R3T6Rc1T1T2Rb1Rb2C1RfR1D1D2T3Re3T4Re4C2T5Re5C3C4T9T10Re10Re7Re9C5R4BX差動放大級反饋級偏置電路共射放大級UBE倍增電路恒流源負載準互補功放級保險管負載實用的OCL準互補功放電路：42集成功放 LM384管腳說明:14 - 電源端（ V cc）3、4、5、7 - 接地端（ GND）10

17、、11、12 - 接地端（GND）2、6 - 輸入端 （一般2腳接地） 8 - 輸出端 （經(jīng)500 電容接負載）)12345 678910111213141 - 接旁路電容（5 ）9、13 - 空腳（NC）43集成功放 LM384 外部電路典型接法：500-+ 0.12.78146215+Vccvi8調(diào)節(jié)音量電源濾波電容外接旁路電容低通濾波,去除高頻噪聲輸入信號輸出耦合大電容舉例：習題5.4.1 P223441功率放大器的特點：工作在大信號狀態(tài)下，輸出電壓和輸出電流都很大。要求是在允許的失真條件下，盡可能提高輸出功率和效率。2為了提高效率，在功率放大器中，BJT常工作在乙類和甲乙類狀態(tài)下，并用

18、互補對稱結(jié)構(gòu)使其基本不失真。與甲類功率放大電路相比，乙類互補對稱功率放大電路的主要優(yōu)點是效率高，在理想情況下，其最大效率約為78.5%。 3互補對稱功率放大器的幾種主要結(jié)構(gòu)： OCL（雙電源）乙類,甲乙類。 OTL（單電源）乙類,甲乙類。 4. 為保證BJT安全工作，雙電源互補對稱電路工作在乙類時，器件的極限參數(shù)必須滿足：PCMPT1m0.2 Pom， |V(BR)CEO|2VCC， ICMVCC/RL。 本章小結(jié)455. 由于BJT輸入特性存在死區(qū)電壓，工作在乙類的互補對稱電路將出現(xiàn)交越失真，克服交越失真的方法是采用甲乙類(接近乙類)互補對稱電路。通常可利用二極管或VBE擴大電路進行偏置。

19、6. 在單電源互補對稱電路中，計算輸出功率、效率、管耗和電源供給的功率，可借用雙電源互補對稱電路的計算公式，但要用VCC/2代替原公式中的VCC。 7隨著半導體工藝、技術(shù)的不斷發(fā)展，輸出功率幾十瓦以上的集成放大器已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。功率VMOS管的出現(xiàn)，也給功率放大器的發(fā)展帶來了新的生機。46 1. 功率放大電路的主要特點和要解決的主要問題是什么？ 2. 哪種組態(tài)的放大電路作為功率放大電路較合適？為什么？ 3. 提高功率放大電路效率的思路是什么？ 4. 單從效率的角度來考慮，哪種工作方式的功放效率最高？ 5. 乙類工作方式存在的突出矛盾是什么？ 6. 互補對稱功放電路是如何解決效率與失真這對

20、矛盾的？思考題47 9. 乙類互補對稱功放的效率在理想情況下可達到多少？ 13. 功率器件在實際使用中應(yīng)注意哪些問題？ 10. 單電源互補對稱功放是如何工作的？ 11. 單電源互補對稱功放中的自舉電路是用來解決什么問題的？其原理是什么？ 12. 單電源互補對稱功放的輸出功率、管耗、電源供給的功率和效率的計算與雙電源的計算有何不同？ 7. 什么是交越失真？其產(chǎn)生的原因是什么？如何克服？ 8. 乙類互補對稱功放的分析計算：Po 、Pom 、PT1 、PT2 、Pv 、 、PT1m 及其與Pom的關(guān)系。48 例: (北京郵電大學1999年研究生入學試題) OTL互補對稱功放，設(shè)電容 C足夠大，三極管

21、的飽和電壓降VCES=1V,問： (1)按功放分類電路中T1、T2,的工作方式為那種； (2)電阻R1和D1、D2的作用； (3)電位器RW的作用； (4)試求負載RL 上得到的最大不失真輸出功率Pom、PV 、 和PT1m;(5)試求管子的極限參數(shù):集電極最大允許功率損耗PCM ，集電極最大允許電流ICM和集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓V(BR)CEO 。49 解:(4)（5）當一個管子處于飽和狀態(tài)，另一個管子c、e間承受的電壓接近2VCC ，所以：50 討論： 本題要求掌握雙電源互補對稱電路在極限狀態(tài)下 Pom、PV和 的計算。要注意題中所用的公式是在極限條件下推導的，實際功放電路可工作于

22、極限狀態(tài)也可工作在非極限狀態(tài)，所以要注意公式的應(yīng)用條件，切勿死套公式。51 例: (北方交通大學2000年研究生入學試題) 若要設(shè)計一個輸出功率為10W的乙類功率放大 器，則應(yīng)選擇PCM至少為_W的功率管兩只。 解：乙類功率放大器最大管耗與電路的最大輸出功率的關(guān)系是: PT1m = 0.2 Pom,要求輸出功率為10W,要用兩個額定管耗大于2W的管子。52 例: (北京理工大學1997年研究生入學試題) 功放電路中，已知運算放大器 A 具有理想特性，其最大輸出電壓幅度為 10V,最大輸出電流為10mA,|VBE|=0.7V,輸入電壓ui=Uimsint. (1)為獲得最大輸出功率，三極管的只至少應(yīng)為多少； (2)電路的最大輸出功率Pom (忽略三極管的飽和壓降和交越失真)；