運算放大器及其線性應(yīng)用

1、第四章、功率放大電路第四章、功率放大電路（電流放大）（電流放大） 重點重點：掌握小信號放大與功：掌握小信號放大與功率放大的異同；率放大的異同； 掌握乙類互補對稱功掌握乙類互補對稱功率放大電路的電路結(jié)構(gòu)和工率放大電路的電路結(jié)構(gòu)和工作原理；作原理； 掌握功率放大器的性掌握功率放大器的性能指標的計算；能指標的計算；Ma LimingElectronic Technique2 功率放大器功率放大器：在電子系統(tǒng)中，模擬信號被在電子系統(tǒng)中，模擬信號被放大后，往往要去推動一個實際的負載。如使揚放大后，往往要去推動一個實際的負載。如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動作、聲器發(fā)聲、繼電器動作、 儀表指針偏轉(zhuǎn)等，推儀表指針偏

2、轉(zhuǎn)等，推動一個實際負載需要的功率很大，能輸出較大功動一個實際負載需要的功率很大，能輸出較大功率的放大器稱為功率放大器。率的放大器稱為功率放大器。4.1、概述概述例：例： 擴音系統(tǒng)擴音系統(tǒng)實際實際負載負載功功率率放放大大電電壓壓放放大大信信號號提提取取Ma LimingElectronic Technique31. 功放電路與小信號放大電路的比較功放電路與小信號放大電路的比較 都是能量轉(zhuǎn)換電路，把都是能量轉(zhuǎn)換電路，把直流能量轉(zhuǎn)換為交流信直流能量轉(zhuǎn)換為交流信號能量號能量。(1) 共同點：共同點：(2) 不同點：不同點： 普通小信號放大電路：普通小信號放大電路： 要求負載得到不失真電壓信號，不要求輸

3、出要求負載得到不失真電壓信號，不要求輸出功率；電路工作在功率；電路工作在小信號狀態(tài)小信號狀態(tài)，研究的問題是，研究的問題是電電壓放大倍數(shù)、輸入和輸出電阻壓放大倍數(shù)、輸入和輸出電阻等。等。Ma LimingElectronic Technique4功率放大電路：功率放大電路：分析方法不同：分析方法不同： 電壓放大電路可用電壓放大電路可用微變等效電路微變等效電路法和法和圖解法圖解法分分析，而功率放大電路只能用析，而功率放大電路只能用圖解法圖解法。 要求負載得到一定的不失真或失真較小的輸要求負載得到一定的不失真或失真較小的輸出功率；電路工作在出功率；電路工作在大信號狀態(tài)大信號狀態(tài)，研究的問題是，研究的

4、問題是提高輸出功率和效率提高輸出功率和效率。Ma LimingElectronic Technique5 在多路放大電路末級、集成功率放大器、集成在多路放大電路末級、集成功率放大器、集成運算放大器等模擬集成電路的輸出級，往往運算放大器等模擬集成電路的輸出級，往往要求有要求有較高的輸出功率較高的輸出功率或要求具有較大的輸出動態(tài)范圍以或要求具有較大的輸出動態(tài)范圍以驅(qū)動下一級負載驅(qū)動下一級負載,如如音箱音箱等。等。4.2、 功率放大電路的特點和分類功率放大電路的特點和分類 這類主要用于向負載提供功率的放大電路稱為這類主要用于向負載提供功率的放大電路稱為功率放大電路功率放大電路。Ma LimingEl

5、ectronic Technique64.2.1、功率放大器的主要指標、功率放大器的主要指標1、輸出功率、輸出功率Po足夠大足夠大 功率放大器應(yīng)在輸出不失真的情況下給出最大功率放大器應(yīng)在輸出不失真的情況下給出最大的交流輸出功率的交流輸出功率Po以推動負載工作。為此，以推動負載工作。為此，功放管功放管一般工作在大信號狀態(tài)一般工作在大信號狀態(tài), 以不超過管子的極限參數(shù)以不超過管子的極限參數(shù)（ICM、UCEO、PCM）為限度。這就使功放管安全工）為限度。這就使功放管安全工作成為功率放大器的重要問題。作成為功率放大器的重要問題。 Ma LimingElectronic Technique7 注注、極限

6、參數(shù)、極限參數(shù) i)集電極最大允許電流集電極最大允許電流ICM 集電極電流集電極電流iC過大時過大時,將明顯下降將明顯下降, ICM是指是指明明顯下降所對應(yīng)的最大允許集電極電流顯下降所對應(yīng)的最大允許集電極電流.若若iC ICM時時,三極管不一定會損壞三極管不一定會損壞,但但明顯下降明顯下降. iii)反向擊穿電壓反向擊穿電壓U(BR)CEO 、 U(BR)CBO 、 U(BR)EBO。 一般一般U(BR)CEO U(BR)CBO U(BR)EBO ii)集電極最大允許功率集電極最大允許功率PCM三極管工作時三極管工作時,uCE大部分降在集電結(jié)上大部分降在集電結(jié)上,所以集電極所以集電極功率損耗功

7、率損耗PC= uCEiC,會使集電結(jié)溫度升高會使集電結(jié)溫度升高, PCM就是就是允許的最高集電結(jié)溫度決定的最大集電極功耗允許的最高集電結(jié)溫度決定的最大集電極功耗.工工作時作時PC PCMMa LimingElectronic Technique8 2. 效率效率高高 功率放大器的效率定義為功率放大器的輸出信號功率放大器的效率定義為功率放大器的輸出信號功率功率Po直流電源供給功率放大器功率直流電源供給功率放大器功率PE之比之比, 用用表表示，即：示，即：100%oEpp 功率放大器功率放大器要求高效率地工作要求高效率地工作，一方面是為了提，一方面是為了提高輸出功率，另一方面是為了降低管耗。直流電

8、源供高輸出功率，另一方面是為了降低管耗。直流電源供給的功率除了一部分變成有用的信號功率以外，剩余給的功率除了一部分變成有用的信號功率以外，剩余部分變成晶體管的管耗部分變成晶體管的管耗PC(PC=PE-Po)。 管耗過大將使管耗過大將使功率管發(fā)熱損壞。功率管發(fā)熱損壞。Ma LimingElectronic Technique9 3. 非線性失真非線性失真小小 功率放大器為了獲得足夠大的輸出功率，需功率放大器為了獲得足夠大的輸出功率，需要大信號激勵，要大信號激勵， 從而使信號動態(tài)范圍往往超出晶從而使信號動態(tài)范圍往往超出晶體管的線性區(qū)域，導(dǎo)致輸出信號失真。因此減小體管的線性區(qū)域，導(dǎo)致輸出信號失真。因

9、此減小非線性失真，成為功率放大器的又一個重要問題。非線性失真，成為功率放大器的又一個重要問題。 概括起來說，要求功率放大器在保證晶體管安概括起來說，要求功率放大器在保證晶體管安全運用的情況下，獲得盡可能大的輸出功率、盡可全運用的情況下，獲得盡可能大的輸出功率、盡可能高的電源轉(zhuǎn)換效率和盡可能小的非線性失真，同能高的電源轉(zhuǎn)換效率和盡可能小的非線性失真，同時功放管的散熱性能要好。時功放管的散熱性能要好。 Ma LimingElectronic Technique10 由于功率放大電路的輸出電壓和輸出由于功率放大電路的輸出電壓和輸出電流都很大，信號作用的范圍進入了晶體電流都很大，信號作用的范圍進入了晶

10、體管特性的非線性區(qū)，所以在分析時不可再管特性的非線性區(qū)，所以在分析時不可再用用微變等效電路微變等效電路，而應(yīng)，而應(yīng)采用圖解法采用圖解法。Ma LimingElectronic Technique114.2.2、功率放大器的分類、功率放大器的分類 放大電路按三極管在一個信號周期內(nèi)導(dǎo)通時放大電路按三極管在一個信號周期內(nèi)導(dǎo)通時間的不同，可分為間的不同，可分為甲類甲類（A類）類） 、乙類、乙類（B類、類、低頻）低頻） 、甲乙類、甲乙類（AB類、低頻）類、低頻） 、丙類、丙類（C類、類、高頻）高頻）以及丁類（以及丁類（D類、高頻）類、高頻）放大。放大。 功率放大電路類型很多，目前低頻電子電功率放大電路類

11、型很多，目前低頻電子電路中廣泛采用乙類（或者甲乙類）互補對稱功路中廣泛采用乙類（或者甲乙類）互補對稱功率放大電路率放大電路。Ma LimingElectronic Technique121工作狀態(tài)分類工作狀態(tài)分類根據(jù)晶體管的靜態(tài)工作點的位置不同可分以下幾類。根據(jù)晶體管的靜態(tài)工作點的位置不同可分以下幾類。(1) 甲類放大電路甲類放大電路uCEiC0QAiC1ICQt2 =2 02 集電極電集電極電流波形流波形靜態(tài)工作靜態(tài)工作點位置點位置特點：特點：a. 靜態(tài)功耗大靜態(tài)功耗大CQCEQCIUP b. 能量轉(zhuǎn)換效率低能量轉(zhuǎn)換效率低c. 放大管的導(dǎo)通角放大管的導(dǎo)通角2 =2Ma LimingElect

12、ronic Technique13(2) 乙類放大電路乙類放大電路uCEiC0QAtiC22 2 = 03 靜態(tài)工作靜態(tài)工作點位置點位置集電極電集電極電流波形流波形特點特點a. 靜態(tài)功耗靜態(tài)功耗0CQCEQCIUPb. 能量轉(zhuǎn)換效率高能量轉(zhuǎn)換效率高c. 輸出失真大輸出失真大d. 放大管的導(dǎo)通角放大管的導(dǎo)通角2 =Ma LimingElectronic Technique14(3) 甲乙類放大電路甲乙類放大電路uCEiC 0QAiC3203ICQ 2 2靜態(tài)工作靜態(tài)工作點位置點位置集電極電集電極電流波形流波形特點：特點：a. 靜態(tài)功耗較小靜態(tài)功耗較小b. 能量轉(zhuǎn)換效率較高能量轉(zhuǎn)換效率較高c. 輸

13、出失真較大輸出失真較大d. 放大管的導(dǎo)通角放大管的導(dǎo)通角2 2Ma LimingElectronic Technique15CiCEu0Ci0QtCCU(a) 甲類CiCEu00QtCCU(b) 甲乙類CiCEu0Ci0QtCCU(c) 乙類甲類：三極管甲類：三極管(2 c= ) 360導(dǎo)電導(dǎo)電甲乙類：三極管甲乙類：三極管(2 c= )180360 導(dǎo)導(dǎo)電電乙類：三極管乙類：三極管(2 c= ) 180導(dǎo)電導(dǎo)電丙類：三極管丙類：三極管(2 c=) 180導(dǎo)電導(dǎo)電（高頻）（高頻）Ma LimingElectronic Technique16 甲類甲類放大的優(yōu)點是波形失真小，但由于靜態(tài)工放大的優(yōu)點

14、是波形失真小，但由于靜態(tài)工作點電流大，故管耗大，放大電路作點電流大，故管耗大，放大電路效率低效率低，所以它，所以它主要用于小功率放大電路中主要用于小功率放大電路中。 乙類和甲乙類和甲乙類乙類放大由于管耗小，放大電路效率放大由于管耗小，放大電路效率高，高，在功率放大電路獲得廣泛應(yīng)用在功率放大電路獲得廣泛應(yīng)用。這兩類放大輸這兩類放大輸出波形失真嚴重，所以在實際電路中均采用出波形失真嚴重，所以在實際電路中均采用兩管輪兩管輪流導(dǎo)通的推挽電路流導(dǎo)通的推挽電路來減少失真來減少失真低頻主要形式低頻主要形式。Ma LimingElectronic Technique174.3 互補對稱功率放大電路互補對稱功率

15、放大電路4.3.1 、 乙類雙電源互補對稱功率放大電路乙類雙電源互補對稱功率放大電路 OCL（Output Capacitor Less、無輸出電容）無輸出電容） 互補對稱式功率放大電路互補對稱式功率放大電路1、電路和工作原理、電路和工作原理RLV1V2UEC CU1Oi2OiOu1Ci2CiC CUiuMa LimingElectronic Technique18 靜態(tài)：即靜態(tài)：即ui=0時，由于兩管特性對稱，時，由于兩管特性對稱，供電電源對稱，供電電源對稱， 兩管射極電位兩管射極電位UE=0，V1、V2均截止，電路中無功率損耗，均截止，電路中無功率損耗，此時電路不消耗功率此時電路不消耗功率

16、。RLV1V2UECCU1Oi2OiOu1Ci2CiCCUiu兩個三極管的靜態(tài)電流均為兩個三極管的靜態(tài)電流均為0。這種只在信號半個周期內(nèi)導(dǎo)通。這種只在信號半個周期內(nèi)導(dǎo)通的工作狀態(tài)稱為乙類工作狀態(tài)。的工作狀態(tài)稱為乙類工作狀態(tài)。動態(tài)時：忽略發(fā)射結(jié)死區(qū)電壓，在動態(tài)時：忽略發(fā)射結(jié)死區(qū)電壓，在ui的正半周期內(nèi)，的正半周期內(nèi)，V1導(dǎo)通，導(dǎo)通，V2 截止。截止。V1以射極輸出器的形式將正方向的信號以射極輸出器的形式將正方向的信號變化傳遞給負載。電流方向如圖中變化傳遞給負載。電流方向如圖中紅紅色色箭頭所示，箭頭所示，最大輸出電壓幅度受最大輸出電壓幅度受V1管飽和的限制，約為管飽和的限制，約為+UCC 。工作原

17、理工作原理:Ma LimingElectronic Technique19 由于由于V1、V2管輪流導(dǎo)通，相互補足管輪流導(dǎo)通，相互補足對方缺少的半個周期，對方缺少的半個周期，RL上仍得到與上仍得到與輸入信號波形相接近的電流和電壓。故輸入信號波形相接近的電流和電壓。故稱這種電路為稱這種電路為乙類互補對稱放大電路乙類互補對稱放大電路。在負半周期在負半周期，V2導(dǎo)通，導(dǎo)通，V1截止。截止。V2以以射極輸出器的形式將負方向的信號變化射極輸出器的形式將負方向的信號變化傳遞給負載。電流方向如圖中虛線箭頭傳遞給負載。電流方向如圖中虛線箭頭所示。最大輸出電壓幅度受所示。最大輸出電壓幅度受V2管飽和的管飽和的限

18、制，約為限制，約為 -UCC。 RLV1V2UECCU1Oi2OiOu1Ci2CiCCUiuMa LimingElectronic Technique20RLV1V2UECCU1Oi2OiOu1Ci2CiCCUiuMa LimingElectronic Technique21 在如圖電路中，盡管兩只三極管都只在半個周在如圖電路中，盡管兩只三極管都只在半個周期內(nèi)導(dǎo)通（工作在乙類狀態(tài)），但它們交替工作，期內(nèi)導(dǎo)通（工作在乙類狀態(tài)），但它們交替工作，使負載得到完整的信號波形。使負載得到完整的信號波形。 這種形式稱為這種形式稱為“互互補補”。 射極輸出器射極輸出器輸出電阻很低輸出電阻很低，所以，互補對稱

19、放，所以，互補對稱放大電路大電路具有較強的帶負載能力具有較強的帶負載能力，即它能向負載提供，即它能向負載提供較大的功率，實現(xiàn)功率放大作用，所以又把這種電較大的功率，實現(xiàn)功率放大作用，所以又把這種電路稱為路稱為乙類互補對稱功率放大電路乙類互補對稱功率放大電路。Ma LimingElectronic Technique222. 輸出功率和效率輸出功率和效率 在在OCL電路中電路中, 每只三極管集電極靜態(tài)電流為零每只三極管集電極靜態(tài)電流為零, 因而該電路效率高。因而該電路效率高。 1） 輸出功率輸出功率Po 當(dāng)輸入正弦信號時，每只三極管只在半周期當(dāng)輸入正弦信號時，每只三極管只在半周期內(nèi)工作，內(nèi)工作，

20、 忽略交越失真，并設(shè)三極管飽和壓降忽略交越失真，并設(shè)三極管飽和壓降UCES=0，在，在UomUCC時輸出電壓幅度最大。最大交時輸出電壓幅度最大。最大交流輸出功率為流輸出功率為: 21122222omomomomomomoooomLLUUIUIUPU IURRMa LimingElectronic Technique2321122222omomomomomomoooomLLUUIUIUPU IURR式中，式中，Iom為集電極交流分量電流最大值，為集電極交流分量電流最大值，Uom為為三極管三極管c、 e極間交流電壓最大值。極間交流電壓最大值。其中()ommCCCE satCCUUUU2max12c

21、coLUPRMa LimingElectronic Technique242）每個直流電源提供的功率：）每個直流電源提供的功率：12DCCCCCCCPUIUI兩個直流電源提供的總功率：兩個直流電源提供的總功率：12122OmDCCCCCCCCCCCCLUPUIUIUIUR12001sin()( cos)22cmcmCCcmIIIIItdtt其中2max22CCCCDCCCLLUUPURRMa LimingElectronic Technique253） 效率效率OCL電路的效率為：電路的效率為： ODCPP其中，其中， Po為電路輸出功率，為電路輸出功率，PDC為直流電源提供為直流電源提供的功

22、率。的功率。OCL電路最高效率為：電路最高效率為：2122omoLomDCCCLUPRUPUR21278.5%24CCoLmCCDCCCLUPRUPURMa LimingElectronic Technique26 4)管耗管耗: 直流電源送入電路的功率，一部分轉(zhuǎn)化為輸直流電源送入電路的功率，一部分轉(zhuǎn)化為輸出功率，出功率， 另一部分則損耗在三極管中。另一部分則損耗在三極管中。 21211 21()()()2224omomomCComCCDCoCCLLLUUUUUPPPPURRR111120,2CCComomCCComLLdPUUUUPdURR當(dāng)時 即時達到最大值2122CCC mC mLUPP

23、RMa LimingElectronic Technique27RLV1V2UECCU1Oi2OiOu1Ci2CiCCUiu已知已知U UCCCC=24V,R=24V,RL L=8=8，試估算放大電路的最大輸出功，試估算放大電路的最大輸出功率率P POmOm及此時電源供給的功率及此時電源供給的功率P PDCDC和管耗和管耗P PC C。2max1124 2436228ccoLUPWWR2max2224 2445.88CCDCLUPWWR此時的管耗此時的管耗P PC C為：為：1211()(45.836)4.922CCDCoPPPPWWMa LimingElectronic Technique2

24、8 該電路的該電路的優(yōu)點優(yōu)點是：電路簡單，效率高，是：電路簡單，效率高，低頻低頻響應(yīng)好響應(yīng)好，易集成化。，易集成化。 缺點缺點是：由于三極管輸入特性存在死區(qū)，在是：由于三極管輸入特性存在死區(qū)，在輸入信號的電壓低于導(dǎo)通電壓期間（輸入信號的電壓低于導(dǎo)通電壓期間（-0.7V0.7V），），V1和和V2都截止都截止， 輸出電壓為零，出現(xiàn)了輸出電壓為零，出現(xiàn)了兩只三極兩只三極管交替波形銜接不好的現(xiàn)象管交替波形銜接不好的現(xiàn)象, 這種情況稱為這種情況稱為“交越交越失真失真”。Ma LimingElectronic Technique29uBE2iB1uBE1iB2uittiB乙類互補對稱功率放大電路的交越失

25、真乙類互補對稱功率放大電路的交越失真交越失真交越失真Ma LimingElectronic Technique30R1D1D2R2+USC-USCULuiiLRLT1T2靜態(tài)時：靜態(tài)時： T1、T2兩管發(fā)射結(jié)電位兩管發(fā)射結(jié)電位分別為二極管分別為二極管D1、 D2的的正向?qū)▔航担率箖晒苷驅(qū)▔航?，致使兩管均處于均處于微弱?dǎo)通微弱導(dǎo)通狀態(tài)。狀態(tài)。 方法方法1：電路中增加電路中增加 R1、D1、D2、R2支路。支路。4.3.2 、OCL甲乙類互補對稱功率放大電路甲乙類互補對稱功率放大電路克服交越失真克服交越失真Ma LimingElectronic Technique31R1D1D2R2+UC

26、C-UCCULuiiLRLT1T2 兩管導(dǎo)通時間均比半個周期大一些的工作方式稱兩管導(dǎo)通時間均比半個周期大一些的工作方式稱為為“甲乙類放大甲乙類放大” 。 動態(tài)時：動態(tài)時： 利用二極管的鉗位效應(yīng)，利用二極管的鉗位效應(yīng)，使使T1、 T2 的基極電位為的基極電位為0.7V,0.7V,從而克服死區(qū)從而克服死區(qū)電壓的影響，去掉交越電壓的影響，去掉交越失真。失真。Ma LimingElectronic Technique32V1V2R3V4R1R2R4方法方法2：利用放大電路進行偏置的電路利用放大電路進行偏置的電路RL+UCC-UCCV3OuuiIR1IB44RBII當(dāng)時,41 24122()BEB BC

27、EUUURRR142(1)BERURUBE倍增電路 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)R1、 R2的值可以調(diào)的值可以調(diào)節(jié)加在節(jié)加在V1和和V2的基極電壓，的基極電壓，使兩三極管處于使兩三極管處于微導(dǎo)通微導(dǎo)通狀態(tài)。狀態(tài)。Ma LimingElectronic Technique334.3.3、單電源單電源互補對稱功率放大器互補對稱功率放大器OTLOutput Transformer Less，無輸出變壓器，無輸出變壓器功放電路功放電路 ，低頻特性差低頻特性差Ma LimingElectronic Technique34電路組成和工作原理：Ma LimingElectronic Technique35Ma LimingEl

28、ectronic Technique36 為了消除交越失真，可分別給兩個晶體管的為了消除交越失真，可分別給兩個晶體管的發(fā)射結(jié)加很小的正偏壓，是兩管在靜態(tài)時均處于發(fā)射結(jié)加很小的正偏壓，是兩管在靜態(tài)時均處于微導(dǎo)通狀態(tài)微導(dǎo)通狀態(tài)，兩管輪流導(dǎo)通時，交替得比較平滑，兩管輪流導(dǎo)通時，交替得比較平滑，從而減小了交越失真。但此時管子已工作在從而減小了交越失真。但此時管子已工作在甲乙甲乙類放大狀態(tài)類放大狀態(tài)。Ma LimingElectronic Technique37 在相同激勵信號作用下，丙類功放集電極電流在相同激勵信號作用下，丙類功放集電極電流的流通時間最短，一個周期平均功耗最低，而甲類的流通時間最短，一

29、個周期平均功耗最低，而甲類功放的功耗最高。分析表明，相同輸入信號下如果功放的功耗最高。分析表明，相同輸入信號下如果維持輸出功率不變，功放的效率滿足：維持輸出功率不變，功放的效率滿足：甲甲甲乙甲乙Ta）。顯然，）。顯然， max()jaCjjTTTPPTTR可見可見, 當(dāng)當(dāng)Ta、RT一定時一定時, 功放管的最高結(jié)溫功放管的最高結(jié)溫Tjmax對應(yīng)著集電極最對應(yīng)著集電極最大允許功耗大允許功耗PCM，maxjaCMTTTPR 式中，式中，Tjmax取決于管子的半導(dǎo)體材料。鍺管的取決于管子的半導(dǎo)體材料。鍺管的Tjmax約為約為75100 ； 硅管約為硅管約為(175200)。Ma LimingElect

30、ronic Technique57一般來說，環(huán)境溫度越高, 其允許最大的集電極功耗越小。手冊上給出的PCM是在環(huán)境溫度為25 條件下得到的。在設(shè)計功放電路時, 為了安全工作起見, 常取最高環(huán)境溫度下的集電極最大允許功耗PCM（Tamax）的90作為功耗的極限值, 即對于大功率晶體管一般需要加散熱板以改善散熱條件, 減小熱阻, 從而提高PCM。PC0.9PCM(Tamax)Ma LimingElectronic Technique58功率器件的散熱措施功率器件的散熱措施集成功放使用時不能超過規(guī)定的極限參數(shù)，極限參集成功放使用時不能超過規(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允許值。夠大的散熱器，保證在額定功耗下溫度不超過允許值。通常的散熱措施是給功放管加裝散熱片。通常的散熱措施是給功放