模電華科第9章課件

第9章功率放大電路重點(diǎn)：1.功率放大電路概述2.互補(bǔ)功率放大電路3.功率放大電路的安全運(yùn)行4.集成功率放大電路19.1能夠向負(fù)載提供足夠大的信號(hào)功率的放大電路稱(chēng)為功率放大電路，簡(jiǎn)稱(chēng)功放。從能量控制與轉(zhuǎn)換的角度看，功率放大電路與其它放大電路在本質(zhì)上沒(méi)有根本的區(qū)別；只是功放輸出盡可能大的功率。因此，功放電路的組成和分析方法、元器件的選擇，都與小信號(hào)放大電路不同。9.1.1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功率放大電路概述2功率放大電路提供給負(fù)載的信號(hào)功率稱(chēng)為輸出功率（PO=UOIO）。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，稱(chēng)為最大輸出功率Pom

。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功率之比稱(chēng)為轉(zhuǎn)換效率。即二、功率放大電路中的晶體管1.晶體管接近極限參數(shù)ICM晶體管在極限狀態(tài)工作,參數(shù)接近ICM、U（BR）CEO、PCM,但要保證管子工作在安全區(qū)。電源提供的功率是直流功率，其值等于電源輸出直流電流平均值與其電壓之積，即PV=VccIc(AV)

。39.1.2功率放大電路的組成

一、變壓器耦合功率放大電路傳統(tǒng)的功率放大電路為變壓器耦合功率放大電路，分為單管甲類(lèi)功率放大電路和推換功率放大電路。1.單管甲類(lèi)功率放大電路適合做功放嗎？功率放大器分變壓器耦合功率放大電路和直接耦合功率放大電路。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)。5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)，若集電極電流也為正弦波，直流電源提供的功率不變。電源提供的功率為PV＝ICQVCC，全部消耗在管子上。

RL等效到原邊的電阻為，則可作出交流負(fù)載線。

62.變壓器耦合乙類(lèi)推挽功率放大電路為了減小靜態(tài)損耗，應(yīng)減小ICQ，當(dāng)ICQ=0時(shí)，靜態(tài)PV=ICQVCC=0,但晶體管只有半個(gè)周期導(dǎo)通（=180?），靜態(tài)工作點(diǎn)位于橫軸上，這種工作狀態(tài)稱(chēng)為乙類(lèi)狀態(tài)。乙類(lèi)狀態(tài)靜態(tài)損耗雖小，但失真嚴(yán)重。為了獲得完整的正弦波輸出，采用兩只晶體管組成乙類(lèi)推挽功率放大電路，如圖所示。電路的最大效率為:Pom/PV=50%ui為正弦，ic和uce也是正弦（即Q點(diǎn)在交流負(fù)載線中點(diǎn)左右），稱(chēng)為甲類(lèi)功率放大電路。7兩只同類(lèi)型管子在電路中交替導(dǎo)通的方式，稱(chēng)為“推挽”工作方式。設(shè)β為常量，則負(fù)載上可獲得正弦波。輸入信號(hào)越大，電源提供的功率也越大。93.

功率放大電路的分類(lèi)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(lèi)。甲類(lèi)(=2)tiCO

Icm2ICQtiCO

Icm2ICQ乙類(lèi)(=)tiCO

IcmICQ2甲乙類(lèi)(

<<2)丙類(lèi)：導(dǎo)通角小于。丁類(lèi)：功放管工作在開(kāi)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。101.

無(wú)輸出變壓器的功率電路用一個(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）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，故電容上的電壓也為VCC/2。單電源供電。T1和T2特性對(duì)稱(chēng)。工作時(shí)：T1和T2輪流導(dǎo)通，電路為射極跟隨狀態(tài),uo≈ui。OTL工作在乙類(lèi)工作狀態(tài)，會(huì)出現(xiàn)交越失真。如何消除？二、直接耦合功率放大電路(互補(bǔ)功率放大電路)OutputTransformerless(OTL電路)11

3.

橋式推挽功率放大電路單電源供電，四只管子特性對(duì)稱(chēng)。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)：

BalancedTransformerless（BTL電路）139.2.1OCL電路的組成及工作原理一、電路組成RLT1T2+VCC+ui+uoVCCui>0T1導(dǎo)通T2截止iC1io=iE1=iC1,uO=iC1RLui<0T2導(dǎo)通T1截止iC2io=iE2=iC2,uO=iC2RLui=0T1、T2截止9.2

目前使用最廣泛的功放是OTL電路和OCL電路，本節(jié)以O(shè)CL為例，介紹Pom、的分析計(jì)算，以及功放管的選擇。若考慮三極管的開(kāi)啟電壓，輸出波形將產(chǎn)生交越失真?；パa(bǔ)功率放大電路14二、工作原理tiCO

ICQ1ICQ2消除交越失真思路：ui=0，給T1、T2提供靜態(tài)電壓UB1、B2＝UD1＋UD2＋UR2

UB1、B2略大于T1管發(fā)射結(jié)和T2管發(fā)射結(jié)開(kāi)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)R2，使UE為0，即u0為0。交越失真1.靜態(tài)（ui=0）消除交越失真的OCL電路RLD1D2T1T2+VCC_+uoVCCR2R1uiR3+15若靜態(tài)工作點(diǎn)失調(diào)，可使T1、T2管因功耗過(guò)大而損壞。因此，常在輸出電路中接入熔斷器以保護(hù)功放管和負(fù)載。注意：179.2.2OCL電路的輸出功率及效率當(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T(mén)1管的輸出特性，Ⅱ區(qū)為T(mén)2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

18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199.2.3OCL電路中晶體管的選擇一、最大管壓降UCEmax=2VCC

-UCES≈2VCC二、集電極最大電流三、集電極最大功耗如何求PT的最大功率？選功放管，應(yīng)根據(jù)UCEmax、Icmax、PTmax選晶體管。RLD1D2T1T2+VCC_+uoVCCR2R1uiR3+2122四、功放管的選擇查手冊(cè)選晶體管時(shí)，應(yīng)使極限參數(shù)選擇晶體管時(shí)，其極限參數(shù)應(yīng)留有一定余量，特別是PCM，并嚴(yán)格按手冊(cè)要求安裝散熱片。注：23

圖所示電路的負(fù)載電阻為8?，晶體管飽和管壓降|UCES|=2V，試問(wèn)：（1）若負(fù)載所需最大功率為16W，則電源電壓至少應(yīng)取多少伏？（2）若電源電壓取20V，則晶體管的最大集電極電流、最大管壓降和集電極最大功耗各為多少？（1）根據(jù)可求出電源電壓例2解：25（2）最大不失真輸出電壓的峰值因而負(fù)載電流最大值，即晶體管集電極最大電流最大管壓降晶體管集電極最大功耗26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(lèi)：甲類(lèi)、乙類(lèi)、甲乙類(lèi)、丙類(lèi)和丁類(lèi)變壓器耦合、OTL、OCL和BTL3.OCL功放的性能指標(biāo)：Uop=VCC–UCES公式中VCC→VCC/2，適用于OTL電路。注意：27

IB不同時(shí)二次擊穿的臨界點(diǎn)不同，便得到二次擊穿臨界曲線，簡(jiǎn)稱(chēng)S/B曲線。防止晶體管的一次擊穿，并限制集電極電流，可避免二次擊穿。例如，在功放管的c--e間加穩(wěn)壓管，就可以防止其二次擊穿。A點(diǎn)到B點(diǎn)，此時(shí)電流猛增，而管壓降減小，稱(chēng)為“二次擊穿”。晶體管經(jīng)二次擊穿后，性能下降，甚至造成永久性損壞。299.3.2功放管的散熱問(wèn)題功放管損壞的重要原因是PC

>

PCM。改善功放管的散熱，可在同樣的結(jié)溫Tj下提高PCM，也就可提高輸出功率。一、熱阻的概念熱在物體中傳導(dǎo)時(shí)所受到的阻力用“熱阻”來(lái)表示。設(shè)結(jié)溫為T(mén)j，環(huán)境溫度為T(mén)a,則溫差?T（=Tj-Ta)與PC

成正比，比例系數(shù)稱(chēng)為熱阻RT，即可見(jiàn)，熱阻RT是傳遞單位功率時(shí)所產(chǎn)生的溫差，單位為?C/W；熱阻是衡量晶體管散熱能力的一個(gè)重要參數(shù)。?T=Tj-Ta=PCRT30

可見(jiàn)，管子選定，則TjM確定，Ta=25?C時(shí)，若要PCM↑，必RT↓。二、熱阻的估算管芯（J）向環(huán)境（A）散熱的途徑有兩點(diǎn)：管芯J→C（管殼）→A；或J→C→S（散熱片）→A，如圖示。31

設(shè)J--C間熱阻為Rjc,C-A間熱阻為Rca，C-S間熱阻為Rcs,S-A間熱阻為Rsa,則晶體管散熱的熱阻模型如圖所示。大功率管一般要加散熱器，

不同管子Rjc不同；Rca與管殼所用材料有關(guān)；Rcs取決于晶體管與散熱器之間是否加絕緣層，又決定于二者接觸面積和壓緊程度；Rsa與散熱器所用材料及表面大小、厚薄、顏色和散熱片安裝位置等因素有關(guān)。小功率管一般不加散熱器，故晶體管的等效熱阻為32三、功放管的散熱器

兩種散熱器如圖示。當(dāng)散熱器垂直或水平放置時(shí)，有利于通風(fēng)，故散熱效果較好。散熱表面鈍化涂黑有利于熱輻射，從而可減小熱阻。產(chǎn)品手冊(cè)給出的PCM是在指定散熱器及一定環(huán)境溫度下的允許值；若改善散熱條件，可獲得更大一些的PCM。339.4

OTL、OCL和BTL電路因PO和Au不同有多種不同型號(hào)的集成電路。OTL電路使用時(shí)，需外接輸出電容。為了改善頻率特性，減小非線性失真，常在電路內(nèi)部引入深度負(fù)反饋。本節(jié)以低頻功放為例，介紹集成功放的電路組成、工作原理、主要性能指標(biāo)和典型應(yīng)用。9.4.1集成功率放大電路分析

LM386是一種音頻集成功放，具有功耗小，電壓增益可調(diào)節(jié)，電源電壓范圍大，外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)之中。集成功率放大電路34一、LM386內(nèi)部電路35第一級(jí)為差分放大電路（雙入單出）第二級(jí)為共射放大電路，T7放大管，恒流源作有源負(fù)載，以增大放大倍數(shù)。第三級(jí)中T8和T6管復(fù)合成PNP管，與NPN管T10構(gòu)成準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)。D1、D2為輸出級(jí)提供合適的偏置電壓，可以消除交越失真。

T1和T3、T2和T4分別構(gòu)成復(fù)合管作為差分放大電路放大管；T5和T6組成鏡像電流源作為T(mén)1和T2有源負(fù)載。從T2管集電極輸出，為雙入單出電路。單端輸出電路的增益近似等于雙端輸出（因接有源負(fù)載）。36

電阻R7從輸出端連接到T2的發(fā)射極形成反饋通路，并與R5和R6構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，從而引入深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋。利用瞬時(shí)極性法可判斷出，2腳為反相輸入端，3腳為同相輸入端。電路由單電源供電，故為OTL電路。輸出端（5腳）應(yīng)外接輸出電容后再接負(fù)載。引腳1和8外接電阻時(shí)，改變交流通路，所以必須在外接電阻回路串聯(lián)一個(gè)大容量電容，如圖示，外接電阻值不同，電壓放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)范圍為20~200，即26~46dB。二、LM386引腳圖注：379.4.2集成功率放大電路的主要性能指標(biāo)

除POm外，還有電源電壓范圍，電源靜態(tài)電流，電壓增益，頻帶寬，輸入阻抗，輸入偏置電流，總諧波失真等。同一負(fù)載，當(dāng)電源電壓不同時(shí)，POm不同；同一電源電壓時(shí)，當(dāng)負(fù)載不同，POm也不同。集成功率放大電路的主要性能指標(biāo)見(jiàn)書(shū)中表9.4.1。389.4.3集成功率放大電路的應(yīng)用一、集成OTL電路的應(yīng)用1.LM386外接元件最少的用法靜態(tài)時(shí)輸出電容上電壓為VCC/2最大不失真輸出電壓的峰－峰值為電源電壓VCC。最大輸出功率為輸入電壓有效值VCC=16V,RL=32?引腳1和8開(kāi)路，R和C2串聯(lián)構(gòu)成較正網(wǎng)絡(luò)用來(lái)進(jìn)行相位補(bǔ)償。LM386外接元件最少的用法393.LM386的一般用法

LM386電壓增益最大的用法

LM386的一般用法C3使引腳1和8的交流通路短路，Au≈200；C4為耦合電容；C5是去耦電容。引腳1和5接電阻，也可改變電壓放大倍數(shù)。

2.LM386電壓增益最大的用法40最大輸出功率P