第5章功率放大電路

第5章功率放大電路基本要求了解功率放大電路的特殊問題--效率和失真的問題和解決這類問題的方法；掌握乙類功放的工作原理和功率參數(shù)計(jì)算及存在的問題以及甲乙類功放電路的構(gòu)成；了解集成功放及其應(yīng)用主要內(nèi)容5.1功率放大電路的一般性問題5.2乙類雙電源互補(bǔ)功率放大電路5.3甲乙類互補(bǔ)功率放大電路5.4集成功放5.1功率放大電路的特殊問題

功率放大電路一般在多級(jí)放大電路的輸出級(jí)，主要作用是在不失真或輕微失真的前提下，盡可能地對(duì)功率進(jìn)行放大，以推動(dòng)負(fù)載如揚(yáng)聲器發(fā)聲、電機(jī)旋轉(zhuǎn)、繼電器動(dòng)作、指示儀表偏轉(zhuǎn)等。5.1.1對(duì)功率放大電路的特點(diǎn)和要求功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的放大電路。為了獲得大的輸出功率，必須使輸出信號(hào)電壓大；輸出信號(hào)電流大；放大電路的輸出電阻與負(fù)載匹配1.功率放大器與電壓放大器的區(qū)別：電壓放大器要求負(fù)載得到不失真的電壓信號(hào)；功率放大器則要求獲得足夠的不失真的輸出功率功率放大電路必須考慮效率問題。為了降低靜態(tài)時(shí)的工作電流，三極管從甲類工作狀態(tài)改為乙類或甲乙類工作狀態(tài)。此時(shí)雖降低了靜態(tài)工作電流，但又產(chǎn)生了失真問題。如果不能解決乙類狀態(tài)下的失真問題，乙類工作狀態(tài)在功率放大電路中就不能采用。推挽電路和互補(bǔ)對(duì)稱電路較好地解決了乙類工作狀態(tài)下的失真問題。2.功率放大器的特殊問題(1)要求輸出功率盡可能大：放大器件工作在極限狀態(tài)；(2)要求效率高：需要考慮減小功耗，提高電源轉(zhuǎn)換效率；(3)非線性失真要小。減小非線性失真與增大輸出功率是功率放大器的一對(duì)矛盾。(4)解決功放器件的散熱問題。3．低頻功率放大器的特點(diǎn)(1)要有盡可能大的輸出功率；(2)效率要高；(3)非線性失真要小(4)考慮放大器件的安全,要加裝散熱和保護(hù)裝置(5)放大器件在大信號(hào)條件下工作,采用圖解法分析5.1.2提高功率放大電路效率的主要途徑

由為了提高效率、降低損耗，應(yīng)從兩方面考慮：一是增加放大電路的動(dòng)態(tài)工作范圍來增加輸出功率；二是減少電源供給的功率，即在UCC一定時(shí)使靜態(tài)電流IC減小，也就是將靜態(tài)工作點(diǎn)沿交流負(fù)載線下移可知：功率放大器提高輸出功率的途徑：減小放大管的集電極損耗！1．工作狀態(tài)分類根據(jù)晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)的位置不同分為(1)甲類放大電路uCEiC0QAiC1ICQωt=2

02集電極電流波形靜態(tài)工作點(diǎn)位置特點(diǎn):a.靜態(tài)功耗大b.能量轉(zhuǎn)換效率低c.放大管的導(dǎo)通角θ=2π靜態(tài)工作點(diǎn)Q在交流負(fù)載線的中間，如圖所示。(2)乙類放大電路uCEiC0QAωtiC2π2π=π03π靜態(tài)工作點(diǎn)位置集電極電流波形特點(diǎn)a.靜態(tài)功耗b.能量轉(zhuǎn)換效率高c.輸出失真大d.放大管的導(dǎo)通角θ=π靜態(tài)工作點(diǎn)在截止區(qū)，如圖5.1.3所示，靜態(tài)集電極電流為零，無靜態(tài)功耗，但輸出波形嚴(yán)重失真。(3)甲乙類放大電路uCEiC0QAiC3π2π03πICQπ<θ<2π靜態(tài)工作點(diǎn)位置集電極電流波形特點(diǎn)a.靜態(tài)功耗較小(直流ICQ很小）；b.能量轉(zhuǎn)換效率較高c.輸出失真比較大d.放大管的導(dǎo)通角π<θ<2π靜態(tài)工作點(diǎn)Q靠近截止區(qū)的放大區(qū)處，如圖所示三類功放電路輸出集電極電流波形的比較：甲類：三極管(=)360°導(dǎo)電；甲乙類：三極管(=)180°～360°導(dǎo)電乙類：三極管(=)180°導(dǎo)電5.2乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路

5.2.1無輸出電容的雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路（OCL）

圖5-2a所示為無輸出電容(OCL)乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路原理圖。T1為NPN管，T2為PNP管，且特性一致。注意;由于沒有設(shè)置基極偏置電壓，故兩管的IB、IC、UCE均為零，是乙類工作狀態(tài)。從電路形式看，兩個(gè)三極管都接成射極輸出器的形式，uo=ui，輸入電阻高，輸出電阻低的特點(diǎn)當(dāng)ui為正弦信號(hào)正半波時(shí)，T1導(dǎo)通、T2截止，流過的電流為ic1，uo=ui

。當(dāng)ui為負(fù)半波時(shí)，T2導(dǎo)通、T1截止，流過的電流為ic2，由于T1、T2對(duì)稱，ic2=ic1

，uo=ui，這樣在負(fù)載兩端合成的是完整的正弦波。

電路特點(diǎn)：(1)晶體管T1、T2特性對(duì)稱(2)電源對(duì)稱(3)T1、T2射極輸出工作原理設(shè)ui=Uimsinta.當(dāng)ui=0時(shí)（靜態(tài)）uo=0此時(shí)T1、T2截止靜態(tài)功耗為零b.ui>0時(shí)T1導(dǎo)通，T2截止電流io方向輸入信號(hào)uiuo≈uic.ui<0時(shí)T2導(dǎo)通，T1截止電流io方向輸入信號(hào)uiuo≈ui負(fù)載的波形如圖5-2b圖5-2乙類雙電源功率放大電路輸出幅值為

T1通T2通輸出電壓的峰-峰值為：Uopp=2(UCC

–

UCES)圖5-3乙類雙電源功放路解分析的波形圖圖5-3為采用圖解法分析的雙電源OCL功放電路的波形圖。由于輸出最大不失真幅度為

5.2.2功率參數(shù)分析1.輸出功率由圖5-2a可知故最大不失真輸出功率為：(忽略管子的飽和壓降

)故2.管耗管耗是指流過每只功率管瞬時(shí)電流ic與管壓降uCE的乘積在一個(gè)周期內(nèi)的平均值。由于每只管子各導(dǎo)通半周，故有在理想情況下（即無靜態(tài)電流，忽略管子飽和壓降），當(dāng)無輸出功率時(shí)，即Uom=0，管耗PT1=0；當(dāng)輸出電壓最大幅值為電源電壓時(shí)，即Uom（max）=UCC時(shí)，此時(shí)單管的管耗為這是不是最大的管耗呢？?jī)晒芸倱p耗令求管耗的極值：則當(dāng)其最大值為管耗最大（不是出現(xiàn)在UCC處）3.直流電源提供的功率直流電流提供的功率一部分消耗在管子上，一部分提供給負(fù)載，故兩個(gè)電源供給的總電源功率式中為電源在一個(gè)周期內(nèi)提供的平均電流。由上式可以看出，輸出電壓越大，電源供給的功率越大。當(dāng)輸出為最大幅度UCC時(shí)，電源輸出的功率為4.效率功率放大電路的效率是輸出功率和電源供給功率之比。即上式可見，輸出信號(hào)越大，效率越高時(shí)，效率最大，為當(dāng)5功率管的選擇由以上的計(jì)算可知，若想得到最大功率，每只管子的參數(shù)必須滿足下列條件：（1）每只管子的最大允許管耗PCM必須大于

（2）當(dāng)T2導(dǎo)通時(shí)，uCE2≈0，此時(shí)uCE1=2UCC為最大值，應(yīng)選用｜U（BR）CEO｜>2UCC的管子。

（3）通過管子的最大集電極電流為UCC/RL,，所選管子的ICM不宜低于此值5.2.3單電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路（OTL）

圖5-4所示為單電源無輸出變壓器互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的原理圖，它利用電容的存貯電能的作用代替了負(fù)電源。在靜態(tài)時(shí)，A點(diǎn)的電位為，耦合電容CL上的電壓為UCC/2。為保證正常工作，輸入端的直流電位也應(yīng)為UCC/2，T1、T2管工作于乙類狀態(tài)電容C起負(fù)電源–UCC的作用當(dāng)T1導(dǎo)通時(shí)，電容被充電，其上電壓為UCC/2；當(dāng)T2導(dǎo)通時(shí)，代替電源向供電。在整個(gè)放大過程中，A點(diǎn)電壓不能下降過多。因此的容量必須足夠大。對(duì)交流輸入信號(hào)而言，輸出耦合電容的容抗和電源內(nèi)阻均忽略不計(jì)，交流通路和5-2a的相同。當(dāng)ui為正半波時(shí)，T1、T2基極電位高于A點(diǎn)電位，故T1導(dǎo)通、T2截止，負(fù)載上得到與相同的正半周電壓。當(dāng)ui為負(fù)半波時(shí)，T1、T2基極電位低于A點(diǎn)電位，故T1導(dǎo)通、T2截止，負(fù)載同樣也得到和相同的負(fù)半周電壓。這樣，在上得到一個(gè)合成的正弦電流及電壓。波形與圖5-2b相同。5.3甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路

5.3.1乙類功放的交越失真

a.產(chǎn)生失真的原因b.失真的現(xiàn)象當(dāng)ui小于晶體管的死區(qū)電壓時(shí)，T1、T2都截止。輸出電流出現(xiàn)一段“死區(qū)”圖5-2(a)乙類OCL功率放大電路這是由于晶體管存在死區(qū)電壓。0tiCiBuBE0uit0交越失真在兩個(gè)管子交替工作區(qū)域出現(xiàn)的失真稱為交越失真輸入信號(hào)輸出信號(hào)交越失真的產(chǎn)生圖5-5乙類功放電路的交越失真5.3.2消除交越失真的常用方法給功率管（T1和T2）一定的直流偏置，使其工作于微導(dǎo)通狀態(tài)，即甲乙類工作狀態(tài)。(1)甲乙類互補(bǔ)推挽電路a.利用二極管提供偏壓二極管提供偏壓，使T1、T2呈微導(dǎo)通狀態(tài)電路如圖5-6所示b.利用擴(kuò)大電路實(shí)現(xiàn)偏置如圖5-6所示，其中：圖5-6(b)圖5-6的改進(jìn)電路則其中UBE3

可以看成是一定值，則當(dāng)改變R3和R4的比值時(shí)，即可改變T1、T2管的偏置電壓，也就是改變靜態(tài)工作點(diǎn)的位置。5.3.3具有推動(dòng)級(jí)的單電源甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱（OTL）功率放大電路

圖5-7所示是有推動(dòng)級(jí)的單電源互補(bǔ)對(duì)稱（OTL）功率放大電路。其中：T3是工作于甲類狀態(tài)的推動(dòng)管，R1、R2、RW1是它的分壓式偏置電路，調(diào)節(jié)RW1可改變IC3的數(shù)值。R3、R4既是T3的集電極電阻，又是T1、T2的偏置電阻，使T1、T2工作于甲乙類狀態(tài)，避免交越失真。R4、D1、D2上并聯(lián)旁路電容C2的目的，是在動(dòng)態(tài)時(shí)保證T1、T2的基極交流電位相等，否則將會(huì)造成輸出波形的正負(fù)半波不對(duì)稱。

Re1、Re2分別為T1、T2的發(fā)射極反饋電阻，穩(wěn)定T1、T2的射極電流，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。T3的偏置電阻不接電源而接A點(diǎn)，是為了穩(wěn)定A點(diǎn)的電位，使其在穩(wěn)定在UCC/2，實(shí)際上是引入電壓負(fù)反饋。其穩(wěn)定過程如下5.3.4采用復(fù)合管的單電源甲乙類準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱（OTL）功率放大電路圖5-8所示為采用復(fù)合管的單電源甲乙類OTL電路由于單管NPN和PNP特性很難匹配，而采用復(fù)合管則可以解決這個(gè)問題。其中T1和T4構(gòu)成NPN管，T2和T5構(gòu)成PNP管。T4和T5為NPN管，易于匹配；T1和T2雖為不同類型，但功率小，故容易相配。另外復(fù)合管還有放大倍數(shù)高、輸入電阻高和輸出電阻低的特點(diǎn)，故整個(gè)電路的帶負(fù)載能力增強(qiáng)其中R3和R構(gòu)成了自舉電路，以提高輸出電壓的幅度。靜態(tài)時(shí)，ui=0，此時(shí)電容C3兩端的電壓為若C和R足夠大，C3兩端的電壓近似不變。且則當(dāng)ui負(fù)半周時(shí)，T1導(dǎo)通，CL充電，UCL↑。有即通過電容的電壓將D點(diǎn)的電位抬高，這樣T1有足夠的基極電流i1，使得T1能接近飽和導(dǎo)通。這種電路本身的作用稱為自舉。5.4集成功率放大器及其應(yīng)用（自學(xué)）1.電路組成2.電路的閉環(huán)電壓增益Auf≈－R2/R1·圖5-9由集成運(yùn)放構(gòu)成的功率放大電路