第五章功率放大電路

5功率放大電路

單級(jí)電壓放大電路存在的問(wèn)題，多極放大電路的末級(jí)或末前級(jí)設(shè)置功率放大電路原因：UOIOPO

能量不一定足夠大

功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。它一般直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，帶負(fù)載能力強(qiáng)。5.1

功率放大電路的一般問(wèn)題（特點(diǎn)及分類）說(shuō)明：功率與電壓放大電路的區(qū)別

（1）本質(zhì)相同放大電路中，輸出到負(fù)載上的電量都同時(shí)存在輸出電壓、電流和功率，但在不同場(chǎng)合及不同要求下須強(qiáng)調(diào)的輸出量不同。電壓放大電路或電流放大電路主要用于增強(qiáng)電壓幅度或電流幅度。功率放大電路主要輸出較大的功率。但無(wú)論哪種放大電路，從能量控制的觀點(diǎn)來(lái)看，放大電路實(shí)質(zhì)上都是能量轉(zhuǎn)換電路。因此，功率放大電路和電壓放大電路沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。均是利用T的電流放大作用，工作在放大區(qū)內(nèi)，使信號(hào)放大。稱呼上的區(qū)別只不過(guò)是強(qiáng)調(diào)的輸出量不同而已。（2）任務(wù)不同電壓放大電路主要任務(wù)是使負(fù)載得到不失真的電壓信號(hào)。輸出的功率并不一定大。在小信號(hào)狀態(tài)下工作。功率放大電路主要任務(wù)是使負(fù)載得到不失真（或失真較小）的輸出功率。在大信號(hào)狀態(tài)下工作。（3）指標(biāo)不同電壓放大電路主要指標(biāo)是電壓增益、輸入和輸出阻抗.

功率放大電路主要指標(biāo)是功率、效率、非線性失真。（4）電路的分析方法不同電壓放大電路：圖解法、微變等效電路法功率放大電路：圖解法一.功率放大電路的特殊問(wèn)題

1功率要大

2效率要高

3失真要小

4散熱要好

為了獲得大的功率輸出，要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度，管子往往在接近極限運(yùn)用狀態(tài)下工作。效率是負(fù)載得到的信號(hào)功率與電源供給功率的比值。它代表了電路將電源直流能量轉(zhuǎn)換為輸出交流能量的能力.功放電路是在大信號(hào)下工作，所以不可避免地會(huì)產(chǎn)生非線性失真，這就使輸出功率和非線性失真成為一對(duì)主要矛盾。功放電路中，大量的功率消耗在集電結(jié)上，使結(jié)溫和管殼溫度升高。為了使管子輸出足夠大的功率。1．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?。?）要加裝散熱和保護(hù)裝置（5）要用圖解法分析

二．功放工作狀態(tài)分類

(1)甲類放大電路

根據(jù)晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)的位置不同分：

b.能量轉(zhuǎn)換效率低：最高為50%特點(diǎn)：c.放大管的導(dǎo)通角θ=2π靜態(tài)工作點(diǎn)位置iC1ICQωt=2

02集電極電流波形大a.靜態(tài)功耗uCEiC0QA提高效率的主要途徑：（1）要提高效率，就應(yīng)減小在晶體管上的功率PT,將電源供給的功率大部分轉(zhuǎn)化為有用的信號(hào)輸出功率Po。

（2）電源供給的功率一部分轉(zhuǎn)化為有用的輸出功率，另一部分則消耗在管子（和電阻）上，并轉(zhuǎn)化為熱量的形式耗散出去，稱為管耗。甲類放大電路的效率是較低的，可以證明，即使在理想情況下，甲類放大電路的效率最高也只能達(dá)到50%。

（3）提高效率的主要途徑是減小靜態(tài)電流從而減少管耗。靜態(tài)電流是造成管耗的主要因素，把靜態(tài)工作點(diǎn)Q向下移動(dòng)，使信號(hào)等于零時(shí)電源輸出的功率也等于零（或很?。@樣電源供給功率及管耗都隨著輸出功率的大小而變，改變了甲類放大時(shí)效率低的狀況。

(2)

甲乙類放大電路

a.靜態(tài)功耗較小b.能量轉(zhuǎn)換效率較高c.輸出失真較大特點(diǎn)：d.放大管的導(dǎo)通角π<θ<2πωtiC2π2π03πICQπ<<2π集電極電流波形靜態(tài)工作點(diǎn)位置uCEiC0QA(3)乙類放大電路b.能量轉(zhuǎn)換效率高c.輸出失真大特點(diǎn)：d.放大管的導(dǎo)通角θ=πωtiC3π2π=π03π集電極電流波形a.靜態(tài)功耗靜態(tài)工作點(diǎn)位置uCEiC0QA乙類和甲乙類放大雖然減小了靜態(tài)功耗，提高了效率，但都出現(xiàn)了嚴(yán)重的波形失真，因此，既要保持靜態(tài)時(shí)管耗小，又要使失真不太嚴(yán)重，這就需要在電路結(jié)構(gòu)上采取措施?；パa(bǔ)對(duì)稱功放電路

思考題1.

功率放大器的作用是什么？對(duì)它有那些要求？它與電壓放大電路有那些區(qū)別？2.

試說(shuō)明甲類、乙類、甲乙類功率放大器的區(qū)別？5.2

互補(bǔ)推挽功率放大電路電路特點(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5.2.1

乙類互補(bǔ)推挽功率放大電路RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_1.工作原理靜態(tài)分析：當(dāng)ui=0時(shí)設(shè)ui=UimsintT1、T2截止UA=0uO=0靜態(tài)功耗為零RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_A動(dòng)態(tài)分析：a.ui>0時(shí)T1導(dǎo)通T2截止輸入信號(hào)輸出信號(hào)電流方向uO≈ui+RLT1ui+_+VCC_iC1iC2T2VCCuO_Ab.ui<0時(shí)T2導(dǎo)通T1截止輸入信號(hào)輸出信號(hào)電流方向uO≈uiRLT1ui+_+VCC_T2VCCuO+_A乙類互補(bǔ)推挽電路工作情況T1通T2通Uopp=2(VCC

–

UCES)UOPPuCE0QtiC0iCuCE2.主要指標(biāo)計(jì)算

（1）輸出功率

當(dāng)Uom達(dá)到最大值(VCC–UCES)時(shí)設(shè)RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_當(dāng)忽略三極管的飽和壓降UCES時(shí)RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_（2）電源供給的功率平均集電極電流IC(AV)為RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_兩個(gè)電源供給的總電源功率

（3）能量轉(zhuǎn)換效率

RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_當(dāng)時(shí)RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_(4)

晶體管的耗散功率令RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_最大管耗為

即當(dāng)輸出電壓幅值為

晶體管的管耗最大每只管子的最大管耗為

RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_當(dāng)ui較小時(shí)，管子T1、T2都截止3.電路存在的主要缺陷存在交越失真a.失真的原因晶體管存在死區(qū)電壓。b.失真的現(xiàn)象輸出電流出現(xiàn)一段“死區(qū)”RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_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4.克服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)。5.2.2甲乙類互補(bǔ)推挽電路1.

利用二極管提供偏壓二極管提供偏壓，使T1、T2微導(dǎo)通狀態(tài)D1RLT1uI+_+VCC_iC1iC2iOT2T3D2uO+_RERCVCC2.利用擴(kuò)大電路實(shí)現(xiàn)偏置圖中RLT1uI+_+VCC_T2uO+_T3R1R2R3R4VCC（1）當(dāng)uI=0

時(shí)2.工作原理uA=VCC/2uC=VCC/2輸出電壓uO=01.電路組成D1RLT1uI+_+VCCT2T3D2uO+_RERCC+AuC5.2.3

單電源功率放大電路（2）當(dāng)uI為負(fù)半周時(shí)T1導(dǎo)通，T2截止電容C同時(shí)充電D1RLT1uI+_+VCCT2T3D2uO+_RERCC+AuCuB1信號(hào)為正半周uB1uB2輸出信號(hào)為正半周T1截止，T2導(dǎo)通電容C放電uB2信號(hào)為負(fù)半周uB1uB2（3）當(dāng)uI為正半周時(shí)D1RLT1uI+_+VCCT2T3D2uO+_RERCC+AuC輸出信號(hào)為負(fù)半周注意：電容C起負(fù)電源-VCC的作用1.每只管子的工作電壓變成了VCC/2，在計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)時(shí)電源電壓要用VCC/2。2.電容C足夠大，使輸出正負(fù)半周對(duì)稱。D1RLT1uI+_+VCCT2T3D2uO+_RERCC+AuCRLT1uI+VCC_T2VEEuO+_5.2.5 互補(bǔ)推挽放大電路1.電路組成2.電路主要特點(diǎn)(2)輸出電阻小(3)動(dòng)態(tài)范圍大(4)帶載能力強(qiáng)(1)T1、T2參數(shù)相同3.工作原理(1)uI=0時(shí)T1、T2截止uO=0(2)uI>0時(shí)T1導(dǎo)通、T2截止uO

uIRLT1uI+VCC_T2VEEuO+_(3)uI<0時(shí)T1截止、T2導(dǎo)通uO

uI4.輸出動(dòng)態(tài)范圍5.電路存在的缺陷——交越失真當(dāng)輸入電壓小于發(fā)射結(jié)死區(qū)電壓時(shí)，輸出電壓為零。RLT1uI+VCC_T2VEEuO+_D1RLT1uI+VCC_T2D2uO+_R1R2VEE克服交失真的方法：給T1、T2的發(fā)射結(jié)加一定的直流偏置，使其工在微導(dǎo)通狀態(tài)?？朔皇д娴幕パa(bǔ)電路1.電路組成5.2.4

前置級(jí)為運(yùn)放的功率放大電路AD1RLT1uI+_+VCC_iB1iB2T2D2uO+_R3R4+_R2R1i4i3VCC2.電路特點(diǎn)(1)電路引入了電壓并聯(lián)負(fù)反饋。(2)

電路的穩(wěn)定性高。AD1RLT1uI+_+VCC_iB1iB2T2D2uO+_R3R4+_R2R1i4i3VCC3.電路的閉環(huán)電壓增益Auf≈－R2/R1·AD1RLT1uI+_+VCC_iB1iB2T2D2uO+_R3R4+_R2R1i4i3VCC思考題1.

乙類互補(bǔ)推挽功率放大器產(chǎn)生交越失真的原因是什么？怎么克服交越失真？2.為什么說(shuō)前置級(jí)為運(yùn)放的功率放大電路交越失真很??？5.3.1

雙極型功率晶體管（BJT）1.功率管的選擇（1）

PCM≥0.2Pom

（2）|U(BR)CEO|>2VCC（3）

ICM＞VCC/RC5.3

功率器件與散熱極限參數(shù)應(yīng)滿足(在互補(bǔ)推挽功率放大電路中)2．二次擊穿的影響iCuCE0BA二次擊穿一次擊穿S/B曲線二次擊穿現(xiàn)象二次擊穿臨界曲線iCuCE01.

V型NMOS管的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)剖面圖5.3.2

功率MOSFET

S源極G柵極金屬源極SiO2溝道溝道外延層襯底D漏極_N

+PPNN

+N

+2.

V型NMOS管的主要特點(diǎn)（1）開關(guān)速度高（2）驅(qū)動(dòng)電流?。?）過(guò)載能力強(qiáng)（4）易于并聯(lián)5.3.3

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）IGBT等效電路DT1GSRT2IGBT電路符號(hào)GSDT絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的主要特點(diǎn)：（1）輸入阻抗高（2）工作速度快（3）通態(tài)電阻低（4）阻斷電阻高（5）承受電流大兼顧了MOSFET和BJT的優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的重要方向。外殼c集電結(jié)j散熱器sR(th)jcR(th)csR(th)sa環(huán)境a5.3.4

功率器件的散熱晶體管的散熱示意圖導(dǎo)電回路（電路）散熱回路（熱路）參量符號(hào)單位參量符號(hào)單位電壓UV溫差ΔToC電流IA最大允許功耗PCMW電阻RΩ熱阻RToC/W

功率器件的散熱分析方法：即用電路來(lái)模擬功率器件的散熱回路導(dǎo)電回路和散熱回路參數(shù)對(duì)照表電－熱模擬法Tj——集電結(jié)的結(jié)溫Tc

——功率管的殼溫Ts

——散熱器溫度Ta

——環(huán)境溫度Rjc

——集電結(jié)到管殼的熱阻Rcs

——管殼至散熱片的熱阻Rsa

——散熱片至環(huán)境的熱阻散熱等效熱路TjTcTsTaRjcRcsRsajcsaPCM散熱回路的總熱阻為

最大允許功耗TajCMRTTP-=TjTcTsTaRjcRcsRsajcsaPCM練習(xí)題例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[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__+uOui5.4

常用集成功率放大器（1）LM386LM386是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器,主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類產(chǎn)品。為使外圍元件最少,電壓增益內(nèi)置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容,便可將電壓增益調(diào)為任意值,直至200。輸入端以地位參考,同時(shí)輸出端被自動(dòng)偏置到電源電壓的一半,在6V電源電壓下,它的靜態(tài)功耗僅為24mW,使得LM386特別適用于電池供電的場(chǎng)合。

LM386的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。（2）TDA2030TDA2030是德律風(fēng)根生產(chǎn)的音頻功放電路，采用V型5腳單列直插式塑料封裝結(jié)構(gòu)。如圖1所示，按引腳的形狀引可分為H型和V型。該集成電路廣泛應(yīng)用于汽車立體聲收錄音機(jī)、中功率音響設(shè)備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點(diǎn)。并具有內(nèi)部保護(hù)電路。意大利SGS公司、美國(guó)RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同類產(chǎn)品生產(chǎn)，雖然其內(nèi)部電路略有差異，但引出腳位置及功能均相同，可以互換。

電路特點(diǎn)：1.外接元件非常少。2.輸出功率大，Po=18W(RL=4Ω)。3.采用超小型封裝（TO-220）,可提高組裝密度。4.開機(jī)沖擊極小。5.內(nèi)含各種保護(hù)電路，因此工作安全可靠。主要保護(hù)電路有：短路保護(hù)、熱保護(hù)、地線偶然開路、電源極性反接（Vsmax=12V）以及負(fù)載泄放電壓反沖等。

6.TDA2030A能在最低±6V最高±22V的電壓下工作在±19V、8Ω阻抗時(shí)能夠輸出16W的有效功率，THD≤0.1%。無(wú)疑，用它來(lái)做電腦有源音箱的功率放大部分或小型功放再合適不過(guò)了。例2在圖示的電路中，已知運(yùn)放性能理想，其最大的輸出電流、電壓分別為15mA和15V。設(shè)晶體管T1和T2的性能完全相同，=60，|UBE|=0.7V。試問(wèn)（1）該電路采用什么方法來(lái)減小交越失真?。

R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1?（2）如負(fù)載RL分別為20W

、10W時(shí)，其最大不失真輸出功率分別為多大?

（3）為了使不失真輸出功率達(dá)到最大，其電路的最佳負(fù)載RLopt

及此時(shí)的最大輸出功率Pom

。R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1?（4）功放管T1

和T2的極限參數(shù)PCM、

ICM

和|U(BR)CEO|應(yīng)選多大?

解（1）在電路即將導(dǎo)通之時(shí)，電路中各支路中的電流為零。這時(shí)R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1?R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1?在管子即將導(dǎo)通時(shí)，uo1等于其死區(qū)電壓UBE(th)。R1R2RLT1