第八章 功率放大電路

功率放大電路第八章第8章

功率放大電路8.1功率放大電路概述8.2互補(bǔ)功率放大電路8.3功率放大電路的安全運(yùn)行8.4集成功率放大電路本章重點(diǎn)和考點(diǎn)：1.重點(diǎn)掌握功放的最大輸出電壓、最大輸出功率和效率的計(jì)算。2.掌握集成功放的使用。本章討論的問(wèn)題：1.功率放大是放大功率嗎？電壓放大電路和功率放大電路有什么區(qū)別？2.什么是晶體管的甲類、乙類和甲乙類工作狀態(tài)？3.晶體管的最大耗散功率是否是電路的最大輸出功率？晶體管的耗散功率最大時(shí)，電路的輸出功率是最大嗎？4.互補(bǔ)式功放電路的輸出功率是否為單管功放電路的二倍？8.1功率放大電路概述能夠向負(fù)載提供足夠信號(hào)功率的放大電路稱為功率放大電路，簡(jiǎn)稱功放。功放電路的要求：Pomax

大，三極管極限工作=Pomax/PV

要高失真要小功率放大電路的作用：是放大電路的輸出級(jí)，去推動(dòng)負(fù)載工作。例如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動(dòng)作、儀表指針偏轉(zhuǎn)、電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)等。8.1.1功率放大電路的特點(diǎn)一、主要技術(shù)指標(biāo)1.最大輸出功率Pom功率放大電路提供給負(fù)載的信號(hào)功率稱為輸出功率。是交流功率，表達(dá)式為Po＝IoUo。最大輸出功率是在電路參數(shù)確定的情況下，負(fù)載上可能獲得的最大交流功率2.轉(zhuǎn)換效率功率放大電路的最大輸出功率與電源提供的直流功率之比。直流功率等于電源輸出電流平均值及電壓之積。3.最大輸出電壓Uom二、功率放大電路中的晶體管在功率放大電路中，為使輸出功率盡可能大，要求晶體管工作在極限應(yīng)用狀態(tài)。選擇功放管時(shí)，要注意極限參數(shù)的選擇，還要注意其散熱條件，使用時(shí)必須安裝合適的散熱片和各種保護(hù)措施。晶體管集電極電流最大時(shí)接近ICM晶體管管壓降最大時(shí)接近U（BR）CEO晶體管耗散功率最大時(shí)接近PCM三、功率放大電路的分析方法采用圖解法8.1.2功率放大電路的基本要求1.輸出功率大2.效率要高3.非線性失真要小4.散熱問(wèn)題額定功率是指在失真允許的范圍內(nèi)放大器輸出的最大功率。最大不失真功率是指在不失真的情況下最大輸出功率。放大電路的工作狀態(tài)甲類(=2)放大電路的工作狀態(tài)乙類(=)甲類(=2)tiCO

Icm2ICQtiCO

Icm2ICQ乙類(=)tiCO

IcmICQ2甲乙類(

<<2)乙類工作狀態(tài)失真大，靜態(tài)電流為零，管耗小，效率高。甲乙類工作狀態(tài)失真大，靜態(tài)電流小，管耗小，效率較高。甲類工作狀態(tài)失真小，靜態(tài)電流大，管耗大，效率低。放大電路的工作狀態(tài)故θ越小，效率越高管耗功率放大電路的分類在放大電路中，若輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，根據(jù)晶體管在信號(hào)整個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通情況分類甲類(=2)tiCO

Icm2ICQtiCO

Icm2ICQ乙類(=)tiCO

IcmICQ2甲乙類(

<<2)丙類：導(dǎo)通角小于。丁類：功放管工作在開關(guān)狀態(tài)，管子僅在飽和導(dǎo)通時(shí)消耗功率。集電極電流iC將嚴(yán)重失真?；パa(bǔ)對(duì)稱電路是集成功率放大電路輸出級(jí)的基本形式。當(dāng)它通過(guò)容量較大的電容與負(fù)載耦合時(shí)，由于省去了變壓器而被稱為無(wú)輸出變壓器(OutputTransformerless)電路，簡(jiǎn)稱OTL電路。若互補(bǔ)對(duì)稱電路直接與負(fù)載相連，輸出電容也省去，就成為無(wú)輸出電容(OutputCapacitorless)電路，簡(jiǎn)稱OCL電路。

OTL電路采用單電源供電，

OCL電路采用雙電源供電。8.2互補(bǔ)功率放大電路8.2.1乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路(OCL)(OCL—OutputCapacitorless)一、基本OCL互補(bǔ)功率放大電路8.2.1乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路(OCL)一、基本OCL互補(bǔ)功率放大電路RLV1V2+VCC+ui+uoVEEui

>0V1導(dǎo)通V2截止iC1io

=iE1=iC1,uO

=iC1RLui

<0V2導(dǎo)通V1截止iC2io

=-iE2=-iC2,uO

=-iC2RLui

=0V1、V2截止iO1、電路組成及工作原理(OCL—OutputCapacitorless)1、電路組成及工作原理RLV1V2+VCC+ui+uoVEEui

>0V1導(dǎo)通V2截止iC1io

=iE1=iC1,uO

=iC1RLui

<0V2導(dǎo)通V1截止iC2io

=-iE2=-iC2,uO

=-iC2RL存在問(wèn)題：當(dāng)輸入電壓小于死區(qū)電壓時(shí)，三極管截止，引起

交越失真。交越失真輸入信號(hào)幅度越小失真越明顯。ui

=0V1、V2截止iO二、消除交越失真的OCL電路的工作原理tiC0ICQ1ICQ2消除交越失真思路：消除交越失真的OCL電路RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiR3ui

=0，給T1、T2提供靜態(tài)電壓UB1、B2＝UD1＋UD2＋UR2UB1、B2略大于T1管發(fā)射結(jié)和T2管發(fā)射結(jié)開啟電壓之和，兩管均處于微導(dǎo)通狀態(tài)，即都有一個(gè)微小的基極電流，分別為IB1和IB2

。靜態(tài)時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)R1

，使UE為0,即u0為0。當(dāng)ui

=0時(shí)，T1、T2微導(dǎo)通。當(dāng)ui

＞0(至)，

T1

微導(dǎo)通充分導(dǎo)通微導(dǎo)通；T2微導(dǎo)通截止微導(dǎo)通。當(dāng)ui

＜0(至)，

T2

微導(dǎo)通充分導(dǎo)通微導(dǎo)通；

T1微導(dǎo)通截止微導(dǎo)通。當(dāng)輸入信號(hào)為正弦交流電時(shí)T1和T2管在ui作用下輸入特性中的圖解分析二管導(dǎo)通的時(shí)間都比輸入信號(hào)的半個(gè)周期更長(zhǎng)，功放電路工作在甲乙類狀態(tài)。當(dāng)輸入電壓足夠大，且又不產(chǎn)生飽和失真的圖解分析OCL電路的圖解分析圖中I區(qū)為T1管的輸出特性，II區(qū)為T2管的輸出特性；二只管子的靜態(tài)電流很小，可認(rèn)為Q點(diǎn)在橫軸上。Uop=VCC

–

UCES最大輸出電壓幅值最大不失真輸出電壓的有效值三、OCL功率放大電路的圖解分析最大輸出功率電源VCC提供的電流電源在負(fù)載獲得最大交流功率時(shí)所消耗的平均功率等于其平均電流與電源電壓之積。轉(zhuǎn)換效率理想情況下，UCES可忽略；但大功率管UCES較大，不能忽略四、OCL電路中晶體管的選擇1.最大管壓降UCEmax=2VCC

2.集電極最大電流3.集電極最大功耗如何求PT的最大功率？RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiR3晶體管集電極最大功耗僅為最大輸出功率的五分之一。在查閱手冊(cè)選擇晶體管時(shí)，應(yīng)使極限參數(shù)UCEO＞2VCC

ICM＞VCC/RL

PCM＞0.2Pom

[例8.2.1]在圖示電路中已知VCC

＝15V，輸入電壓為正弦波，晶體管的飽和管壓降UCES

＝3V，電壓放大倍數(shù)約為1，負(fù)載電阻RL

＝4歐，（1）求解負(fù)載上可能獲得的最大功率和效率（2）若輸入電壓最大有效值為8V，則負(fù)載上能夠獲得的最大功率為多少。解（1）（2）因?yàn)閁O≈Ui，所以UOm≈8V。最大輸出功率RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiR3RLV1V2+VCC+ui+uoVEE1.輸出功率最大不失真輸出電壓、電流幅度：最大輸出功率最大輸出功率2.電源功率PDC=IC1VCC+IC2VEE=2IC1VCC=2VCCUom/RL最大輸出功率時(shí)：PDC=2V2CC/RLPDC=2V2CC/RL3.效率PDC=2VCCIcm/

實(shí)際約為60%最大輸出功率時(shí)：【OCL電路小結(jié)】令則：時(shí)管耗最大，即：每只管子最大管耗為

0.2Pom5.選管原則PCM>0.2PomU(BR)CEO>2VCCICM>VCC/RLRLV1V2+VCC+ui+uoVEE4.管耗第3章放大電路基礎(chǔ)例1

已知：VCC=VEE=24V，RL=8，忽略UCE(sat)

求Pom

以及此時(shí)的PDC、PC1，并選管。[解]PDC=2V2CC/RL=2242//(8)=45.9(W)=0.5(45.936)=4.9(W)U(BR)CEO>48VICM>24/8=3(A)可選：U(BR)CEO=60100VICM=5APCM=1015WRLV1V2+VCC+ui+uoVEE8.2.2甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路一、甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路給V1、V2提供靜態(tài)電壓tiC0ICQ1ICQ2克服交越失真思路：電路：RLRV3V4V1V2+VCC+ui+uoVEEV5當(dāng)ui

=0時(shí)，V1、V2微導(dǎo)通。當(dāng)ui

<0(至)，V1

微導(dǎo)通充分導(dǎo)通微導(dǎo)通；V2微導(dǎo)通截止微導(dǎo)通。當(dāng)ui

>0(至)，V2

微導(dǎo)通充分導(dǎo)通微導(dǎo)通；

V1微導(dǎo)通截止微導(dǎo)通?？朔辉绞д娴碾娐稸1V2V3V4實(shí)際電路V4RL+VCC+uoV1V2V3VEER*1R2R3R4V1V2V3R2R1RL+VCC+uoV1V2V3V4V5VEE+uiR二、復(fù)合管互補(bǔ)對(duì)稱放大電路1.復(fù)合管(達(dá)林頓管)目的：實(shí)現(xiàn)管子參數(shù)的配對(duì)；提高電流放大倍數(shù)ib1(1+1)

ib1(1+1)(1+2)ib1=(1+1+2+12)ib1

1

2

rbe=rbe1+(1+1)rbe22(1+1)ib11ib1ibicie(1+2+12)ib1V1V2V1V2NPN+NPNNPNV1V2PNP+PNPPNPV1V2NPN+PNPNPNV1V2PNP+NPNPNP構(gòu)成復(fù)合管的規(guī)則：1)B1為

B，C1或E1接B2

，C2、E2為

C或E；2)

應(yīng)保證發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏；3)

復(fù)合管類型與第一只管子相同。V1V2練習(xí)：接有瀉放電阻的復(fù)合管：V1V2ICEO12ICEO1R瀉放電阻減小復(fù)合管總的穿透電流減小。V1、V3—NPNV2、V4—PNPR3、R5—穿透電流泄放電阻RE1、RE2—穩(wěn)定“Q”、過(guò)流保護(hù)取值0.10.5V5V7、RP—克服交越失真R4—使V3、V4輸入電阻平衡V8—構(gòu)成前置電壓放大RB1—引入負(fù)反饋，提高Q點(diǎn)穩(wěn)定性。UEUB8IB8IC8UB3UE準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱電路2.復(fù)合管互補(bǔ)對(duì)稱電路舉例RLRPV4+VCCV5V1V2R2RB1RB2+uo+ui+++V6V7V8EUB3R1R5R3IC8RE1RE2R4V3UB8-VEE一、OTL乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路在輸入信號(hào)的正半周，VT1

導(dǎo)通，iC1

流過(guò)負(fù)載；負(fù)半周，VT2導(dǎo)通，iC2

流過(guò)負(fù)載。在信號(hào)的整個(gè)周期都有電流流過(guò)負(fù)載，負(fù)載上iL

和uO

基本上是正弦波。存在的問(wèn)題：交越失真交越失真8.2.3單電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路1.工作原理—OTL電路(OutputTransformerless

)2.OTL乙類互補(bǔ)電路圖解分析Icm1=Icm2

＝

Icm，Ucem1=Ucem2=Ucem，RLRBV4–VEE+VCCV5V1V2CERERB1RB2+uo+ui+++CE電容C的作用：1)充當(dāng)VCC/2電源2)耦合交流信號(hào)當(dāng)ui

=0時(shí)，1.電路結(jié)構(gòu)二、OTL甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路RLRBV4–VEE+VCCV5V1V2CERERB1RB2+uo+ui+++CE當(dāng)ui

=0時(shí)，當(dāng)ui

>0時(shí)：V2導(dǎo)通，C放電，V2的等效電源電壓0.5VCC。當(dāng)ui

<

0時(shí)：V1導(dǎo)通，C充電，V1的等效電源電壓

+0.5VCC。應(yīng)用OCL電路有關(guān)公式時(shí)，要用VCC/2取代VCC。2.OTL電路工作原理存在的問(wèn)題當(dāng)ui為負(fù)半周最大值時(shí)，iC3最小，uB1接近于+UCC，此時(shí)希望T1在接近飽和狀態(tài)工作，即uCE1≈UCES，故K點(diǎn)電位uK=+UCC-UCES≈+UCC。當(dāng)ui為正半周最大值時(shí)，T1截止，T2接近飽和導(dǎo)電，uK=UCES≈0。當(dāng)ui為負(fù)半周時(shí)，T1導(dǎo)電，使iB1增加，由于Rc3上的壓降和uBE1的存在，當(dāng)K點(diǎn)電位向+UCC接近時(shí)，使T1的基極電流iB1的增加受到限制，從而也限制了T1增加輸向負(fù)載的電流解決方法自舉電路當(dāng)ui=0時(shí)，因此電容C3兩端電壓被充電到解決方法自舉電路當(dāng)ui=0時(shí)，因此電容C3兩端電壓被充電到解決方法自舉電路當(dāng)時(shí)間常數(shù)R3C3足夠大時(shí)，uC3（電容C3兩端電壓）基本為常數(shù)（uC3≈UC3），是不隨輸入電壓ui而改變。這樣，當(dāng)ui為負(fù)時(shí)，T1導(dǎo)電，uK將由向+UCC方向變化，考慮到隨著K點(diǎn)電位uK升高，D點(diǎn)電位uD也自動(dòng)升高。這樣就會(huì)有足夠的電流iB1，使T1充分導(dǎo)電，增加輸出電壓幅度，致使OCL電路和OTL電路的比較OCLOTL電源雙電源單電源信號(hào)交、直流交流頻率響應(yīng)好fL

取決于輸出耦合電容C電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單較復(fù)雜Pomax復(fù)習(xí)：1.功放電路的性能指標(biāo)：

最大輸出電壓、最大輸出功率和效率

2.功放電路的分類：

甲類、乙類、甲乙類、丙類和丁類變壓器耦合、OTL、OCL3.OCL功放的性能指標(biāo)：OTL互補(bǔ)對(duì)稱放大電路

3.R8和R9

的作用?

1.R4、D1、D2的作用？

2.

T1和T3

、T2和T4

構(gòu)成什么工作方式？思考

4.R6和R7

的作用?ui+UCCRLT1T2R3D1D2R1R4R6T3T4CL++_R2R5R7R9R8T5uo+_++OTL互補(bǔ)對(duì)稱放大電路

(3)R8和R9

的作用?

(1)R4、D1、D2的作用？

(2)T1和T3

、T2和T4

構(gòu)成什么工作方式？

(4)R6和R7

的作用?避免產(chǎn)生交越失真構(gòu)成復(fù)合管引入電流負(fù)反饋，使電路工作穩(wěn)定。分流T1、T2的ICEO，提高溫度穩(wěn)定性。ui+UCCRLT1T2R3D1D2R1R4R6T3T4CL++_R2R5R7R9R8T5uo+_++例1：乙類互補(bǔ)推挽功放電路如圖所示。已知ui為正弦電壓，RL=8W，要求最大輸出功率為16W。假設(shè)功率管T1和T2特性對(duì)稱，管子的飽和壓降UCES=0。試求：（1）正、負(fù)電源VCC的最小值；（2）當(dāng)輸出功率最大時(shí)，電源供給的功率；（3）當(dāng)輸出功率最大時(shí)的輸入電壓的有效值。T1T2RL+VCCVCC__+uOui【練習(xí)題】[解]（1）由于電路的最大輸出功率所以電源電壓（2）當(dāng)輸出功率最大時(shí)，電源供給的功率T1T2RL+VCCVCC__+uOui（3）因?yàn)檩敵龉β首畲髸r(shí)，輸出電壓的幅值為所以輸入電壓的有效值為

T1T2RL+VCCVCC__+uOui8.2.4功率放大電路的組成一、為什么共射放大電路不宜用作功率放大電路共射放大電路輸出功率和效率的圖解分析直流電源提供的直流功率為ICQVCC即圖中矩形ABCO的面積。集電極電阻RC的功率損耗為I2CQRC

即圖中矩形QBCD的面積。晶體管集電極耗散功率為ICQUCEQ即圖中矩形AQDO的面積。1.無(wú)輸入信號(hào)作用時(shí)輸出功率和效率的圖解分析2.在輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，集電極電流也為正弦波直流電源提供的直流功率不變負(fù)載電阻RL上所獲得的功率PO僅為P/Om的一部分。R/L(=RC//RL)上獲得的最大交流功率P/Om為即圖中三角形QDE的面積共射放大電路輸出功率小，效率低（25℅），不宜作功放。二、變壓器耦合功率放大電路傳統(tǒng)的功放為變壓器耦合式電路電源提供的功率為PV＝ICQVCC

，全部消耗在管子上。則可作出交流負(fù)載線

RL等效到原邊的電阻為變壓器原邊線圈電阻可忽略不計(jì)，直流負(fù)載線垂直于橫軸且過(guò)(VCC

，0)。在理想變壓器的情況下，最大輸出功率為即三角形QAB的面積在輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，集電極電流也為正弦波直流電源提供的功率不變電路的最大效率為:Pom/PV=50℅實(shí)用的變壓器功率放大電路希望輸入信號(hào)為零時(shí)，電源不提供功率，輸入信號(hào)愈大，負(fù)載獲得的功率也愈大，電源提供的功率也隨之增大，從而提高效率。變壓器耦合乙類推挽功率放大電路變壓器耦合乙類推挽功率放大電路同類型管子在電路中交替導(dǎo)通的方式稱為“推挽”工作方式。無(wú)輸入信號(hào)，二管截止有輸入信號(hào)，二管交替導(dǎo)通三、無(wú)輸出變壓器的功率電路OutputTransformerless

（OTL電路）用一個(gè)大容量電容取代了變壓器(電容：幾百~幾千微法的電解電容器）OTL電路靜態(tài)時(shí)：前級(jí)電路應(yīng)使基極電位為VCC/2，發(fā)射結(jié)電位為VCC/2，故電容上的電壓也VCC/2。單電源供電。T1和T2特性對(duì)稱工作時(shí)：T1和T2輪流導(dǎo)通，電路為射極跟隨狀態(tài)。OTL工作在乙類工作狀態(tài)，會(huì)出現(xiàn)交越失真。如何消除？四、無(wú)輸出電容的功率放大電路

OutputCapacitorless（OCL電路）雙電源供電,T1和T2特性對(duì)稱OCL電路靜態(tài)時(shí):T1和T2均截止，輸出電壓為零。工作時(shí):T1和T2交替工作，正、負(fù)電源交替供電，輸出與輸入之間雙向跟隨。不同類型的二只晶體管交替工作，且均組成射極輸出形式的電路稱為“互補(bǔ)”電路；二只管子的這種交替工作方式稱為“互補(bǔ)”工作方式。五、橋式推挽功率放大電路

BalancedTransformerless（BTL電路）BTL電路單電源供電，四只管子特性對(duì)稱靜態(tài)時(shí)，四只晶體管均截止，輸出電壓為零。當(dāng)ui>0時(shí)，T1和T4導(dǎo)通，T2和T3

截止，負(fù)載上獲得正半周電壓；當(dāng)ui<0時(shí)，T2和T3導(dǎo)通，T1和T4

截止，負(fù)載上獲得負(fù)半周電壓。因而負(fù)載上獲得交流功率工作時(shí)，8.3實(shí)際的功率放大電路