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第四章 功率放大電路【本章主要內容】本章主要闡明功率放大電路的組成、最大輸出功率和效率的估算、以及集成功放的應用?！颈菊聦W時分配】本章有2講，每講2學時。第十四講 功率放大電路概述和互補功率放大電路一、主要內容1、 功率放大電路的基本概念和分類1) 功率放大電路的特點（1）大信號工作，采用圖解分析法（2）功率、效率、非線性失真為主要技術指標（3）功率器件的安全工作非常重要2) 功率放大電路的幾種工作狀態(tài)（1）甲類工作狀態(tài)，晶體管的導通角2，最大效率為50%。（2）乙類工作狀態(tài)，晶體管的導通角，最大效率為78.5%。（3）甲乙類工作狀態(tài)，晶體管的導通角2，最大效率介于甲類和乙類之間。3) 功率放大電路的類型（1）變壓器耦合功率放大電路變壓器耦合功率放大電路如P474圖9.1.3所示。這種電路的優(yōu)點是可實現(xiàn)阻抗變換，缺點是體積龐大、笨重、消耗有色金屬，且效率低，低頻和高頻特性較差。（2）無輸出變壓器的功率放大電路無輸出變壓器的功率放大電路（簡稱OTL電路）用一個大電容代替了變壓器，如P475圖9.1.4所示。該電路在靜態(tài)時電容上的電壓為VCC2。由于一般情況下功率放大電路的負載電流很大，電容容量常選為幾千微法，且為電解電容。電容容量愈大，電路低頻特性愈好。但是，當電容容量增達到一定程度時，電解電容不再是純電容，而存在漏阻和電感，使得低頻特性不會明顯改善。（3）無輸出電容的功率放大電路無輸出電容的功率放大電路（簡稱OCL電路）如P476圖9.1.5所示。此電路采用正、負電源交替供電，兩個晶體管輪流導通，輸出與輸入之間雙向跟隨。靜態(tài)時兩個管子均截止，輸出電壓為零。（4）橋式推挽功率放大電路橋式推挽功率放大電路（簡稱BTL電路）如P477圖9.1.6所示。該電路為單電源供電，且不用變壓器和大電容。由圖可見電路由四只特性對稱的晶體管組成，靜態(tài)時管子均處于截止狀態(tài)，負載上的電壓為零。BTL電路所用管子數(shù)量最多，難于做到管子特性理想對稱；且管子的總損耗大，使得電路的效率降低；另外電路的輸入和輸出均無接地點，因此有些場合不適用。OTL、OCL和BTL電路各有優(yōu)缺點，且均有集成電路，使用時應根據(jù)需要合理選擇。2、 OCL互補對稱功率放大電路1) OCL乙類互補對稱功率放大電路（1）電路的組成OCL乙類互補對稱功率放大電路見P476圖9.1.5。（2）存在的問題交越失真分析電路可知，當輸入電壓的數(shù)值|ui|Uon（Uon為晶體管be間的開啟電壓）時，T1和T2均截止，輸出電壓uO為0；只有當|ui|Uon時，T1或T2才導通，它們的基極電流失真，如P478圖9.2.1所示，因而輸出電壓波形產生交越失真。2) OCL甲乙類互補對稱功率放大電路（1）電路組成及工作原理OCL甲乙類互補對稱功率放大電路如P478圖9.2.2所示。靜態(tài)時，從+VCC經過R1、R2、D1、D2、R3到VCC有一個直流電流，它在T1和T2管兩個基極間所產生的電壓為UB1、B2UR2UD1UD2使UB1、B2略大于T1管發(fā)射結和T2管發(fā)射結開啟電壓之和，從而使兩只管子均處于微導通狀態(tài)。另外靜態(tài)時應調節(jié)R2，使發(fā)射極電位UE為0，即輸出電壓uO為0。當所加信號按正弦規(guī)律變化時，由于D1、D2的動態(tài)電阻很小，而且R2的阻值也很小，所以認為T1和T2管的基極電位的變化近似相等。這樣，當ui0且逐漸增大時，T1管基極電流隨之增大，而T2管基極電流隨之減小，最后截止，負載電阻上得到正方向的電流。同樣道理，當ui0且逐漸減小時，T2管基極電流隨之增大，而T1管基極電流隨之減小，最后截止，負載電阻上得到負方向的電流。這樣，即使ui很小，總能保證至少有一只晶體管導通，從而消除了交越失真。（2）分析計算，求輸出功率、管耗、電源提供的功率及效率當輸入電壓足夠大，且又不產生飽和失真時，電路的圖解分析如P480圖9.2.4所示。由圖示可知電路最大輸出電壓等于電源電壓減去晶體管的飽和電壓，即（VCCUCES）。另外由圖9.2.2可知，負載電阻上通過的電流就是管子的發(fā)射極電流。最大輸出功率Pom電路的輸出功率Po為式中UOM為輸出電壓的幅值。當輸出最大不失真電壓時UOMVCCUCES，此時輸出功率為最大，即管耗PT每只管子的管耗為顯然當UOM0時，管子的損耗為零。當UOMVCCUCES時，管子的損耗為總管耗為：PTPT1PT22PT1直流電源提供的功率PVPVPT1PT2PO=2 PT1PO當UOMVCCUCES時效率PoPV ，當UOMVCC（忽略UCES）時，478.5%（3）最大管耗PT1max與輸出功率的關系最大管耗不是發(fā)生在輸出功率最大時。由管耗的計算公式知，管耗是輸出電壓幅值UOM的函數(shù)，用求極限的方法可求得，最大管耗時的UOM2VCC故最大管耗為式中的為不考慮晶體管飽和壓降（即UCES為0）時的最大輸出功率。（4）功放管的選擇由前面的分析知，在查閱手冊選擇功放管時，應使極限參數(shù)U(BR)CEO2VCC，ICM VCCRL，PCM0.2，另外一定要嚴格按手冊要求安裝散熱片。二、本講重點1、 功率放大電路的特點（與電壓放大電路比較）及類型。2、 OCL甲乙類互補對稱功率放大電路的結構、特點及工作原理。3、 功率、效率和管耗的計算及相互關系。4、 功放管的選擇。三、本講難點1、功率放大電路的分析與計算。四、教學組織過程本講以講授為主，并通過例題掌握功率、效率和管耗的計算。五、課后習題見相應章節(jié)的“習題指導”。 第十五講 改進型OCL電路一、主要內容1、 功率放大電路的安全運行1）功率管的安全工作區(qū)，受集電極允許的最大電流ICM，最大電壓U(BR)CEO和最大功耗PCM以及二次擊穿臨界曲線的限制。2）功率管的散熱問題在一定的溫度下，散熱能力越強，晶體管允許的功耗PCM就越大；另一方面，環(huán)境溫度Ta越低，允許的功耗PCM也越大。2、復合管的組成及其電流放大系數(shù) 1）復合管的組成原則（1）在正確的外加電壓下，每只管子的各極電流均有合適的通路，且均工作于放大區(qū)；（2）應將第一只管子的集電極或發(fā)射極電流做為第二只管子的基極電流。（3）后級管子的不能將前級管子的箝位 ；（4）當使用FET構成復合管時，F(xiàn)ET只能作為第一級； 2）復合管的電流放大系數(shù)采用復合管結構可使等效管的電流放大系數(shù)約增大到組成的各管的電流放大系數(shù)之積。3、復合管共射放大電路的動態(tài)分析及其特點1）復合管共射放大電路的動態(tài)分析其動態(tài)分析方法與基本共射電路基本相同，只是復合管放大電路中的晶體管不只一個，應分別畫出各晶體管的h參數(shù)等效模型，動態(tài)參數(shù)的計算也較為復雜。2）復合管共射放大電路的特點電壓放大倍數(shù)與單管時相當，但輸入電阻明顯增大。與單管放大電路相比，當輸入信號相同時，從信號源索取的電流將顯著減少。3）四種類型的復合管 4、甲乙類互補功率放大電路為解決交越失真，可給三極管稍稍加一點偏置，使之工作在甲乙類,如圖所示。 (a)利用二極管提供偏置電壓 (b)利用三極管恒壓源提供偏置5、準互補對稱功率放大電路當輸出功率較大時，輸出級的推動級，即末前級也應該是一個功率放大級。此時往往采用復合管。復合管的極性由前面的一個三極管決定。由NPN-NPN或PNP-PNP復合而成的一般稱為達林頓管。如P166圖4.11所示。二、本講重點1、 功率管的散熱問題，主要說明管子的安全使用。2、 復合管的構成原則及其電流放大倍數(shù)；3、 集成功率放大電路的結構、功能、性能指標的意義及其應用。三、本講難點1、 功率管的散熱問題。2、 集成功率放大電路的應用。四、教學組織過程借助多媒體的動畫效果理解功率管的散熱問題，講授集成功率放大電路的應用。五、課后習題1、 見相應章節(jié)的“習題指導”。 【本章小結】1、 功率放大電路是在電源電壓確定情況下，以輸出盡可能大的不失真的信號功率和具有盡可能高的轉換效率為組成原則，功放管常常工作在盡限應用狀態(tài)。低頻功放有變壓器耦合乙類推挽電路、OTL、OCL、BTL等電路。2、 功放的輸入信號幅值較大，分析時應采用圖解法。OCL電路為直接耦合功率放