模擬電子技術(shù)第23講.ppt

在多級(jí)放大電路中，輸出的信號(hào)往往是送去驅(qū)動(dòng) 一定的裝置。如，收音機(jī)的揚(yáng)聲器線圈、電動(dòng)機(jī)的控 制線圈等。多級(jí)放大電路除了應(yīng)有電壓放大外，還要 求有一個(gè)能輸出一定信號(hào)功率的輸出級(jí)。,主要向負(fù)載提供一定大小的功率為目的的放大電 路稱為功率放大電路。,例： 擴(kuò)音系統(tǒng),功率放大,電壓放大,信號(hào)提取,1,8.1 功率放大電路的一般問(wèn)題,1. 功放電路與普通放大電路的比較,都是能量轉(zhuǎn)換電路，把直流能量轉(zhuǎn)換為信號(hào)能量。,(1) 共同點(diǎn)：,(2) 不同點(diǎn)：,普通放大電路：,要求負(fù)載得到不失真電壓信號(hào)，不要求輸出功率；電路工作在小信號(hào)狀態(tài)，研究的問(wèn)題是電壓放大倍數(shù)、輸入和輸出電阻、帶寬等。,要求負(fù)載得到一定的不失真或失真較小的輸出功率；電路工作在大信號(hào)狀態(tài)，研究的問(wèn)題是提高輸出功率和效率。,電壓放大電路可用微變等效電路法和圖解法分析 而功率放大電路只能用圖解法。,2,2.功放電路研究的主要問(wèn)題,要求輸出功率盡可能大;,即要求輸出電流和電壓都大，管子運(yùn)行在極限狀態(tài)。,8.1 功率放大電路的一般問(wèn)題,效率是指負(fù)載得到的有用信號(hào)功率與電源供給的直流功率之比，比值越大效率越高。,功率與失真是一對(duì)矛盾，一般輸出功率越大失真越嚴(yán)重。,功放電路中很大一部分功率被集電結(jié)消耗掉，使結(jié)溫上升，為充分利用允許的管耗輸出足夠大的功率，散熱非常重要。,為輸出足夠大的功率，管子承受的電壓很高，通過(guò)的電流很大，管子較容易損壞。,3,8.1 功率放大電路的一般問(wèn)題,.功率放大電路的類型,功率放大電路按其靜態(tài)工作點(diǎn)在負(fù)載線上所處 位置不同，或按輸入正弦信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)功放管 的導(dǎo)通角來(lái)分，可分為甲類、乙類和甲乙類等類型.,輸入正弦信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)功放管均導(dǎo)通，或 靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在直流負(fù)載線的中間部分，功放管 的導(dǎo)通角為;失真小，但效率低。,4,輸入正弦信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)功放管僅導(dǎo)通半個(gè)周 期，或靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在截止區(qū)的邊緣，功放管導(dǎo)通 角為;效率高，但嚴(yán)重失真。,5,輸入正弦信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)功放管導(dǎo)通半個(gè)多 周期，靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)但靠近截止區(qū)，導(dǎo) 通角為 。效率高，可以消除交越失真。,動(dòng) 畫,6,射極輸出器 的特點(diǎn)：,1.電壓放大倍數(shù)接近1但永遠(yuǎn)小于1;,2.輸入電阻高，適合做多級(jí)放大電路的輸入級(jí);,3.輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)， 適合做多級(jí)放大電路的輸出級(jí);,8.2 射極輸出器甲類功率放大電路實(shí)例,7,2.射極輸出器作功放 電路的原理圖,T：工作在放大狀態(tài) VBE=0.6V,vi：為正弦信號(hào)， 幅度比較大,v0：為輸出信號(hào)， v0= vi-0.6,VOm+ = VCC - 0.2,8,8.3 乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路,8.3.1. 電路組成,T1和 T2分別為NPN 管和 PNP 管構(gòu)成互補(bǔ)對(duì)稱電路。,靜態(tài)時(shí)兩個(gè)管子均不取電流, 有信號(hào)時(shí)兩個(gè)管子輪流導(dǎo)電, 各向負(fù)載提供半個(gè)周期的輸出波形，從而形成一種推拉式輸出結(jié)構(gòu)。,+UCC和-UCC為兩個(gè)電源,T1和 T2兩個(gè)射極輸出器組成的基本互補(bǔ)對(duì)稱電路,vi的正半周,vi的負(fù)半周,9,8.3.2 工作原理(設(shè)ui為正弦波),1.靜態(tài)分析,ui=0vic1、ic2均為0（乙類 工作狀態(tài)）uo=0v,當(dāng)ui 0V時(shí),T1截止，T2導(dǎo)通,當(dāng)ui 0V時(shí),T1導(dǎo)通，T2截止,iL= ic1 ;,iL=ic2,兩管交替工作得到完整的正弦波,動(dòng) 畫,8.3 乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路,10,(1) 靜態(tài)電流 ICQ、IBQ等于零； (2) 每管導(dǎo)通時(shí)間為半個(gè)周期 ； (3) 存在交越失真。,特點(diǎn)：,交越失真：在乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放電路中，在兩功放 管輪流導(dǎo)通的交接班期間出現(xiàn)的非線性失真。,交越失真,動(dòng) 畫,三極管存在著死區(qū)電壓。,11,8.3.2 分析計(jì)算,ic的變化范圍：Icm ，vCE的變化范圍： (VCC-VCES),若忽略管子的飽和壓降VCES，則Vcem=IcmRLVCC,8.3 乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路,12,當(dāng)輸入信號(hào)足夠大時(shí):,獲得最大輸出功率：,功率三角形：,13,若圖T9.1所示電路中晶體管飽和管壓降的數(shù)值為UCES， 則最大輸出功率POM 。,14,設(shè)輸出電壓為：v0=Vomsint,兩只管子平均管耗：,P=2PT1=2PT2,15,16,當(dāng)輸出電壓幅度達(dá)到最大，即 Vom VCC 時(shí)，則得電源供給的最大功率為：,17,當(dāng)Vom VCC 時(shí)，則效率最高：,18,例: (北方交通大學(xué)2000年研究生入學(xué)試題) 若要設(shè)計(jì)一個(gè)輸出功率為10W的乙類功率放大器，則應(yīng) 選擇PCM至少為_(kāi)W的功率管兩只管子。,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 Po,要求輸出功率為10W,要用兩個(gè)額 定管耗大于2W的管子。,19,例.如圖，設(shè)BJT的100，VBE=0.7V，VCES=0.5V，ICEO=0，電容C對(duì)交流視為短路。輸入信號(hào)vi為正弦波。(1) 計(jì)算電路可能達(dá)到的最大不失真輸出功率Pom；(2)此時(shí)Rb應(yīng)調(diào)節(jié)到什么數(shù)值？(3)此時(shí)電路的效率？試與工作在乙類的互補(bǔ)對(duì)稱電路比較。,解.(1),v0(t)=V0+Vmsint，V0為直流分量， Vm為交流振幅,故. V0+VmVCES,故. 2VmVCC -VCES,于是Vm的有效值：,最大不失真功率：,20,例.如圖，設(shè)BJT的100，VBE=0.7V，VCES=0.5V，ICEO=0，電容C對(duì)交流視為短路。輸入信號(hào)vi為正弦波。(1) 計(jì)算電路可能達(dá)到的最大不失真輸出功率Pom；(2)此時(shí)Rb應(yīng)調(diào)節(jié)到什么數(shù)值？(3)此時(shí)電路的效率？試與工作在乙類的互補(bǔ)對(duì)稱電路比較。,解.(2),此時(shí)臨近T飽和,21,例.如圖，設(shè)BJT的100，VBE=0.7V，VCES=0.5V，ICEO=0，電容C對(duì)交流視為短路。輸入信號(hào)vi為正弦波。(1) 計(jì)算電路可能達(dá)到的最大不失真輸出功率Pom；(2)此時(shí)Rb應(yīng)調(diào)節(jié)到什么數(shù)值？(3)此時(shí)電路的效率？試與工作在乙類的互補(bǔ)對(duì)稱電路比較。,解.(3),遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于乙類功率放大的78.5,22,例.如圖，已知VCC=12V，RL=16，vi為正弦波，(1) 在BJT的飽和壓降可以忽略不計(jì)的情況下，負(fù)載上可能得到的最大輸出功率Pom， (2)每只管子允許的管耗PCM至少應(yīng)為多少？(3)每個(gè)管子的耐壓應(yīng)為多大？,解.(1),(2)每只管子允許的管耗PCM至少應(yīng)為多少,(3)每個(gè)管子的耐壓應(yīng)為多大？,23,1.功率管集電極的最大允許功耗,8.3.3 功率BJT的選擇,如果要求輸出功率為10W，則只要用兩個(gè)額定 管耗大于2W的管子就可以了。,8.3 乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路,2.功率管的最大耐壓,3.功率管的最大集電極電流,24,8.3.3 功率BJT的選擇,8.3 乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路,例. 如圖,設(shè)VCC=12V,RL=8，BJT的極限ICM=2A，V(BR)CEO=30V PCM=5W，(1)求POm指出BJT是否安全。(2)=0.6時(shí)的PO。,解.1） POm,BJT是否安全要看實(shí)際iCM和vCEM是否超過(guò)極限參數(shù),BJT是安全的,25,8.3.3 功率BJT的選擇,8.3 乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路,例. 如圖,設(shè)VCC=12V,RL=8，BJT的極限ICM=2A，V(BR)CEO=30V PCM=5W，(1)求POm指出BJT是否安全。(2)=0.6時(shí)的PO。,解.2）,根據(jù),26,8.4甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路,為了克服乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放電路中出現(xiàn)的交越失 真，需要給兩只功放管一個(gè)靜態(tài)偏置小電流，使兩只 功放管靜態(tài)時(shí)處于微導(dǎo)通狀態(tài)，其靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在 放大區(qū)但靠近截止區(qū)。,電路一,利用二極管提供偏置電壓,T3：前置電壓放大級(jí),預(yù)功放級(jí),靜態(tài)時(shí)，在D1、D2上產(chǎn)生的壓降為T1、T2提供一個(gè)合適的偏壓，使之處于微導(dǎo)通狀態(tài)。但因電路對(duì)稱使ic1=ic2，iL=0，v0=0,27,利用三極管恒壓源提供偏置,T1：前置電壓放大級(jí),預(yù)功放級(jí),Rc1、R1 、R2 、T4組成偏置電路，給T2、T3提供適當(dāng)偏壓，使之靜態(tài)時(shí)工作在微導(dǎo)通狀態(tài),8.4甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路,28,8.4甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路,8.4.1甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路,例: 某互補(bǔ)對(duì)稱電路如圖所示，已知三極管T1 、T2的飽和壓降為VCES =1V, VCC=18V,RL= 8. (1)計(jì)算電路的最大不失真輸出功率Pomax； (2)計(jì)算電路的效率； (3)求每個(gè)三極管的最大管耗PT； (4)為保證電路正常工作， 所選三極管U(BR)CEO和 CM應(yīng)為多大；,29,解.,30,8.4甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路,8.4.1甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路,例: 某互補(bǔ)對(duì)稱電路如圖所示，已知三極管T1 、T2的飽和壓降為VCES =1V, VCC=18V,RL= 8. (3)求每個(gè)三極管的最大管耗PT； (4)為保證電路正常工作，所選三極管 U(BR)CEO和CM應(yīng)為多大；,(4)當(dāng)一個(gè)管子處于飽和狀態(tài)，另一個(gè)管子 c、e間承受的電壓接近2VCC所以，,解.,31,8.4.2甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路(OTL),1.電原理圖,T1、T2：,兩支互補(bǔ)對(duì)稱管；,R1、R2、R3、D1、D2：,組成偏置電路，靜態(tài)時(shí)使功放管處于微導(dǎo)通狀態(tài)，消除交越失真；,為容量較大的電容器： 用來(lái)作為T2導(dǎo)通時(shí)的電源。,C：,8.4甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路,32,靜態(tài)分析,因電路對(duì)稱，靜態(tài)時(shí)兩個(gè)晶體管發(fā)射極連接點(diǎn)電位為電源電壓的一半，負(fù)載中沒(méi)有電流。,電容C兩端的電壓:,33,動(dòng)態(tài)分析,ui0T1導(dǎo)通，T2截止在負(fù)載上有正半周的電流通過(guò)。,ui0T1截止，T2導(dǎo)通在負(fù)載上有負(fù)半周的電流通過(guò)。,IB1,IB2,34,將雙電源該為單電源后， 應(yīng)將VCC改為VCC/2。,如：,35,例: (北京郵電大學(xué)1999年研究生入學(xué)試題) OTL互補(bǔ)對(duì)稱功放如 圖所示，設(shè)電容 C足夠大，三極管的飽和電壓降VCES=1V,RL=8問(wèn)：,(1)按功放分類，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)負(fù)載RL得到的最大不失真輸出功率Pomax。,甲乙類,解.(1),(2)為T1、T2管提供靜態(tài)偏置電壓，動(dòng)態(tài)情況下可消除 Ui幅度較小時(shí)由于三極管的死區(qū)而引起的交越失真。,(3)調(diào)節(jié)電位器使三極管T1、T2的基極B1、B2間有一合適的電流D和壓降VB1B2,壓降確保T1、T2 管在靜態(tài)時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。,(4),36,集成功率放大器廣泛用于音響、電視和小電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方面。集成功放是在集成運(yùn)算放大器的電壓互補(bǔ)輸出級(jí)后，加入互補(bǔ)功率輸出級(jí)而構(gòu)成的。大多數(shù)集成功率放大器實(shí)際上也就是一個(gè)具有直接耦合特點(diǎn)的運(yùn)算放大器。它的使用方法原則上與集成運(yùn)算放大器相同。,8.5集成功率放大電路,37,8.5.1 功率器件的散熱問(wèn)題,集成功放使用時(shí)不能超過(guò)規(guī)定的極限參數(shù)，極限參數(shù)主要有功耗和最大允許電源電壓。集成功放要加有足夠大的散熱器，保證在額定功耗下溫度不超過(guò)允許值。,8.5集成功率放大電路,2.通常的散熱措施是給功放管加裝散熱片。,3.散熱片（板）是銅、鋁等導(dǎo)熱性能良好的金屬材料制成的，尺寸越大散熱能力越強(qiáng)，使用時(shí)可根據(jù)散熱要求的不同來(lái)選配。,38,為了適用大功率的要求，開(kāi)發(fā)了一種V形開(kāi)槽 的縱向MOS，稱VMOS；隨后又出現(xiàn)了一種更新的 雙擴(kuò)散MOS，稱DMOS。,39,2.DMOS,40,2.VMOS和DMOS器件的優(yōu)點(diǎn),(1)與MOS器件一樣是電壓控制電流器件，輸入阻抗極 高，因此所需驅(qū)動(dòng)電流極小，功率增益高；,(2)VMOS不會(huì)出現(xiàn)熱擊穿，溫度穩(wěn)定性好；,(3)高頻特性好；,(4)導(dǎo)通電阻rDS??；,41,8.5.3 以MOS功率管作輸出級(jí)的甲乙類功率放大器,SHM1150II BiMOS集成功率放大器,v01,v02,v02,v01-v02,8.5集成功率放大電路,42,12V 50V,POmax 150W,43,=22V,8.5.4 BJT集成功率放大器舉例,LM380 集成音頻功率放大器,8.5集成功率放大電路,44,=22V,8.5.4 BJT集成功率放大器舉例,LM380 集成音頻功率放大器,8.5集成功率放大電路,45,1功率放大器的特點(diǎn)：工作在大信號(hào)狀態(tài)下，輸出電壓和輸出電流都很大。要求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，并用互補(bǔ)對(duì)稱結(jié)構(gòu)使其基本不失真。這種功率放大器理論上的最大輸出效率可以達(dá)到78.5。,3互補(bǔ)對(duì)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。,小 結(jié),46,例1互補(bǔ)對(duì)稱功放電路如圖，VCC=-VEE=20V ,RL=8，T1與T2管的VCES=2V 1)當(dāng)T3輸出信號(hào)VO3=10V有效值時(shí)，計(jì)算 電路的輸出功率、管耗、直流電源供給功 率和效率。 2)該電路不失真的最大輸出功率、效率和 所需VO3有效值是多少？,解 1) T3的輸出VO3也就是OCL的輸入信號(hào),10v,輸出功率:,直流電源供給功率:,每支管子的管耗:,效率:,47,例1互補(bǔ)對(duì)稱功放電路如圖，VCC=-VEE=20V ,RL=8，T1與T2管的VCES=2V 1)