1、5.1功率放大電路的一般問題5.2級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱放大器的構(gòu)成原理5.3級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路、第5章功率放大電路、5.1功率放大電路的一般問題、1 .功率放大電路的定義、功率放大電路是以輸出大功率為目的的放大電路。 一般來說，直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，具有負(fù)載的能力很強(qiáng)。 2 .功率放大電路和電壓放大電路的差異(1) .本質(zhì)上相同的電壓放大電路或電流放大電路：主要增強(qiáng)電壓幅度或電流幅度。 功率放大電路：主要輸出大的功率。 但是，所有放大電路都同時(shí)存在輸出電壓、電流、功率到負(fù)載，從能量控制的觀點(diǎn)來看，放大電路實(shí)質(zhì)上是能量轉(zhuǎn)換電路。 因此，功率放大電路和電壓放大電路沒有本質(zhì)差異。 稱呼的不同，不過是被強(qiáng)調(diào)的力量的

2、不同。 5.1功率放大電路的一般問題，(2) .任務(wù)不同的電壓放大電路：主要任務(wù)是獲得負(fù)載沒有失真的電壓信號(hào)。 輸出的功率不一定大。 功率放大電路：主要的工作是獲得負(fù)載沒有失真(或失真小)的輸出功率。 在大信號(hào)狀態(tài)下工作。 (3) .指標(biāo)不同的電壓放大電路：主要指標(biāo)是電壓增益、輸入和輸出阻抗。 功率放大電路：主要指標(biāo)是功率、效率、非線性失真。 (4)研究方法不同的電壓放大電路：圖式，等效電路法功率放大電路：圖式，3 .功率放大電路的特殊問題，(1)功率大，(2)效率高，(3)失真小，(4)散熱好，為了得到大的功率輸出，要求放大器管的電壓和電流有足夠的輸出寬度，因此管效率是來自負(fù)載的有用信號(hào)功率

3、與來自電源的直流功率之比。 這表示電路將電源的直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量的能力，由于功率放大電路在大信號(hào)下工作，必然會(huì)產(chǎn)生非線性失真，輸出功率和非線性失真成為一對(duì)主要矛盾。 在功率放大電路中，相當(dāng)多的電力消耗施加在管道的集電接合上，接合使封裝溫度上升。 為了充分利用可允許的管的消耗并向管輸出充分的電力，放大裝置的散熱已成為重要的問題。 5.1功率放大電路的一般問題，4 .放大電路的動(dòng)作狀態(tài)分類，(1)甲類放大器在輸入正弦波信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，晶體管導(dǎo)通，晶體管中流過電流。 這種工作方式被稱為甲類擴(kuò)大。 被稱為a級(jí)的擴(kuò)大。 此時(shí)，在整個(gè)周期上，功率管的導(dǎo)電角=2。(2)b級(jí)放大(b級(jí)放大)在輸入正弦波

4、信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，晶體管只導(dǎo)通半個(gè)周期。 稱為乙類擴(kuò)大。 如圖2所示，此時(shí)的功率管的導(dǎo)電角=。 5.1功率放大電路的一般問題，4 .放大電路的動(dòng)作狀態(tài)分類，(3)AB級(jí)放大(ab級(jí)放大)在輸入正弦信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，半個(gè)周期以上晶體管導(dǎo)通。 稱為PS級(jí)擴(kuò)大。 如圖所示，此時(shí)功率管的導(dǎo)電角滿足 2。 (4)專業(yè)級(jí)放大(c級(jí)放大)功率管的導(dǎo)電角小于半周期，即小于0 0，T2斷開，T1負(fù)責(zé)放大任務(wù)，電流流過負(fù)載RL，(c )互補(bǔ)對(duì)稱(OCL )電路：為了使在負(fù)載中獲得的波形的正、負(fù)半周的大小相同因此，圖1所示的電路通常被稱為b級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱電路。 該電路由兩個(gè)發(fā)射器輸出器組成。 圖中，T1和T2分別是NP

5、N型管和PNP型管，兩管的基極和發(fā)射極相互連接，從基極輸入信號(hào)，從發(fā)射極輸出，RL是負(fù)載，是5.2乙級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱放大器的構(gòu)成原理，2 .乙級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱放大器的圖解分析。 (功率放大電路的分析任務(wù)是求出最大輸出、效率和晶體管的工作參數(shù)等。 分析的關(guān)鍵是vo的變化范圍。在分析方法中，由于BJT以較大的信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，因此一般采用圖解法。 下圖表示vi為正的半周期時(shí)T1的動(dòng)作狀況。 在圖中，假設(shè)T1在vBE1=vi 0時(shí)開始導(dǎo)通，則T1的導(dǎo)通時(shí)間在一個(gè)周期內(nèi)約為半個(gè)周期。 隨著vi變大，若工作點(diǎn)沿負(fù)載線移動(dòng)，則io=iC1變大，vo也變大，若工作點(diǎn)移動(dòng)至圖中的a點(diǎn)，則vCE1=VCES達(dá)到輸出特性的飽和區(qū)

6、域，此時(shí)輸出電壓達(dá)到不最大失真的振幅Vomax。 另外，根據(jù)上述的圖解解析，輸出電壓的振幅是Vom=IomRL=VCC - VCE1，其最大值是Vommax=VCC - VCES。 T2管的動(dòng)作與T1相似，但是在信號(hào)的負(fù)半周通電。 兩管的工作狀況：為了容易分析兩管的工作狀況，把T2的特性曲線倒向T1的右下，在q點(diǎn)，即vCE=VCC上重疊，形成T1和T2的所謂合成曲線。 此時(shí)，負(fù)載線形成通過VCC點(diǎn)的斜線，其斜率為-1/RL。 很明顯，io的最大變化范圍是2Iom，vo的變化范圍是2Vom=2IomRL=2(VCC-VCES )。 如果忽略管的飽和電壓降VCES，則變?yōu)閂ommax 2VCC。

7、根據(jù)以上分析，可以簡單地求出作用于乙類的互補(bǔ)對(duì)稱電路的輸出功率、管消耗、直流電源供給的功率和效率。 5.2乙類互補(bǔ)對(duì)稱放大器的構(gòu)成原理，4 .乙類互補(bǔ)對(duì)稱放大器的管費(fèi)考慮到T1和T2在1個(gè)信號(hào)周期內(nèi)各通電約180，通過兩管的電流和兩管兩端的電壓vCE分別在數(shù)值上相等(僅在時(shí)間上錯(cuò)開半個(gè)周期)。 因此，為了求出總管的消耗，只要求出單管的消耗就可以了。 假設(shè)輸出電壓vo=Vomsinwt，T1的管理費(fèi)用是，5.2乙級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱放大器的配置原理、5 .乙級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱放大器的效率、效率是從負(fù)載獲得的有用信號(hào)功率與由電源供給的直流功率之比。 為了計(jì)算效率，必須首先分析直流電源供給的電力PV。 這是因?yàn)樵谕ㄟ^

8、負(fù)載獲得的信號(hào)功率與在T1、T2上消耗的功率這兩個(gè)部分，即，和輸出電壓的振幅為最大，即，Vom=VCC時(shí)，從電源供給的最大功率為，所以通常，效率是5.2乙類的互補(bǔ)對(duì)稱放大器的結(jié)構(gòu)原理6最大管費(fèi)用在乙類基本的互補(bǔ)對(duì)稱電路上工作，靜態(tài)時(shí)，管費(fèi)幾乎不取電流，管費(fèi)接近零，因此輸入信號(hào)小時(shí)，輸出功率小，管費(fèi)也容易理解，但輸入信號(hào)越大，輸出功率也越大，管的消耗越大那么，最大管費(fèi)發(fā)生在怎樣的狀況下呢？因?yàn)橹拦軗p式、管損PT1是輸出電壓振幅Vom的函數(shù)，所以能夠用求出極值的方法解。指令，0.6 VCC，此時(shí)的最大管費(fèi)，因?yàn)?.2級(jí)互補(bǔ)的對(duì)稱放大器的構(gòu)成原理，6最大管費(fèi)和最大輸出功率的關(guān)系，為了容易選擇放大器

9、管，總是將最大管費(fèi)與放大器電路的最大輸出功率耦合。 最大輸出式：上式經(jīng)常被用作選擇管作為乙類的互補(bǔ)對(duì)稱電路的根據(jù)，說明如果輸出為10W，2個(gè)額定管消耗2W以上的管即可。 當(dāng)然，在實(shí)際選擇軟管時(shí)，應(yīng)該留有充分的安全馀地。 因?yàn)樯厦娴挠?jì)算是在理想的情況下進(jìn)行的。 得到、每個(gè)管的最大管消耗量和最大輸出功率的關(guān)系，為了加深印象，可以用Po、PT1、PV和Vom/VCC的關(guān)系曲線(圖1所示)觀察變化規(guī)律。 圖中以Vom/VCC表示的參數(shù)為橫軸，分別以相對(duì)值表示縱軸。 5.2乙類互補(bǔ)對(duì)稱放大器的構(gòu)成原理，7 .功率BJT的選擇，和功率放大器電路中，為了輸出大的信號(hào)功率，施加在管上的電壓高，通過的電流大，功

10、率管損壞的可能性也大，所以功率管的參數(shù)選擇不可忽視?？紤]BJT的三個(gè)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)射極之間的逆耐壓V(BR)CEO來進(jìn)行選擇。 從之前的知識(shí)點(diǎn)的分析可知，為了得到最大輸出功率，使功率BJT安全地工作，BJT的參數(shù)需要滿足以下條件： (1)每個(gè)BJT的最大管損失pt1max0.2pomax； (2)通過BJT的最大集電極電流為icmvoc/rl； (3)t2時(shí)-vCE2=VCES 0，此時(shí)vCE1具有最大值，與2VCC相等，因此請(qǐng)選擇反向耐壓| V(BR)CEO | 2VCC的管道。 實(shí)際選擇氣管時(shí)，請(qǐng)注意其極限參數(shù)有足夠的馀量。

11、5.3ab級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，1 .乙級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的串?dāng)_，理想的是乙級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱電路的輸出沒有失真。 實(shí)際的乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路(圖)因?yàn)闆]有直流偏置，所以只在輸入信號(hào)vi比管的閾值電壓(NPN硅管約0.6V，PNP鍺管約0.2V )大的情況下，管導(dǎo)通。 當(dāng)輸入信號(hào)vi低于該值時(shí)，T1和T2都關(guān)斷，ic1和ic2基本上為0，如圖所示，在負(fù)載RL中沒有電流流動(dòng)，能夠產(chǎn)生死區(qū)。 這種現(xiàn)象稱為越境失真。5.3ab級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路、2.ab級(jí)雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路、2.1基本電路需要對(duì)電路設(shè)置偏置，使其在ab級(jí)狀態(tài)下工作，以克服乙級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱電路中的串?dāng)_。 如圖所示。圖中： T3構(gòu)成前置放大級(jí)

12、(注意，在圖中未描繪T3的偏置電路)，向放大器級(jí)供給足夠的偏置電流。 T1和T2構(gòu)成互補(bǔ)的對(duì)稱輸出級(jí)。 靜態(tài)時(shí)，D1、D2發(fā)生的電壓降向T1、T2提供適當(dāng)?shù)钠秒妷?，使之成為微?dǎo)通狀態(tài)，在ab級(jí)工作。 這樣即使vi小(D1和D2的交流電阻也小)，也能大致直線地放大。 上述偏置方法的缺點(diǎn)：偏壓的調(diào)整不容易，改進(jìn)方法可以采用VBE擴(kuò)展電路。 如圖2.2 VBE擴(kuò)展電路VBE擴(kuò)展電路圖所示，圖中，如果流過T4的極電流遠(yuǎn)小于流過R1、R2的電流，則從圖中可以看出E4=VBE4(R1 R2)/R2的VBE4大致為一定值(硅管約為0.60.7V )，因此R1、R2 Vce4把T1、T2的偏置電壓這一電路稱

13、為VBE擴(kuò)展電路，5.3ab級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路、3.ab級(jí)單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路、3.1電路結(jié)構(gòu)、ab級(jí)單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路如圖所示。T3構(gòu)成前置放大級(jí)，T2和T1構(gòu)成互補(bǔ)對(duì)稱電路的輸出級(jí)，3.2的工作原理在vi=0時(shí)，通過調(diào)節(jié)R1、R2，能夠使IC3、VB2和VB1成為所需的大小，通過對(duì)T2和T1提供適當(dāng)?shù)钠?，k點(diǎn)電位vk=VC=VC 在vi0時(shí)，當(dāng)信號(hào)的負(fù)半周T1導(dǎo)通，電流流過負(fù)載RL，同時(shí)充電到c的信號(hào)的正半周期T2導(dǎo)通時(shí)，被充電的電容器c在雙電源的互補(bǔ)對(duì)稱電路中作為電源-VCC工作，通過負(fù)載RL放電。 如果選擇時(shí)間常數(shù)RLC充分大(遠(yuǎn)大于信號(hào)的最長周期)，則可以認(rèn)為電容器c和一個(gè)電源V

14、CC可以置換原來的VCC和-VCC雙方的電源的作用。 5.3ab級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，3.ab級(jí)單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路，3.1電路結(jié)構(gòu)，T3構(gòu)成前置放大級(jí)，T2和T1構(gòu)成互補(bǔ)對(duì)稱電路輸出級(jí)。 另外，在3.2工作原理vi=0時(shí)，若調(diào)節(jié)R1、R2，則IC3、VB2和VB1成為必要的大小，能夠?qū)2和T1提供適當(dāng)?shù)钠茫瑥亩蔀閗點(diǎn)電位VK=VC=VCC/2。 在vi0時(shí)，當(dāng)信號(hào)的負(fù)半周T1導(dǎo)通，電流流過負(fù)載RL，同時(shí)充電到c的信號(hào)的正半周期T2導(dǎo)通時(shí)，被充電的電容器c在雙電源的互補(bǔ)對(duì)稱電路中作為電源-VCC工作，通過負(fù)載RL放電。 如果選擇時(shí)間常數(shù)RLC充分大(遠(yuǎn)大于信號(hào)的最長周期)，則可以認(rèn)為電容

15、器c和一個(gè)電源VCC可以置換原來的VCC和-VCC雙方的電源的作用。、5.3ab級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路、3.ab級(jí)單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路、3.3分析計(jì)算：采用一個(gè)電源的互補(bǔ)對(duì)稱電路，各管道的工作電壓不是原來的VCC，而是VCC /2，即輸出電壓幅度Vom最大也只達(dá)到約VCC /2，因此先導(dǎo)出的Po， 修改的方法也很簡單，只要將原始式的VCC替換為Vcc/2即可。4.1單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路的問題單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路解決了工作點(diǎn)的偏置和穩(wěn)定問題。 4 .自舉電路，但是輸出電壓振幅未達(dá)到Vom=VCC/2。 現(xiàn)在，(1)當(dāng)理想狀況vi為負(fù)的半周最大值時(shí)，iC3最小，vB1接近VCC，T1想在接近飽和狀態(tài)的狀

16、態(tài)下動(dòng)作，即，vCE1=VCES，因此，k點(diǎn)電位vK=VCC -VCESVCC。 當(dāng)vi是正的半周最大值時(shí)，T1關(guān)斷，T2接近飽和導(dǎo)電，并且vK=VCES0。 因此，在負(fù)載RL的兩端處所獲得的交流輸出電壓幅度Vom=VCC/2。 (2)實(shí)際上，當(dāng)vi成為負(fù)的半周期時(shí)，T1導(dǎo)通，因此iB1增加，通過Rc3的電壓降和vBE1的存在，當(dāng)k點(diǎn)電位接近VCC時(shí)，T1的基本電流被限制而不能增加，因此T1流過負(fù)載的電流也被限制，在RL的兩端不能得到充分的電壓變化量5.3ab級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路、4.2自舉電路、(1)電路解決上述矛盾的方法，可以使圖1的d點(diǎn)的電位上升，切斷VVDVCC，例如圖中的d點(diǎn)和VC

17、C的布線，從別的電源供給VD，就可以解決問題。 通過在電路中導(dǎo)入由R3、C3等元件構(gòu)成的所謂的自舉電路，可以如圖所示。(2)的工作原理是，圖中vi=0時(shí)，vD=VD=VCC-Ic3 R3，vK=VK=VCC/2，因此電容器T1的兩端電壓被充電到VC3=VCC/2 - Ic3 R3。 在時(shí)間常數(shù)R3C3足夠大的情況下，vC3 (電容器C3的兩端電壓)與vi無關(guān)地大致成為一定(vC3VC3 )。 已經(jīng)明確的是，在vi這樣為負(fù)的情況下，T1導(dǎo)通，vK從VCC/2向修正方向變化，若考慮vD=vC3 vK=VC3 vK，則隨著k點(diǎn)電位變高，d點(diǎn)電位vD也自動(dòng)變高。 因此，即使輸出電壓幅度變高，也存在足以使T1充分地電導(dǎo)通的電流iB1。 這個(gè)動(dòng)作方式稱為自舉，意味著電路本身提高了vD。 本章總結(jié)，功率放大電路在大信號(hào)下工作，通常用圖形分析。 研究的重點(diǎn)是如何在允許的失真中盡可能提高輸出功率和效率。 與a類功率放大電路相比，