模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)功率放大電路

主要內(nèi)容概述互補(bǔ)推挽功率放大電路功率管的使用和保護(hù)1當(dāng)前第1頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)§7.1概述功率放大器的用途和特點(diǎn)功放提高效率的主要途徑2當(dāng)前第2頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)模擬電子設(shè)備的四大部分如圖：電壓放大器功率放大器負(fù)載（換能器）把電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量為了獲得大的輸出功率，必須使：1、輸出信號電壓大；2、輸出信號電流大；3、放大電路的輸出電阻與負(fù)載匹配。高效率地向負(fù)載提供失真不大的額定功率，以驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)把微弱的信號電壓放大，是小信號放大器信號源7.1.1功率放大器的用途和特點(diǎn)3當(dāng)前第3頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)對功放電路的要求1、輸出功率盡可能大2、效率高為獲得大的功率輸出，要求功放管的電壓、電流都有足夠大的輸出幅度，因此管子通常在極限狀態(tài)下工作。主要技術(shù)指標(biāo)：最大輸出功率Pom。功率放大器的輸出功率是由直流電源能量轉(zhuǎn)換得到的。其轉(zhuǎn)換能力稱為效率，即PT：耗散在管子集電極上的功率，稱管耗4當(dāng)前第4頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)3、非線性失真小4、功放管的散熱問題5、分析方法由于功率放大器工作在大信號狀態(tài)，不可避免要產(chǎn)生非線性失真。且輸出功率越大，失真越大。實(shí)際中需在獲得最大功率的同時(shí)，盡可能把非線性失真限制在允許的范圍內(nèi)。功放管在極限運(yùn)用時(shí)，iC最大值接近ICM，Po接近PCM，且有相當(dāng)大功率消耗在集電結(jié)上，要考慮功放管的散熱和保護(hù)問題。在大信號下，小信號模型已不再適用，需采用圖解分析法。5當(dāng)前第5頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)7.1.2功放提高效率的主要途徑PT管子在信號一周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間越短，相應(yīng)管耗越小，效率就越高。

在低頻功放電路中，按管子集電極電流流通時(shí)間的不同可分為：甲類放大乙類放大甲乙類放大6當(dāng)前第6頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)甲類：Q點(diǎn)設(shè)在放大區(qū)中部，整個(gè)信號周期內(nèi)iC≥0甲乙類：管子在靜態(tài)時(shí)微導(dǎo)通，信號半周期以上iC≥0。乙類：Q點(diǎn)設(shè)在截止區(qū)邊緣，信號半周期內(nèi)iC≥0。最低，≤50%。失真最小。最高，可接近78.5%。失真最大。略低于乙類。7當(dāng)前第7頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)§7.2互補(bǔ)推挽功率放大電路乙類互補(bǔ)推挽放大電路甲乙類互補(bǔ)推挽放大電路單電源互補(bǔ)推挽放大電路乙類和甲乙類放大的效率較高，但波形嚴(yán)重失真。為解決效率和失真的矛盾，需要在電路結(jié)構(gòu)上采取措施。8當(dāng)前第8頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)7.2.1乙類互補(bǔ)推挽放大電路1、電路結(jié)構(gòu)T1為NPN管，與負(fù)載RL組成正向跟隨ui的射極輸出器；T2為PNP管，與負(fù)載RL組成反向跟隨ui的射極輸出器；9當(dāng)前第9頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)當(dāng)輸入信號ui=0時(shí)，Q？IC1=IC2=0，UCE1=UCE2=VCCuo=010當(dāng)前第10頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)2、工作原理當(dāng)ui

處于正半周時(shí)，T1導(dǎo)通，T2截止，電流iC1通過負(fù)載RL。

當(dāng)ui為負(fù)半周時(shí)，T2導(dǎo)通，T1截止，電流iC2通過負(fù)載RL。T1、T2輪流導(dǎo)通，在負(fù)載RL上合成一個(gè)完整的不失真波形。利用兩個(gè)特性對稱的反型BJT互相補(bǔ)足的特點(diǎn)，完成推挽放大功能，故稱雙電源供電的互補(bǔ)對稱推挽功率放大器。11當(dāng)前第11頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)3、主要參數(shù)估算設(shè)輸入信號：ui=Uimsinωt輸出信號電壓幅值：UomUim輸出信號電流幅值：Iom=Icm12當(dāng)前第12頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)1）輸出功率PoUom

UimIom=Icm管子極限運(yùn)用時(shí)，2）直流電源供給的功率Pv互補(bǔ)推挽電路中，正、負(fù)電源在一周內(nèi)輪流供電，故電源提供的總功率為：管子極限運(yùn)用時(shí)，13當(dāng)前第13頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)3）效率η管子極限運(yùn)用時(shí)，4）管耗PTT1、T2在信號一周內(nèi)輪流導(dǎo)通，則PT1=PT2。乙類工作時(shí)，靜態(tài)管耗為零PT是Uom的二次函數(shù)?？捎肞T對Uom求導(dǎo)的辦法求出其最大值：14當(dāng)前第14頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)當(dāng)時(shí)，PT取得最大值。T1、T2在信號一周內(nèi)輪流導(dǎo)通，則PT1=PT2。PT15當(dāng)前第15頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)5）功率管參數(shù)的選擇U(BR)CEO的選擇ICM的選擇PCM的選擇T1導(dǎo)通T2截止時(shí)，T2所承受的最大反壓為T1、T2的最大反壓為16當(dāng)前第16頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)

嚴(yán)格說，輸入信號很小時(shí)，達(dá)不到三極管的開啟電壓，三極管不導(dǎo)電。因此在正、負(fù)半周交替過零處會出現(xiàn)一些非線性失真，這個(gè)失真稱為交越失真。交越失真圖7.2.2甲乙類互補(bǔ)推挽放大電路17當(dāng)前第17頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)1、交越失真問題交越失真的含義tuo交越失真uit當(dāng)輸入信號ui為正弦波時(shí)，輸出信號在過零前后出現(xiàn)的失真便為交越失真。iBiBuBEtuitUT交越失真產(chǎn)生的原因在于晶體管特性存在非線性，ui

<UT以前晶體管導(dǎo)通不好。18當(dāng)前第18頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)克服交越失真的措施（1）、電路中增加Ｒ１、Ｄ２、Ｄ２、R2支路R1D1D2R2+VCC-VCCuouiiLRLT1T2靜態(tài)時(shí)，T1、T2兩管發(fā)射結(jié)電位分別為二極管D1，D2的正向?qū)▔航?，致使兩管均處于微弱?dǎo)通狀態(tài)；動態(tài)時(shí)，設(shè)ui加入正弦交流信號。正半周，T2截止，T1進(jìn)入良好的導(dǎo)通狀態(tài)；負(fù)半周，T1截止，T2進(jìn)入良好的導(dǎo)通狀態(tài)。19當(dāng)前第19頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)為更換好地和T1、T2兩發(fā)射結(jié)電位配合，克服交越失真，電路中的D1、D2兩二極管可以用UBE電壓倍增電路替代。（2）、UBE電壓倍增電路B1B2+-BER1R2UIBIUUBE合理選擇R1、R2大小，B1、B2間便可得到UBE任意倍數(shù)的電壓。圖中B1、B2分別接T1、T2的基極。假設(shè)I>>IB，則20當(dāng)前第20頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)2、甲乙類互補(bǔ)推挽電路為消除交越失真，可給T1、T2一很小的偏置電壓，使其在靜態(tài)時(shí)處于微導(dǎo)通狀態(tài)，工作在甲乙類。二極管提供偏置UBE倍增電路提供偏置21當(dāng)前第21頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)7.2.3單電源互補(bǔ)推挽放大電路R1、R2、Re提供合適的直流偏置，并使當(dāng)ui≤0，T2導(dǎo)電，iC2流過RL，同時(shí)向C充電；當(dāng)ui≥0，T3導(dǎo)電，C通過RL放電。1、OTL電路(OutputTransformerLess)22當(dāng)前第22頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)由于T2、T3的工作電壓均為0.5VCC，因而Po、PT、Pv等的計(jì)算，只須將乙類互補(bǔ)電路指標(biāo)計(jì)算中的VCC代之以0.5VCC即可。就可用一個(gè)電源VCC和一個(gè)電容C代替雙電源。設(shè)ui的下限頻率為fL，電容C的大小若滿足：23當(dāng)前第23頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)2、帶自舉的OTL電路無C3時(shí)，電路的最大輸出電壓幅度較理想時(shí)小。R3、C3為自舉電路。靜態(tài)時(shí)，C3充電至當(dāng)ui≤0，T2導(dǎo)電，由于C3足夠大，UC3不變，則UKUGUom+24當(dāng)前第24頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)7.2.4采用復(fù)合管的互補(bǔ)對稱放大電路

復(fù)合管可由兩個(gè)或兩個(gè)以上的三極管組合而成。它們可以由相同類型的三極管組成，也可以由不同類型的三極管組成。無論由相同或不同類型的三極管組成復(fù)合管時(shí)，必須：1、在前后兩個(gè)三極管的連接關(guān)系上，應(yīng)保證前級三極管的輸出電流與后級三極管的輸入電流的實(shí)際方向一致。2、外加電壓的極性應(yīng)保證前后兩個(gè)三極管均為發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，使兩管都工作在放大區(qū)。25當(dāng)前第25頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)becibic1

2晶體管的類型由復(fù)合管中的第一支管子決定。復(fù)合NPN型復(fù)合PNP型becibic1、復(fù)合管的結(jié)構(gòu)與參數(shù)26當(dāng)前第26頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)2、復(fù)合管組成的互補(bǔ)對稱放大電路T1VT2+VCC-VCCuiRLuoRR2R1VD2VD1T3VT4T3、T4很難互補(bǔ)對稱T3、T4可實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)對稱VT1VT2+VCC-VCCuiRLuoRR2R1VD2VD1VT3VT4Re1Re227當(dāng)前第27頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)§7.3功率管的使用和保護(hù)1、功率管的散熱問題功率管的集電極損耗會使管子發(fā)熱，結(jié)溫上升。當(dāng)結(jié)溫超過允許值時(shí)（鍺管約100oC，硅管約200oC）將燒壞管子。故必須給功放管加散熱片。必要時(shí)還可采用風(fēng)冷、水冷、油冷等方法來散熱。28當(dāng)前第28頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)2、功率管的安全使用和保護(hù)1）安全使用管子應(yīng)工作在安全區(qū)內(nèi)，且留有充分的余量。大功率管須加散熱器以提高PCM。避免產(chǎn)生過壓和過流。如不要將負(fù)載開路、短路或過載，不允許電源電壓有較大波動等。2）采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施加接過壓、過流保護(hù)電路。在感性負(fù)載兩端并容性網(wǎng)絡(luò)。功放管的輸入、輸出端并保護(hù)二極管或穩(wěn)壓管。29當(dāng)前第29頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)習(xí)題7-1在圖P7-1所示的互補(bǔ)對稱電路中，已知VCC=6V，RL=8?，假設(shè)三極管的飽和管壓降為UCES=1V。①試估算電路的最大輸出功率Pom；②估算電路中直流電源消耗的功率PV和效率η。解：①如果忽略UCES，則R1D1D2R3RLT1T2+VCC-VCCuouIR2C130當(dāng)前第30頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)②如果忽略UCES，則如果忽略UCES，則R1D1D2R3RLT1T2+VCC-VCCuouIR2C131當(dāng)前第31頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)習(xí)題7-2在圖P7-1所示電路中，①三極管的最大功耗等于多少？②流過三極管的最大集電極電流等于多少？③三極管集電極和發(fā)射極之間承受的最大電壓等于多少？④為了在負(fù)載上得到最大功率Pom,輸入端應(yīng)加上的正弦波電壓有效值大約等于多少？R1D1D2R3RLT1T2+VCC-VCCuouIR2C1解：①每個(gè)三極管的最大管耗：如果忽略UCES，則32當(dāng)前第32頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)②流過三極管的最大集電極電流③三極管集電極和發(fā)射極之間承受的最大電壓：如果忽略UCES，則如果忽略UCES，則④射極輸出器，Uim≈

Uom=VCC–UCES=5V如果忽略UCES，則Uim=Uom≈VCC=6V,

Ui≈4.243V33當(dāng)前第33頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)習(xí)題7-3在圖P7-3所示的互補(bǔ)對稱電路中，已知VCC=6V，RL=8?，設(shè)三極管的UCES=1V。①估算最大輸出功率Pom；②估算直流電源消耗的功率PV和效率η

。將本題結(jié)果與習(xí)題4-1進(jìn)行比較。解：①如果忽略UCES，則R1D1D2R3RLT1T2+VCCuouIR2C1C2+-+-34當(dāng)前第34頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)如果忽略UCES，則可見，

在同樣的VCC和RL之下，OCL電路的Pom比OTL電路大得多（大致為四倍）。同時(shí)OCL電路的PV也比OTL電路大得多（也大致為四倍）。最終，兩種電路的效率基本相同。②如果忽略UCES，則R1D1D2R3RLT1T2+VCCuouIR2C1C2+-+-35當(dāng)前第35頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)習(xí)題7-4在圖P7-3所示電路中，①估算三極管的最大功耗；②估算三極管的最大集電極電流；③估算三極管集電極和發(fā)射極之間承受的最大電壓；④為了在負(fù)載上得到最大功率Pom,電路輸入端應(yīng)加上的正弦電壓有效值為多少？將以上估算結(jié)果與習(xí)題4-2進(jìn)行比較。R1D1D2R3RLT1T2+VCCuouIR2C1C2+-+-解：①每個(gè)三極管的最大管耗：如果忽略UCES，則36當(dāng)前第36頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)②流過三極管的最大集電極電流③三極管集電極和發(fā)射極之間承受的最大電壓：如果忽略UCES，則如果忽略UCES，則④射極輸出器，Uim≈

Uom=0.5VCC–UCES=2V如果忽略UCES，則Uim=Uom≈0.5VCC=3V,

Ui≈2.12V37當(dāng)前第37頁\共有41頁\編于星期二\8點(diǎn)可見，

在同樣的VCC和RL之下，OCL電路的PCM大約是OTL電路的四倍，OCL電路的I