川大学模拟电子技术第八章.ppt

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1、8 8 功率放大电路功率放大电路8.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路乙类双电源互补对称功率放大电路8.4 甲乙类互补对称功率放大电路甲乙类互补对称功率放大电路*8.5 集成功率放大器集成功率放大器8.2 射极输出器射极输出器甲类放大的实例甲类放大的实例8.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题2.功率放大电路提高效率的主要途径功率放大电路提高效率的主要途径1.功率放大电路的特点及主要研究对象功率放大电路的特点及主要研究对象例例1：扩音系统扩音系统功率放大器的作用：功率放大器的作用：用作放大电路的用作放大电路的输出级输出级，以驱，以

2、驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、仪表仪表指针偏转等。指针偏转等。执行机构执行机构功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取例例2：温度控制温度控制R1-R3:标准电阻标准电阻Va:基准电压基准电压Rt:热敏电阻热敏电阻(负）负）A：电压放大器：电压放大器 温度调节温度调节过程过程VbvoRtT室温室温TVO1VOR1aR2Vcc+R3Rt 功功 放放b温控室温控室A+-vo1加加热热元元件件1.功率放大电路的特点及主要研究对象功率放大电路的特点及主要研究对象(1)功率放大电路功率放大电路 功功率率放放大大电电路路是是一一种种以以输输出出较

3、较大大功功率率为为目目的的的的放放大大电电路路。因因此此，要要求求同同时时输输出出较较大大的的电电压和电流。压和电流。管子工作在接近极限状态。管子工作在接近极限状态。一般直接驱动负载，带载能力要强。一般直接驱动负载，带载能力要强。#功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别吗？上的区别吗？上的区别吗？上的区别吗？没有，都是能量转换。（直流电源的直流电能没有，都是能量转换。（直流电源的直流电能转化为信号控制的交流电能）电压放大电路使负载得转化为信号控制的交流电能）

4、电压放大电路使负载得到尽可能大的不失真的电压信号，功率放大获得尽可到尽可能大的不失真的电压信号，功率放大获得尽可能大的不失真输出功率。能大的不失真输出功率。（2）功率放大电路的特点：）功率放大电路的特点：要求输出功率尽可能大要求输出功率尽可能大：输出信号电压和电流大，使放大管工作在极限状态，因此必须保证放大管的安使放大管工作在极限状态，因此必须保证放大管的安全工作。全工作。要求效率高要求效率高：效率效率负载得到的有用信号功率与负载得到的有用信号功率与电源提供的直流功率之比。电源提供的直流功率之比。要求非线性失真小要求非线性失真小：由于功率放大电路是大信号运由于功率放大电路是大信号运用，接近晶体

5、管的截止区和饱和区，容易产生非线用，接近晶体管的截止区和饱和区，容易产生非线性失真。性失真。可见，输出功率与非线性失真是功率放大可见，输出功率与非线性失真是功率放大电路的一对主要矛盾。电路的一对主要矛盾。功放管的散热功放管的散热:有相当大的功率消耗在管子上，引起有相当大的功率消耗在管子上，引起温升温升(3)要解决的问题要解决的问题 提高效率提高效率 减小失真减小失真 管子的保护管子的保护讨论对象讨论对象：大信号：大信号分析方法分析方法：图解法。图解法。(4)提高效率的途径提高效率的途径降低静态功耗，即减小静态电流。降低静态功耗，即减小静态电流。三三极极管管根根据据正正弦弦信信号号整整个个周周期

6、期内内的的导导通通情情况况，可可分为四个工作状态：分为四个工作状态：乙类：导通角等于乙类：导通角等于180180甲类：一个周期内均导通甲类：一个周期内均导通甲乙类：导通角大于甲乙类：导通角大于180180丙类：导通角小于丙类：导通角小于180180（5）功率放大电路的分类）功率放大电路的分类甲甲类类放放大大：三三极极管管360导导电电。输输入入信信号号在在整整个个周周期期内内都都有有电电流流流流过过放放大大器器件件。电电压压放放大大器器一一般般工工作作在在甲甲类类。其其输输出出功功率率由由功功率率三三角角形形确确定定。电电源源始始终终不不断断输输送送功功率率，在在没没有有交交流流信信号号输输入

7、入时时（也也意意味味着着没没有有交交流流信信号号输输出出），没没有有信信号号输输出出功功率率，电电源源提提供供的的功功率率全全部部消消耗耗在在管管子子（电电阻阻）上上（管管耗耗），并并转转化化为为热热量量散散发发出出去去；当当有有信信号号输输入入时时，其其中中有有一一部部分分转转化化为为有有用用的的信信号号输输出出功功率率。甲甲类类放放大大的的效效率率不不高高，理理论论上上不不超过超过50%。乙乙类类放放大大：三三极极管管180导导电电。功功率率放放大大电电路路必必须须考考虑虑效效率率问问题题。静静态态电电流流是是造造成成管管耗耗的的主主要要原原因因。为为了了降降低低静静态态时时的的工工作作电

8、电流流，三三极极管管从从甲甲类类工工作作状状态态改改为为乙乙类类工工作作状状态态。一一周周期期内内只只有有半半个个周周期期iC0。没没有有输输入入信信号号时时，信信号号输输出出功功率率为为零零，电电源源供供给给的的功功率率为为零零，管管耗耗为为零零。信信号号增增大大，电电源源供供给给的功率增大，输出功率增大。但输出出现了严重的失真。的功率增大，输出功率增大。但输出出现了严重的失真。甲甲乙乙类类放放大大：导导通通角角大大于于180。一一周周期期内内有有半半个个周周期期以以上上iC0。降低了静态工作电流。降低了静态工作电流。电压放大电路电压放大电路BJT工作在工作在甲类，乙类和甲乙类放大甲类，乙类

9、和甲乙类放大主要用于功率放大电路。主要用于功率放大电路。甲乙类和乙类放大虽降低了静态工作电流，但又产生了甲乙类和乙类放大虽降低了静态工作电流，但又产生了失真问题。如果不能解决乙类状态下的失真问题，乙类工作状失真问题。如果不能解决乙类状态下的失真问题，乙类工作状态在功率放大电路中就不能采用。态在功率放大电路中就不能采用。推挽电路或互补对称电路推挽电路或互补对称电路较较好地解决了乙类工作状态下的失真问题。好地解决了乙类工作状态下的失真问题。丁类（丁类（D类）类）开关状态半周期：饱和导通半周期：截止（6）性能指标性能指标输出功率：效率：直流电源供给集电极和偏置电路等直流功率之和非线性失真集电极效率：

10、电源供给集电极的直流功率8.2 射极输出器射极输出器甲类放大的实例甲类放大的实例2.功率及效率的计算功率及效率的计算1.电路结构及工作原理电路结构及工作原理 射极输出器的输射极输出器的输出电阻低，带负载能出电阻低，带负载能力强，但做功放不适力强，但做功放不适合。合。Rbvo VCCviibRE射极输出器能否做功率放大射极输出器能否做功率放大？RbvoVCCviRE射极输出器效率的估算：射极输出器效率的估算：(设设RL=RE)votvoibQicvceVCC若忽略晶体管的饱和若忽略晶体管的饱和压降和截止区，输出压降和截止区，输出信号信号v vo o的峰值最大只的峰值最大只能为：能为：vCEv v

11、o o的取的取值范围值范围Q Qi ic cV VCCCC直流负直流负载线载线交流负交流负载线载线VCEQVCC 静态工作点：静态工作点：为得到较大的输出信号，假设将射极输出器的静态为得到较大的输出信号，假设将射极输出器的静态工作点（工作点（Q Q）设置在负载线的中部，令信号波形正负半）设置在负载线的中部，令信号波形正负半周均不失真周均不失真 ，如下图所示。，如下图所示。1.1.直流电源输出的功率直流电源输出的功率2.2.最大负载功率最大负载功率3.3.最大效率最大效率(R RL L=R RE E时时)如何解决效率低的问题？如何解决效率低的问题？办法：办法：降低降低Q点。点。既降低既降低Q点又

12、不会引起截止失真的办法：点又不会引起截止失真的办法：采用采用推挽输出电路，推挽输出电路，或或互补对称射极输出器。互补对称射极输出器。缺点：缺点：会引起截止失真。会引起截止失真。8.3 乙类双电源互补对称乙类双电源互补对称功率放大电路功率放大电路8.3.2 分析计算分析计算8.3.1 电路组成电路组成8.3.3 功率功率BJT的选择的选择8.3.1 电路组成电路组成 由一对由一对NPNNPN、PNPPNP特性相同的互补三极管组成，采特性相同的互补三极管组成，采用正、负双电源供电。用正、负双电源供电。可看成两个可看成两个射随器射随器组合而成组合而成（AV=1），这种电路也称为这种电路也称为OCLO

13、CL（无输出电容器）互（无输出电容器）互补功率放大电路。补功率放大电路。工作原理工作原理 当输入信号处于正半周时，且当输入信号处于正半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此幅度远大于三极管的开启电压，此时时NPN型三极管导电，有电流通过型三极管导电，有电流通过负载负载RL，按图中方向由上到下，与，按图中方向由上到下，与假设正方向相同。假设正方向相同。当输入信号为负半周时，且幅度远当输入信号为负半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时大于三极管的开启电压，此时PNP型型三极管导电，有电流通过负三极管导电，有电流通过负 载载RL，按，按图中方向由下到上，与假设正方向相图中方向由下到上，与假设正方

14、向相反。于是两个三极管一个正半周，一反。于是两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电，个负半周轮流导电，在负载上将正半在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个完周和负半周合成在一起，得到一个完整的波形。整的波形。两个管子都工作在乙类放大状态，两个管子都工作在乙类放大状态，没有直流偏置。没有直流偏置。解决了输出失真解决了输出失真和效率的矛盾。和效率的矛盾。交越失真交越失真 严格说，输入信号严格说，输入信号很小时，达不到三极管的很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不导电。开启电压，三极管不导电。因此在正、负半周交替过因此在正、负半周交替过零处会出现一些非线性失零处会出现一些非线性失真，这个失

15、真称为交越失真，这个失真称为交越失真。真。8.3.2 分析计算分析计算图解分析图解分析动画1.最大不失真输出功率最大不失真输出功率Pomax设输入为正弦波，输出功率设输入为正弦波，输出功率Po为输出电压有效值和输出电流为输出电压有效值和输出电流有效值的乘积。有效值的乘积。实际输出功率实际输出功率Po1.最大不失真输出功率最大不失真输出功率Pomax忽略三极管的饱和压降，负载上的最大不失真功率为：忽略三极管的饱和压降，负载上的最大不失真功率为：2.电源供给的功率电源供给的功率PV当当 直流电源提供的功率为半个正弦波的平均功率，直流电源提供的功率为半个正弦波的平均功率，信号越大，电流越大，电源功率

16、也越大。信号越大，电流越大，电源功率也越大。3.3.管耗管耗P PT T 电源输入的直流功率，有一部分通过三极管转换为电源输入的直流功率，有一部分通过三极管转换为输出功率，剩余的部分则消耗在三极管上，形成三极管输出功率，剩余的部分则消耗在三极管上，形成三极管的管耗。显然的管耗。显然静态时，静态时，V Vomom=0=0 ，P PT T=0=0动态时，动态时，V Vomom越大？越大？P PT T越大？越大？两管管耗两管管耗4.效率效率 当当记忆方法：记忆方法：将将PT、P0、PV画成曲线，画成曲线，如图如图 所示所示,图中画阴影线图中画阴影线的部分即代表管耗。的部分即代表管耗。乙类互补功放电路

17、的管耗乙类互补功放电路的管耗每只每只BJTBJT的最大允许管耗的最大允许管耗P PCMCM必须大于必须大于P PT1MT1MOMOM；8.3.3 功率功率BJT的选择的选择 显然，显然，PT与与Vom呈非线性关系，有一个最大值。呈非线性关系，有一个最大值。可用可用PT对对Vom求导的办法找出这个最大值。求导的办法找出这个最大值。PTmax发发生在生在VomVCC处，将处，将VomVCC代入代入PT表达式，可得表达式，可得PTmax为为对一只三极管对一只三极管最大管耗与最大输出功率的关系最大管耗与最大输出功率的关系选管依据之一选管依据之一考虑到当考虑到当T2导通时，导通时，-vCE20,此时此时

18、vCE1具有最大值，具有最大值，且等于且等于2VCC。因此，应选用。因此，应选用|V（BR）CEO|2VCC 通过通过BJT的最大集电极电流为的最大集电极电流为VCC/RL，所选，所选BJT的的ICM一般不宜低于此值。一般不宜低于此值。功率BJT的选择（1）最大允许管耗PCMom（2）反向击穿电压V（BR）CEO2VCC（3）集电极最大允许电流ICMVCC/RL8.4 甲乙类互补对称功率甲乙类互补对称功率放大电路放大电路8.4.2 甲乙类单电源互补对称电路甲乙类单电源互补对称电路8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路甲乙类双电源互补对称电路 带自举电路的单电源功放带自举电路的单电源功放乙类互补对

19、称电路存在的问题乙类互补对称电路存在的问题乙类互补对称电路存在的问题乙类互补对称电路存在的问题实际测试波形实际测试波形 为解决交越失真，可给三极管稍稍加一点偏为解决交越失真，可给三极管稍稍加一点偏置，使之工作在甲乙类。置，使之工作在甲乙类。静态时静态时D1（R1）、）、D2（R2）为）为T1、T2提供一个适当的偏压，提供一个适当的偏压，使使T1、T2微导通，由于电路对称，微导通，由于电路对称，VK=0。偏置电压可通过。偏置电压可通过R1、R2调整。调整。1.静态偏置静态偏置可克服交越失真可克服交越失真2.动态工作情况动态工作情况二极管等效为恒压模型二极管等效为恒压模型设设T3已有合适已有合适的

20、静态工作点的静态工作点交流相当于短路交流相当于短路8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路甲乙类双电源互补对称电路VBE4可认为是定值可认为是定值 R1、R2不变时，不变时，VCE4也是定值，可看作也是定值，可看作是一个直流电源。是一个直流电源。调节R1、R2的比值，可以改变偏压值。甲乙类双电源互补对称功率放大电路功率输出部分甲乙类双电源互补对称功率放大电路功率输出部分的计算与乙类双电源互补对称功率放大电路的计算相同。的计算与乙类双电源互补对称功率放大电路的计算相同。动画8.4.2 甲乙类单电源互补对称电路甲乙类单电源互补对称电路 单单电电源源互互补补功功率率放放大大电电路路当当电电路路对对称称时

21、时，输输出出端端的的静静态态电电位位等等于于VK=VCC/2。为为了了使使负负载载上上仅仅获获得得交交流流信信号号，用用一一个个大大电电容容器器C串串联联在在负负载载与与输输出出端端之之间间。这这种种功功率率放放大大电电路路也也称称为为OTL（无无输输出出变变压压器）互补功率放大电路。器）互补功率放大电路。静态时，偏置电路使静态时，偏置电路使VKVCVCC/2（电容（电容C充电达充电达到稳态）。到稳态）。当有信号当有信号vi时时负半周负半周T1导通，有电流通过负载导通，有电流通过负载RL，同时向，同时向C充电充电正半周正半周T2导通，则已充电的电容导通，则已充电的电容C通过负载通过负载RL放电

22、。放电。只要满足只要满足RLC T信信，电容，电容C就就可充当原来的可充当原来的VCC。计算计算Po、PT、PV和和PTm的公式的公式必须加以修正，以必须加以修正，以VCC/2代替原来代替原来公式中的公式中的VCC。*8.5 集成功率放大器集成功率放大器 集成功率放大器广泛用于音响、电视和小电机的集成功率放大器广泛用于音响、电视和小电机的驱动方面。集成功放是在集成运算放大器的电压互驱动方面。集成功放是在集成运算放大器的电压互补输出级后，加入互补功率输出级而构成的。补输出级后，加入互补功率输出级而构成的。集成功放使用时不能超过规定的极限参数，集成功放使用时不能超过规定的极限参数，极限参数主要有功

23、耗和最大允许电源电压。集成极限参数主要有功耗和最大允许电源电压。集成功放要加有足够大的散热器，保证在额定功耗下功放要加有足够大的散热器，保证在额定功耗下温度不超过允许值。温度不超过允许值。LM380LM380外部引脚外部引脚功率器件功率器件1、功率器件的散热问题、功率器件的散热问题 在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在功放在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在功放管的集电结上，使管子发热，必须采取散热措施。管的集电结上，使管子发热，必须采取散热措施。常用的方法：常用的方法：加散热片加散热片表征散热能力的参数：表征散热能力的参数：热阻热阻阻碍热传导的阻力，阻碍热传导的阻力，通常用通常用/w 或或/mw 来表示。来表示。热阻越小，管子的散热能力越强。热阻越小，管子的散热能力越强。2、二次击穿现象、二次击穿现象3、功率管的保护、功率管的保护降额使用降额使用功放管的散热功放管的散热end