第九章低頻功率放大電路9.1低頻功率放大電路概述9.2互補對稱功率放大電路9.3集成功率放大器9.1低頻功率放大電路概述9.1.1分類功率放大電路按放大信號的頻率,可分為低頻功率放大電路和高頻功率放大電路。前者用于放大音頻范圍(幾十赫茲到幾十千赫茲)的信號,后者用于放大射頻范圍(幾百千赫茲到幾十兆赫茲)的信號。本課程僅介紹低頻功率放大電路。功率放大電路按其晶體管導(dǎo)通時間的不同，可分為甲類、乙類、甲乙類和丙類等四種。甲類功率放大電路的特征是在輸入信號的整個周期內(nèi),晶體管均導(dǎo)通,有電流流過;乙類功率放大電路的特征是在輸入信號的整個周期內(nèi),晶體管僅在半個周期內(nèi)導(dǎo)通,有電流流過;甲乙類功率放大電路的特征是在輸入信號周期內(nèi),管子導(dǎo)通時間大于半周而小于全周;丙類功率放大電路的特征是管子導(dǎo)通時間小于半個周期。其中前三種的工作狀態(tài)示意圖如圖9-1所示。圖9–1甲類、乙類、甲乙類功率放大電路的工作狀態(tài)示意圖9.1.2功率放大器的特點1.輸出功率要足夠大如輸入信號是某一頻率的正弦信號,則輸出功率表達式為式中,Io、Uo均為有效值。如用振幅值表示,,代入公式(9-1),則（9-1）(9-2)式中,Iom、Uom分別為負載RL上的正弦信號的電流、電壓的幅值。2.效率要高放大器實質(zhì)上是一個能量轉(zhuǎn)換器,它是將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成交流信號的能量輸送給負載,因此,要求轉(zhuǎn)換效率高。為定量反映放大電路效率的高低,引入?yún)?shù)η,它的定義為式中,Po為信號輸出功率,PE是直流電源向電路提供的功率。在直流電源提供相同直流功率的條件下,輸出信號功率愈大,電路的效率愈高。(9-3)3.非線性失真要小為使輸出功率大,由式(9-2)可知Iom、Uom也應(yīng)大,故功率放大器采用的三極管均應(yīng)工作在大信號狀態(tài)下。由于三極管是非線性器件,在大信號工作狀態(tài)下,器件本身的非線性問題十分突出,因此,輸出信號不可避免地會產(chǎn)生一定的非線性失真。當輸入是單一頻率的正弦信號時,輸出將會存在一定數(shù)量的諧波。諧波成分愈大,表明非線性失真愈大,通常用非線性失真系數(shù)γ表示,它等于諧波總量和基波成分之比通常情況下,輸出功率愈大,非線性失真就愈嚴重。9.1.3提高輸出功率的方法1.提高電源電壓選用耐壓高、容許工作電流和耗散功率大的器件。集電極與發(fā)射極之間的擊穿電壓要大于管子實際工作電壓的最大值,即集電極最大允許的電流要大于管子實際工作電流的最大值,即集電極允許的耗散功率要大于集電極實際耗散功率的最大值,即2.改善器件的散熱條件普通功率三極管的外殼較小,散熱效果差,所以允許的耗散功率低。當加上散熱片,使得器件的熱量及時散熱后,則輸出功率可以提高很多。例如低頻大功率管3AD6在不加散熱片時,允許的最大功耗Pcm僅為1W,加了120mm×120mm×4mm的散熱片后,其Pcm可達到10W。在實際功率放大電路中,為了提高輸出信號功率,在功放管一般加有散熱片。9.1.4提高效率的方法功率放大器的效率主要取決于功放管的工作狀態(tài)。下面用圖解法進行分析。圖9-2所示是三極管放大電路的輸出特性和交流負載線。假設(shè)圖中特性曲線是理想曲線,直線MN為交流負載線,Q為靜態(tài)工作點。在最佳情況下,由圖9-2可看出,ON≈2Icm=2ICQ為輸出電流的峰-峰值,OM≈2Ucem=UCC為輸出電壓的峰-峰值。放大電路輸出功率為即為△M′MQ的面積。圖9-2功放的圖解法(甲類放大狀態(tài))電源提供的直流功率為即為OMBA的面積值,故效率其最大效率η≤50%。如圖9-2所示狀態(tài),三極管在信號的整個周期內(nèi)(導(dǎo)通角θ=36０°)都處于導(dǎo)通狀態(tài),工作在甲類放大狀態(tài)。為了提高效率，應(yīng)提高輸出功率Po,降低電源供給功率PE,通常采用如下方法。1.改變功放管的工作狀態(tài)將靜態(tài)工作點Q下移,如圖9-3所示,這時三極管只在半個信號周期內(nèi)導(dǎo)通,另半個周期處于截止狀態(tài),即導(dǎo)通角θ=180°,工作在乙類放大狀態(tài)。在乙類功率放大電路中,功放管靜態(tài)電流幾乎為零,因此直流電源功率為零。當輸入信號逐漸加大時,電源提供的直流功率也逐漸增加,輸出信號功率隨之增大,所以乙類的功率放大效率比甲類的要高。但是由于乙類放大狀態(tài)的導(dǎo)通角為180°,故輸出電壓波形將產(chǎn)生嚴重失真。為減小失真,可以采用互補對稱電路,使兩管輪流導(dǎo)通,以保證負載上獲得完整的正弦波形。圖9–3乙類放大狀態(tài)2.選擇最佳負載功放三極管若工作在乙類放大狀態(tài)下(電路如圖9-4所示),當負載改變時,交流負載線的斜率也改變,輸出的電流Icm將隨之變化,故輸出功率也改變。從圖9－4中可以看出,負載線為MA時的輸出功率比MB時的大。但負載線為MC時,已超過最大功率損耗線,管耗將大于Pcm,管子將被燒壞,故存在一個最佳負載RL。該圖顯然表明,當交流負載線為MA時,負載為最佳負載。一般情況下,當電源UCC確定后,過UCC點做Pcm線的切線,該切線對應(yīng)的負載即為最佳負載。圖9–4最佳負載的確定9.2互補對稱功率放大電路9.2.1雙電源互補對稱電路(OCL電路)1電路組成和工作原理雙電源互補對稱電路如圖9-5所示,圖中V1為NPN型三極管,V2為PNP型三極管。為保證工作狀態(tài)良好,要求該電路具有良好的對稱性,即V1、V2管特性對稱,并且正負電源對稱。當信號為零時,偏流為零,它們均工作在乙類放大狀態(tài)。圖9–5雙電源互補對稱電路設(shè)兩管的門限電壓均等于零。當輸入信號ui=0,則ICQ=0,兩管均處于截止狀態(tài),故輸出uo=0。當輸入端加一正弦信號,在正半周時,由于ui>0,因此V1導(dǎo)通、V2截止,ic1流過負載電阻RL;在負半周時,由于ui<0,因此V1截止、V2導(dǎo)通,電流ic2通過負載電阻RL,但方向與正半周相反。即V1、V2管交替工作,流過RL的電流為一完整的正弦波信號,波形如圖9-2所示。由于該電路中兩個管子導(dǎo)電特性互為補充,電路對稱,因此該電路稱為互補對稱功率放大電路。2.指標計算雙電源互補對稱電路工作圖解分析如圖9-6所示。圖9-6(a)為V1管導(dǎo)通時的工作情況。圖9-6(b)是將V2管的導(dǎo)通特性倒置后與V1特性畫在一起,讓靜態(tài)工作點Q重合,形成兩管合成曲線,圖中交流負載線為一條通過靜態(tài)工作點的斜率為 的直線AB。由圖上可看出輸出電流、輸出電壓的最大允許變化范圍分別為2Icm和2Ucem,Icm和Ucem分別為集電極正弦電流和電壓的振幅值。圖9–6雙電源互補對稱電路的圖解分析(1)輸出功率Po:當考慮飽和壓降Uces時,輸出的最大電壓幅值為一般情況下,輸出電壓的幅值Ucem總是小于電源電壓UCC值,故引入電源利用系數(shù)ξ(9-6)(9-4)(9-5)將(9-6)式代入(9-4)式得當忽略飽和壓降Uces時,即ξ=1,輸出功率Pom可按下式估算:(9-7)(9-8)圖9-7Po與ξ關(guān)系曲線(2)效率η:η由(9-3)式確定。為此應(yīng)先求出電源供給功PE。圖9–8集電極電流ic波形因此,直流電源UCC供給的功率為因考慮是正負兩組直流電源,故總的直流電源的供給功率為(9-9)(9-10)(9-11)圖9-9PE與ξ的關(guān)系曲線當ξ=1時,效率η最高,即顯然,直流電源供給的功率PE與電源利用系數(shù)成正比。當靜態(tài)時,Ucem=0,ξ=0,故PE=0。當ξ=1時,PE也為最大。PE與ξ的關(guān)系曲線如圖9-9所示。將(9-7)、(9-11)式代入(9-3)式中則得(9-12)(9-13)(3)集電極功率損耗Pc:(9-14)Pc與ξ的關(guān)系是一拋物線方程,其曲線如圖9-10所示,當ξ=0時,Pc=0；當ξ為某一特定值時,Pc最大,將(9-14)式求導(dǎo),可求得極值坐標。圖9-10Pc與ξ的關(guān)系曲線解得(9-15)將此值代入(9-14)式中,得最大集電極功率損耗值Pcmax:考慮(9-8)式得(9-16)此式是兩管總的集電極功率損耗,而在互補對稱電路中,每管僅工作半個周期,所以每管的功率損耗為由上得出在互補對稱功率放大電路中選擇功率管的原則:(9-17)(9-18)(9-19)3.存在問題(1)交越失真。圖9-5所示的波形關(guān)系是假設(shè)門限電壓為零,且認為是線性關(guān)系。而實際中晶體管輸入特性門限電壓不為零,且電壓、電流關(guān)系也不是線性關(guān)系,在輸入電壓較低時,輸入基極電流很小,故輸出電流也十分小。因此輸出電壓在輸入電壓較小時,存在一小段死區(qū),此段輸出電壓與輸入電壓不存在線性關(guān)系,產(chǎn)生了失真。由于這種失真出現(xiàn)在通過零值處,故稱為交越失真。交越失真波形如圖9-11所示。圖9–11互補對稱功率放大電路的交越失真克服交越失真的措施就是避開電壓死區(qū),使每一個晶體管處于微導(dǎo)通狀態(tài)。當輸入信號一旦加入,晶體管立即進入線性放大區(qū)。而當靜態(tài)時,雖然每一個晶體管處于微導(dǎo)通狀態(tài),由于電路對稱,兩管靜態(tài)電流相等,流過負載電流為零,從而消除了交越失真。消除交越失真的電路如圖9-12所示。圖9-12(a)是利用V3管的靜態(tài)電流IC3Q在電阻R1上的壓降來提供V1、V2管所需的偏壓,即(9-20)圖9–12克服交越失真的幾種電路圖9-12(b)是利用二極管的正向壓降為V1、V2提供所需的偏壓,即圖9-12(c)是利用UBE倍壓電路向V1、V2管提供所需的偏壓,其關(guān)系推導(dǎo)如下:所以(9-21)(9-22)(2)用復(fù)合管組成互補對稱電路功率放大電路的輸出電流一般很大。例如當有效值為12V的輸出電壓加至8Ω的負載上時,將有1.5A的有效值電流流過功率管,其振幅值約為2.12A。而一般功率管的電流放大系數(shù)均不大,若設(shè)β=20,則要求基極推動電流為100mA以上,這樣大的電流由前級(又稱為前置級)供給是十分困難的,為此需要進行電流放大。一般通過復(fù)合管來解決此問題,即將第一管的集電極或發(fā)射極接至第二管的基極,就能起到電流放大作用。具體的接法如圖9-13所示。它們的等效電流放大系數(shù)均近似為(9-23)圖9–13復(fù)合管的幾種接法圖9–14復(fù)合管互補對稱級圖9–15準互補對稱電路9.2.2單電源互補對稱電路(OTL電路)雙電源互補對稱電路需要兩個正負獨立電源,有時使用起來不方便。當僅有一路電源時,可采用單電源互補對稱電路,如圖9-16所示。圖9–16單電源互補對稱電路9.2.3實際功率放大電路舉例圖9-17為OCL準互補對稱電路,它由輸入級、中間級、輸出級及偏置電路組成。圖9–17OCL準互補對稱功率放大電路圖9-18集成運放作為前置級的OCL電路9.3集成功率放大器9.3.1內(nèi)部電路組成簡介圖9-19中虛線框內(nèi)為DG4100系列單片集成功放內(nèi)部電路。它由三級直接耦合放大電路和一級互補對稱放大電路構(gòu)成,并由單電源供電,輸入及輸出均通過耦合電容與信號源和負載相連,是OTL互補對稱功率放大電路。圖9-19DG4100集成功放與外接元件總電路圖因為反饋由輸出端直接引至輸