第5章-功率放大電路

會計學1第5章-功率放大電路2023/1/192在電路方面，主要是介紹互補對稱功放電路、集成功放實例以及功放器件的散熱問題。第1頁/共57頁2023/1/1935.1功率放大電路的一般問題1.功率放大電路的特點及主要研究對象

(1)輸出功率要足夠大

(2)效率要高

(3)非線性失真要小

(4)

BJT器件一定要解決好散熱問題第2頁/共57頁2023/1/1942.功率放大電路提高效率的途徑(1)功放管的工作狀態(tài)a.甲類工作狀態(tài)(如圖5.1.1(a)所示)Q點在輸出特性曲線線性區(qū)的中點，此時，晶體管的導通角θ＝2π，在信號的一個周期內iC>0。這類工作狀態(tài)的特點是：耗電量較大，效率低(<30%)，失真小。［轉7］第3頁/共57頁2023/1/195第4頁/共57頁2023/1/196b.乙類工作狀態(tài)(如圖5.1.1(b)所示)Q點在輸出特性曲線坐標系的橫軸上，此時，晶體管的導通角θ＝π，在信號的一個周期內只有半個周期，iC>0。這類工作狀態(tài)特點是：省電，效率高(約為78.5%),存在交越失真。［轉9］第5頁/共57頁2023/1/197第6頁/共57頁2023/1/198c.甲乙類工作狀態(tài)(如圖5.1.1(c)所示)Q點在輸出特性曲線線性區(qū)的下方、截止區(qū)的上方，此時，晶體管的導通角π<θ<2π,在信號的大半個周期內，iC>0。這類工作狀態(tài)的特點是：省電，效率高(約為78.5%)，交越失真小。第7頁/共57頁2023/1/199d.丙類工作狀態(tài)(如圖5.1.1(d)所示)Q點在輸出特性曲線坐標系橫軸的下方、截止區(qū)的下方，此時，晶體管的導通角θ<π，在信號的小半個周期內，iC>0。這類工作狀態(tài)的特點是：省電，效率高(約為78.5%)，交越失真大。多用于高頻放大電路中(本書略)。第8頁/共57頁2023/1/1910第9頁/共57頁2023/1/19115.2乙類雙電源互補對稱功率放大電路5.2.1電路組成如圖5.2.1所示。乙類雙電源互補對稱功率放大電路實際上是由兩個不同類型晶體管構成的射極輸出器組成。［轉14］第10頁/共57頁2023/1/1912［轉19］第11頁/共57頁2023/1/1913第12頁/共57頁2023/1/19145.2.1電路分析計算如圖5.2.2所示。由圖(a)可知，管子的Q點在坐標系的橫軸上，把兩個管子的輸出特性曲線重合畫成一個復合特性曲線如圖(b)所示。第13頁/共57頁2023/1/1915第14頁/共57頁2023/1/1916第15頁/共57頁2023/1/1917在晶體管盡限運用狀態(tài)，vCE的變化范圍為2(VCC－VCES)＝2Vcem＝2IcmRL，如果忽略管子的飽和壓降VCES

，則Vcem≈IcmRL≈VCC1.

輸出功率的計算設輸出電壓的幅值為Vom

Po＝Vo

Io第16頁/共57頁2023/1/1918在圖5.2.1中，T1、T2可以看成是工作在射極輸出器狀態(tài)，AV≈１，當輸入信號足夠大時,可使

Vim＝Vom

＝Vcem

＝VCC－VCES≈VCC和Iom＝Icm第17頁/共57頁2023/1/1919可獲得最大輸出功率2.管耗由于兩管交替導通，每一只的管耗是相等的，只需求出一只管子的管耗就行了。設輸出信號電壓為vo＝Vomsinωt，則T1的管耗為第18頁/共57頁2023/1/1920第19頁/共57頁2023/1/1921而兩管的功耗為3.直流電源供給的功率PV

PV

包括負載上得到的信號功率Po和T1、T2上消耗的功率PT兩部分。第20頁/共57頁2023/1/1922

當vi＝0時，由于iC1＝iC2＝0,所以,PV

＝0；

當vi≠0時，由式(5.2.1)、(5.2.4)得：當輸出電壓幅值達到最大時，即Vom≈VCC時，則得電源供給的最大功率為：第21頁/共57頁2023/1/1923

4.效率η

一般情況下效率為當Vom≈VCC時，則第22頁/共57頁2023/1/1924

該結論是在假定互補對稱功率放大電路工作在乙類、負載電阻為理想值，忽略VCES和輸入信號足夠大(Vim≈Vom≈VCC)的情況下得來的，實際效率要比該值低一些。第23頁/共57頁2023/1/1925

5.2.3功率晶體管的選擇1.最大管耗和最大輸出功率的關系工作在乙類的基本互補對稱電路，在靜態(tài)時，管子幾乎不取電流，管耗接近于零，因此，當輸入信號較小時，輸出功率較小，管耗也小，這是容易理解的。第24頁/共57頁2023/1/1926但是，當輸入信號愈大時，輸出功率是否也愈大？最大管耗發(fā)生在什么情況下呢？由式(5.2.3)知，管耗PT1是輸出電壓幅值Vom的函數(shù)，因此，可以用求極值的方法通過式(5.2.3)求解。由式(5.2.3)有：第25頁/共57頁2023/1/1927第26頁/共57頁2023/1/1928所以，可證(式5.2.10)，每管的最大管耗與電路最大輸出功率的關系為：第27頁/共57頁2023/1/1929上式說明，每管的最大管耗為最大輸出功率的1/5，選管時，只要管耗大于該值即可。2.功率晶體管的選擇(1)每只晶體管的PCM必須大于P

T1m≈0.2Po；第28頁/共57頁2023/1/1930(2)考慮道當T2飽和導通時，－vCE2≈0，此時晶體管T1承受電壓為最大值，且vCE１＝2VCC，選管時，晶體管應選用V(BR)CEO>2VCC的管子；(3)功放管工作時，通過的最大電流為VCC／RL，所選晶體管的ICM

一般不能低于此值。第29頁/共57頁2023/1/1931例5.2.1(P204~205)功放電路如圖5.2.1a所示，設VCC＝12V，RL＝8Ω，BJT的極限參數(shù)為ICM＝2A，V(BR)CEO＝30V，PCM＝5W。試求：(1)最大輸出功率Pom值，并檢驗所給BJT是否能安全工作?(2)放大電路在η＝0.6時的輸出功率Po值。［轉34］第30頁/共57頁2023/1/1932第31頁/共57頁2023/1/1933解：(1)求Pom，并檢驗BJT的安全工作情況

由式(5.2.2)可求出通過BJT的最大集電極電流、BJTc、e極間的最大壓降和它的最大管耗分別為第32頁/共57頁2023/1/1934vCEm＝2VCC＝24VPT1m≈0.2Pom＝0.2×9W＝1.8W所求iCM、vCEm和PTlm，均分別小于極限參數(shù)ICM、V(BR)CEO

和PCM，故BJT能安全工作。第33頁/共57頁2023/1/1935

(2)求η＝0.6時的Po值

由式(5.2.7)可求出第34頁/共57頁2023/1/19365.3

甲乙類互補對稱功率放大電路交越失真：對于乙類互補對稱功率放大電路，由于無直流偏置，兩管交替導通時必須先通過截止區(qū)，由此將產生交越失真如圖5.3.1(b)所示。第35頁/共57頁2023/1/1937第36頁/共57頁2023/1/1938

解決方案：給功放管加一小偏置，使功放管工作在甲乙類狀態(tài)，以消除交越失真。5.3.1甲乙類雙電源互補對稱功放電路如圖5.3.2所示。T3為前置放大級，Rc3為其集電極負載電阻，D1、D2為T1、T2的偏置電路。由于T1、T2處于微偏狀態(tài)，晶體管工作在甲乙類狀態(tài)，基本可以消除交越失真。［轉41］第37頁/共57頁2023/1/1939第38頁/共57頁2023/1/1940缺點：T1、T2的偏置電壓不易調整。圖5.3.3為另一偏置電路?？勺C，VCE4＝VBE4(R1＋R2)/R2

，(電路中IR1>>IB4，這種電路稱為VBE倍增電路)，通過調整R*1，即可調整T1、T2的偏置電壓。該電路多用于集成電路中。[轉43]第39頁/共57頁2023/1/1941第40頁/共57頁2023/1/1942圖5.3.3’為分離元件電路常用電路。該電路調整Rp即可改變T1、T2的偏置電壓，使之工作在甲乙類狀態(tài)，這類電路通常稱為甲乙類OTL電路［轉45］第41頁/共57頁2023/1/1943第42頁/共57頁2023/1/19445.3.2甲乙類單電源互補對稱電路

1.基本電路如圖5.3.4所示。該電路是采用一個電源供電的互補對稱型電路，該電路每一只管子的供電電源為VCC/2，K點電位靜態(tài)時為VCC/2?？赏ㄟ^調整R2來實現(xiàn)。［轉47］第43頁/共57頁2023/1/1945第44頁/共57頁2023/1/1946輸出電容C在T1工作時，對C進行充電，當T1

截止T2導通時，C上的充電電壓作為T2的供電電源，給T2提供能量。T3為前置放大級，它組成的是分壓式電流負反饋偏置電路，具有穩(wěn)定靜態(tài)工作點的功能。第45頁/共57頁2023/1/1947

2.工作原理

a.vi的負半周，T1正偏導通，T2反偏截止，電流iC1經：＋VCC→T1c極→T1e極→K→C→RL→地(通過電源內部)→＋VCC形成回路，如圖5.3.4(a)所示。［轉50］第46頁/共57頁2023/1/1948第47頁/共57頁2023/1/1949對負載輸出正半周信號，負載電流的方向為自上而下，同時對電容C進行充電；b.

vi的正半周，T1反偏截止，T2正偏導通，電流iC2經：K點→T2e極→T2c極→地→RL→C→K點形成回路如圖5.3.4(b)所示。第48頁/共57頁2023/1/1950第49頁/共57頁2023/1/1951對負載輸出負半周信號，負載電流的方向為自下而上，同時電容通過回路進行放電。由于輸出電容C的容量較大，無論是充電或是放電，其兩端的電壓基本保持在VCC/2不變。第50頁/共57頁2023/1/19523.該電路存在的問題當T1正偏導通，給輸出電容C充電，使K點電位向＋VCC接近時，T1的基極電流將受到限制而使T1不能充分導通，一致使輸出信號的正半周不能達到理想的最大值。致使Vom明顯小于VCC/2。第51頁/共57頁2023/1/1953解決方法：當T1正偏導通時，隨著iC1的增加電路自動提高D點的電位，使VD>＋VCC，以保證T1能充分導通,從而使Vom接近于VCC/2。第52頁/共57頁2023/1/19544.自舉電路及其作用如圖5.3.5所示(1)自舉電路的組成自舉電路是由R3、C3組成。其時間常數(shù)τ＝R3C3足夠大(R3

一般比較小約