最新模電功率放大電路

1、6.1 功率放大電路的功率放大電路的特殊問題特殊問題 l 輸出功率為主要技術指標。輸出功率為主要技術指標。 晶體管起能量轉換作用：晶體管起能量轉換作用： 電源提供的電源提供的直流電能直流電能轉化轉化為由信號控制的為由信號控制的輸出交輸出交變電能變電能。l 功率放大簡稱功率放大簡稱功放功放，l 與電壓放大電路相比較，與電壓放大電路相比較，主要考慮以下問題主要考慮以下問題。 第第6章章 功率放大電路功率放大電路 輸出大功率輸出大功率l輸出功率輸出功率是指受信號控制的輸出交變電是指受信號控制的輸出交變電壓和交變電流的乘積，即負載所得到的壓和交變電流的乘積，即負載所得到的功率。功率。l要求要求功放管功

2、放管輸出大電流和電壓輸出大電流和電壓。l功放管工作在功放管工作在接近極限狀態(tài)接近極限狀態(tài)，選擇功放，選擇功放管要考慮極限參數(shù)。管要考慮極限參數(shù)。6.1 功率放大電路的特殊問題功率放大電路的特殊問題 提高效率提高效率 l功率放大電路的功率放大電路的效率效率(efficiency)是指負是指負載得到的載得到的信號功率信號功率與與電源供給的電源供給的直流功直流功率率之比之比。l提高效率提高效率可以在相同輸出功率的條件下，可以在相同輸出功率的條件下，減小能量損耗，減小電源容量，降低成減小能量損耗，減小電源容量，降低成本。本。 減小失真減小失真 原因：功率放大電路的工作電流和電壓原因：功率放大電路的工作

3、電流和電壓要要超過特性曲線的線性范圍超過特性曲線的線性范圍，甚至接近，甚至接近于晶體管的飽和區(qū)和截止區(qū)。于晶體管的飽和區(qū)和截止區(qū)。造成非線性失真較嚴重，因此在使用中造成非線性失真較嚴重，因此在使用中必須必須兼顧兼顧提高交流提高交流輸出功率輸出功率和減小和減小非線非線性失真性失真這兩方面的指標。這兩方面的指標。 改善熱穩(wěn)定性改善熱穩(wěn)定性 l原因：原因：集電結上損耗功率大集電結上損耗功率大，會引起功放，會引起功放管結溫上升，可能會導致管子燒毀。管結溫上升，可能會導致管子燒毀。l因此大功率管都要因此大功率管都要安裝散熱器安裝散熱器，以便獲得，以便獲得大的輸出功率。大的輸出功率。l如何提高效率？如何提

4、高效率？甲類工作狀態(tài)甲類工作狀態(tài)l 管子導通時間為一個周期管子導通時間為一個周期。在單管放大電路中，。在單管放大電路中，為了得到不失真的輸出波形，將靜態(tài)工作點設置為了得到不失真的輸出波形，將靜態(tài)工作點設置在合適位置。在合適位置。l 靜態(tài)時功耗大靜態(tài)時功耗大。icictuceq00(a) 甲類甲類ic大于大于0乙類工作狀態(tài)乙類工作狀態(tài)l 導通時間為半個周期導通時間為半個周期。其工作點設置在截止區(qū)。其工作點設置在截止區(qū)。l 出現(xiàn)了嚴重的波形失真出現(xiàn)了嚴重的波形失真。icictuceq00(c) 乙類乙類ic = 0的時間為半個周期的時間為半個周期甲乙類甲乙類工作狀態(tài)工作狀態(tài)l 導通時間大于半個周期

5、，小于一個周期。導通時間大于半個周期，小于一個周期。其工其工作點設置靠近截止區(qū)。作點設置靠近截止區(qū)。l 甲乙類放大，甲乙類放大，減小了靜態(tài)功耗減小了靜態(tài)功耗，但也出現(xiàn)了嚴但也出現(xiàn)了嚴重的波形失真重的波形失真。icictuceq00(b) 甲類甲類ic = 0的時間小于半個周期的時間小于半個周期l功率放大器功率放大器：希望輸出功率大，電源功率：希望輸出功率大，電源功率消耗少，效率高。消耗少，效率高。l甲乙類和乙類功放甲乙類和乙類功放：減小了靜態(tài)功耗，但：減小了靜態(tài)功耗，但都出現(xiàn)了嚴重的波形失真。都出現(xiàn)了嚴重的波形失真。l為了利用其效率高的優(yōu)點，克服其削波失為了利用其效率高的優(yōu)點，克服其削波失真的

6、缺點，真的缺點，通常采用乙類互補對稱放大電通常采用乙類互補對稱放大電路路。1. 雙電源互補對稱電路雙電源互補對稱電路 l 雙電源互補對稱電路又稱無輸出電容電路，簡稱雙電源互補對稱電路又稱無輸出電容電路，簡稱ocl(output capacitor less) 電路電路。6.2 互補對稱功率放大電路互補對稱功率放大電路 電路組成電路組成 ui0tuo0tic1+vcc-vccuiuot1iot2rl+_ic2l靜態(tài)靜態(tài)l動態(tài)動態(tài)交越失真交越失真l 由于由于t1、t2管輸入特性存在死區(qū)，所以管輸入特性存在死區(qū)，所以輸出波輸出波形在信號過零附近產(chǎn)生失真形在信號過零附近產(chǎn)生失真交越失真交越失真。l 原

7、因原因：假設：假設t1、t2的死區(qū)電壓都是的死區(qū)電壓都是0.6v，那么，那么在輸入信號電壓在輸入信號電壓|ui|0.6v期間，期間，t1和和t2截止，截止，輸出電壓為零，得到如圖所示失真了的波形，輸出電壓為零，得到如圖所示失真了的波形，圖6-3交越失真波形uiuott00消除交越失真的辦法消除交越失真的辦法 uo+vcct1r3d1r1t2rl-vcc+ui+_d2圖6-4 消除交越失真的電路讓讓t1和和t2在靜態(tài)時就微導通。在靜態(tài)時就微導通。為此在為此在t1和和t2的基極之間接入的基極之間接入一個直流電壓。一個直流電壓。無論信號為正或為負，都至少無論信號為正或為負，都至少有一個管子導通，交越

8、失真也就有一個管子導通，交越失真也就不存在了。不存在了。 分析計算分析計算 l在對互補對稱電路進行分析計算時。由于管子在對互補對稱電路進行分析計算時。由于管子在大信號下工作，所以必須利用在大信號下工作，所以必須利用圖解分析圖解分析進行分進行分析。析。 輸出功率輸出功率l為了便于觀察互補電路中的每個管子的電流電為了便于觀察互補電路中的每個管子的電流電壓波形，壓波形，把把t2管特性曲線倒置于管特性曲線倒置于t1管特性曲線的管特性曲線的右下方右下方，并令二者在，并令二者在uceq = vcc處對準，如圖所處對準，如圖所示。示。l1rl負載線通過負載線通過q點點(uce =vcc，ic=0)，且斜率為

9、，且斜率為 的直線。的直線。tic1q00ic1uce10ic2uce2uces2vcc2vccic2quce1uce2vccvccucemt2導通導通t1導通導通t1截止截止t2截止截止220-1/rl-1/rlpt1t2n+vcc-vccuiuot1iot2rl+_l輸出功率輸出功率po可以根據(jù)功率表達式可以根據(jù)功率表達式p = u2/r（u是交流有效值）求得，即是交流有效值）求得，即l2ceml2cemo2)2(rurupcemcmcemlcemo2121uiurup 輸出功率輸出功率理想條件下的理想條件下的最大輸出功率最大輸出功率l若輸入的正弦信號的幅度足夠大，并忽略若輸入的正弦信號的

10、幅度足夠大，并忽略管子的飽和壓降管子的飽和壓降uces。lrl上最大的輸出電壓幅度上最大的輸出電壓幅度ucem=vcc。在此。在此理想條件下，最大輸出功率為理想條件下，最大輸出功率為l2ccom2rvp 輸出功率輸出功率 效率效率 l 輸出功率占電源供給功率的比率稱為輸出功率占電源供給功率的比率稱為效率效率，用，用表示，表示，=po/pv。 l 由于每個電源只提供半個周期的電流，所以由于每個電源只提供半個周期的電流，所以總總電源功率電源功率pv為為 lcemcccmcc0v22dsin212ruvivttivpcmcccccemlcemccl2cemvo4)2/()2(vuruvrupp2)

11、11(|cosdsin00tttl在理想情況下，在理想情況下，ucem=vcc，則最大效率為，則最大效率為%5 .784max 效率效率 功率管的選擇功率管的選擇l消耗在晶體管的功率消耗在晶體管的功率pt=pvpo，由于，由于po與與pv均與均與信號的幅值有關，故信號的幅值有關，故pt也隨之變化。也隨之變化。l為了求出為了求出何時管耗最大何時管耗最大，令，令cccemvuk 2l2ccl2ccl2cemlcemcct2222krvkrvruruvpl 上式對上式對k的導數(shù)為的導數(shù)為0時，時，pt將為最大值將為最大值0222ddl2ccl2cctkrvrvkp將其代入將其代入pt式中得式中得om

12、om2l22cc2l2ccl2cctmax4 . 0424222pprvrvrvp每個管子的管耗約為每個管子的管耗約為0.2pomax，當輸出功率當輸出功率最大最大(k=1)時，總管耗約為時，總管耗約為0.27pomax。 omoml2ccl2ccl2cctp27. 0p4r2v)4(kr2vkrv2p2 636. 02k功率管的要求功率管的要求 若想得到預期的最大輸出若想得到預期的最大輸出功率，則功率，則功率管的有關參功率管的有關參數(shù)數(shù)應滿足下列條件：應滿足下列條件： l 每只功率管的每只功率管的最大管耗最大管耗pcm0.2pomax；l 功率管功率管c-e極間的極間的最大壓最大壓降降 為為

13、 2 vc c， 所 以 應 選， 所 以 應 選|u(br)ceo|2vcc；l 功率管的功率管的最大集電極電最大集電極電流流為為vcc/rl，因此晶體管，因此晶體管的的icm不宜低于此值。不宜低于此值。+vcc-vccuiuot1iot2rl+_2. 復合互補對稱電路復合互補對稱電路 復合管復合管(darlington connection) l 存在的問題存在的問題：大功率輸出極的工作電流大，而一：大功率輸出極的工作電流大，而一般大功率管的般大功率管的電流放大系數(shù)都較小電流放大系數(shù)都較小。l 通常采用所謂通常采用所謂“復合管復合管”的辦法來解決。的辦法來解決。l 設有兩只晶體管，把前一只

14、管的集電極或發(fā)射極設有兩只晶體管，把前一只管的集電極或發(fā)射極接到下一只管的基極，這種連接所形成的晶體管接到下一只管的基極，這種連接所形成的晶體管組合稱為組合稱為復合管復合管cebt1t2ibic12ibieibiebicce(a) npn型2.復合互補對稱電路復合互補對稱電路 ecbt1t2ibie12ibicibicbieec(b) pnp型2.復合互補對稱電路復合互補對稱電路 cebt1t2ibic12ibieibiebicce(c) pnp型2.復合互補對稱電路復合互補對稱電路 cebt1t2ibic12ibieibiebicce(d) npn型2.復合互補對稱電路復合互補對稱電路 復合

15、管構成規(guī)則復合管構成規(guī)則l ib向管內(nèi)流向管內(nèi)流的復合管等效為的復合管等效為npn管；管； ib向管外流向管外流的復合管等效為的復合管等效為pnp管；管； ib的流向由的流向由t1管的基極電流決定管的基極電流決定，即由，即由t1管的類管的類型決定。型決定。l 必須保證每只管各電極的電流都能順著各個管的必須保證每只管各電極的電流都能順著各個管的正常工作方向流動；否則將是錯誤的。正常工作方向流動；否則將是錯誤的。2.復合互補對稱電路復合互補對稱電路 l 在圖所示復合管中，判斷它們的連接方式哪些是在圖所示復合管中，判斷它們的連接方式哪些是正確的？哪些是錯誤的？哪些等效為正確的？哪些是錯誤的？哪些等效

16、為npn管？哪管？哪些等效為些等效為pnp管？管？ 2.復合互補對稱電路復合互補對稱電路 解：解：(a)錯。錯。(b)錯。錯。(c)對，對，pnp型。型。(d)對，對，npn。 準互補對稱電路準互補對稱電路(quasi complementary emitter follower) l 互補對稱電路中，兩個輸出管是互補工作的，互補對稱電路中，兩個輸出管是互補工作的，因而要求因而要求兩管為不同類型，一個為兩管為不同類型，一個為npn型，而型，而另一個則為另一個則為pnp型型。l 為了滿足電路對稱就為了滿足電路對稱就要求兩管特性一致要求兩管特性一致。l 這對這對npn和和pnp兩種大功率管來說，一

17、般是難兩種大功率管來說，一般是難以實現(xiàn)的，尤其是當一個是硅管另一個是鍺管以實現(xiàn)的，尤其是當一個是硅管另一個是鍺管時，若要兩管特性一致，最好使時，若要兩管特性一致，最好使t3和和t4是同一是同一種型號的管子。種型號的管子。+vcc-vccrb1rd1t1t2rb2d2re1rc2rlt3t4re4re3npnpnpuoui+-圖6-8 準互補對稱電路3. 單電源互補對稱電路單電源互補對稱電路 電路組成電路組成 l 雙電源互補對稱電路，需要兩個獨立電源，這給雙電源互補對稱電路，需要兩個獨立電源，這給使用上帶來使用上帶來不方便不方便。l 所以所以實用上實用上常采用單電源互補對稱電路，如圖常采用單電源

18、互補對稱電路，如圖6-9所示。所示。它去掉了負電源，接入一個電容它去掉了負電源，接入一個電容c，稱為，稱為無 輸 出 變 壓 器 電 路無 輸 出 變 壓 器 電 路 ， 簡 稱， 簡 稱 o t l ( o u t p u t transformer less)電路電路。v1、v2是為了克服交越是為了克服交越失真而接入的正向偏置電源，在實際電路中可用失真而接入的正向偏置電源，在實際電路中可用兩個二極管來代替。兩個二極管來代替。vcc12+tui+vccv1v2t1npnpnpic1ic2iouo+-t2eicrl+-ic1t0-ic2t0ui0uot0圖6-9 單電源互補對稱原理電路l 靜態(tài)

19、時使靜態(tài)時使ue =vcc/2，i點點電位電位ui以以vcc/2為基準上為基準上下變化，下變化，t1、t2輪流導通，輪流導通，實現(xiàn)雙向跟隨。實現(xiàn)雙向跟隨。l 電容上具有的恒定電壓電容上具有的恒定電壓vcc/2，則可看作信號負，則可看作信號負半周時半周時t2管的直流電源。管的直流電源。l 電容充放電回路時間常數(shù)電容充放電回路時間常數(shù)遠大于信號周期，電容兩遠大于信號周期，電容兩端電壓基本不變。端電壓基本不變。l動態(tài)時動態(tài)時 分析計算分析計算 l由上面的分析可以看出，由上面的分析可以看出，單電源互補對稱單電源互補對稱電路實質(zhì)上等效于具有電路實質(zhì)上等效于具有vcc/2雙電源的互雙電源的互補對稱電路補對

20、稱電路。l分析計算時只要把分析計算時只要把vcc/2替換替換前面式中的前面式中的vcc就可以得出單電源互補對稱電路的輸出就可以得出單電源互補對稱電路的輸出功率、直流電源供給的功率和效率等。功率、直流電源供給的功率和效率等。 輸出功率輸出功率 l理想條件下最大電壓幅值理想條件下最大電壓幅值ucem=vcc/2， 所以所以l2cemlcemor2ur2up2 l2cclccomr8vr22vp2 效率效率 l 直流電源供給的功率為直流電源供給的功率為pv vopplcccemvrvupcccemlccceml2cemvo22vurvurupp理想條件下，最大效率為理想條件下，最大效率為 %5 .7

21、842/2ccccmaxvv可見在理想條件下，可見在理想條件下，ocl和和otl電路的最大電路的最大效率相同。效率相同。例例 l 如圖所示的電路，如圖所示的電路，vcc=6v，rl=3.5近似計算理近似計算理想情況下，最大輸出功率，效率和管耗。（想情況下，最大輸出功率，效率和管耗。（ui為為正弦信號）正弦信號）uo+vcct1r3d1r1t2rl+ui+_d2解：因為解：因為 l2ceml2cemo22ruruplcemccvruvpcccemvo2vupp理想情況下有理想情況下有2cccemvu所以所以 )w(29. 15 . 38682l2ccomrvp%5 .7842cccemvupt=0.4pom=0.41.29=0.516(w)例例 l 某同學設計一個某同學設計一個otl功放電路如圖所示。功放電路如圖所示。l （1）為實現(xiàn)輸出最大幅值正負對稱，靜態(tài)時）為實現(xiàn)輸出最大幅值正負對稱，靜態(tài)時a點點電位應為多大？電位應為多大？l （2）若）若uce3和和uce5的最小值約為的最小值約為3v，求最大不，求最大不失真輸出功率和效率？失真輸出功率和效率？l （3）晶體管）晶體管t3、t5的的pcm、u(br)ceo和和icm應如何應如何選擇？選擇？例例 解：解：圖為單電源互補對稱圖為單電源互補對稱ot