高等教育第9章-低頻功率放大電路課件

第九章低頻功率放大電路9.1低頻功率放大電路概述9.2互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路9.3集成功率放大器一個(gè)實(shí)用的放大器通常含有三個(gè)部分：輸入級(jí)、中間級(jí)及輸出級(jí)，各級(jí)的主要任務(wù)是不一樣的。

輸入級(jí)與信號(hào)源相連，要求輸入電阻大，噪聲低，共模抑制能力強(qiáng)，阻抗匹配等。

中間級(jí)主要完成電壓放大任務(wù)；

輸出級(jí)主要要求向負(fù)載提供足夠大的功率（既有電壓放大又有電流放大),以便推動(dòng)如揚(yáng)聲器、電動(dòng)機(jī)之類(lèi)的功率負(fù)載。

功率放大電路的主要任務(wù)是既有電壓放大又有電流放大即放大信號(hào)功率。9.l低頻功率放大電路概述9.1.1分類(lèi)按放大信號(hào)的頻率低頻功率放大電路－音頻范圍幾十赫茲到幾十千赫茲高頻功率放大電路－射頻范圍幾百千茲到幾十兆赫茲按其晶體管導(dǎo)通時(shí)間的不同甲類(lèi)－晶體管的導(dǎo)通角θ=3600乙類(lèi)－晶體管的導(dǎo)通角θ=1800甲乙類(lèi)－晶體管的導(dǎo)通角1800<θ<3600丙類(lèi)－晶體管的導(dǎo)通角θ<1800圖9–1甲類(lèi)、乙類(lèi)、甲乙類(lèi)功率放大電路的工作狀態(tài)示意圖在甲類(lèi)功率放大電路中,信號(hào)整個(gè)周期內(nèi)管子均導(dǎo)通，故晶體管本身的損耗太大，輸出功率和效率均較低，因而在低頻功率放大電路中主要用乙類(lèi)或甲乙類(lèi)功率放大電路。9.1.2功率放大器的特點(diǎn)

1.輸出功率要足夠大

如輸入信號(hào)是某一頻率的正弦信號(hào),則輸出功率表達(dá)式為式中,

Io、Uo均為有效值。如用振幅值表示,

代入上式得2.效率要高

放大器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器,它是將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)的能量輸送給負(fù)載,因此,要求轉(zhuǎn)換效率高。為定量反映放大電路效率的高低,引入一個(gè)參數(shù)η,它的定義為在直流電源提供相同直流功率的條件下,輸出信號(hào)功率愈大,電路的效率愈高。功率放大器的特點(diǎn)信號(hào)的輸出功率直流電源向電路提供的功率

為使輸出功率大,功率放大器的三極管均應(yīng)工作在大信號(hào)狀態(tài)下。由于三極管是非線性器件,在大信號(hào)工作狀態(tài)下,器件本身的非線性問(wèn)題十分突出,因此,輸出信號(hào)不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定的非線性失真。要求非線性失真要盡量小。

3.非線性失真要小功率放大器的特點(diǎn)9.1.3提高輸出功率的方法

輸出功率取決于三極管輸出電壓和輸出電流的大小，因此可通過(guò)提高電源電壓和改善器件的散熱條件來(lái)提高輸出功率。選用耐壓高、容許工作電流和耗散功率大的器件。集電極與發(fā)射極之間的擊穿電壓要大于管子的實(shí)際工作電壓的最大值，即l.提高電源電壓提高輸出功率的方法

集電極最大允許的電流要大于管子實(shí)際工作電流的最大值，即集電極允許的耗散功率要大于集電極實(shí)際耗散功率的最大值，即2.改善器件的散熱條件

普通功率三極管的外殼較小,散熱效果差,所以允許的耗散功率低。當(dāng)加上散熱片,使得器件的熱量及時(shí)散熱后,則輸出功率可以提高很多。例如低頻大功率管3AD6在不加散熱片時(shí),允許的最大功耗Pcm僅為1W,加了120mm×120mm×4mm的散熱片后,其Pcm可達(dá)到10W。在實(shí)際功率放大電路中,為了提高輸出信號(hào)功率,功放管一般加有散熱片。

提高輸出功率的方法

9.1.4提高效率的方法

圖9–2功放的圖解法(甲類(lèi)放大狀態(tài))即為△M′MQ的面積。

電源提供的直流功率為即為OMBA的面積值,故效率放大電路輸出功率為

提高效率的方法工作在甲類(lèi)放大狀態(tài)的放大器。其最大效率η≤50％。為了提高效率，應(yīng)提高輸出功率PO，降低電源供給功率PE。1.改變功放管的工作狀態(tài)

圖9–3乙類(lèi)放大狀態(tài)提高效率的方法將靜態(tài)工作點(diǎn)Q下移，讓三極管只在半個(gè)信號(hào)周期內(nèi)導(dǎo)通，另半個(gè)周期處于截止?fàn)顟B(tài)，即導(dǎo)通角θ＝1800，工作在乙類(lèi)放大狀態(tài)。在乙類(lèi)功率放大電路中，功放管靜態(tài)電流ICQ≈0，乙類(lèi)功率放大電路靜態(tài)時(shí)，不消耗能量，直流電源可以不提供功率。1.改變功放管的工作狀態(tài)

圖9–3乙類(lèi)放大狀態(tài)提高效率的方法當(dāng)輸入信號(hào)逐漸加大時(shí)，電源提供的直流功率也逐漸增加，輸出信號(hào)功率隨之增大，所以乙類(lèi)的功率放大效率比甲類(lèi)的要高。但是由于乙類(lèi)放大狀態(tài)的導(dǎo)通角θ=1800，故輸出電壓波形嚴(yán)重失真。為減小失真，在電路上采用互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路，使兩管輪流工作，以保證負(fù)載上獲得完整的正弦波形2.選擇最佳負(fù)載圖9–4最佳負(fù)載的確定功放三極管若工作在乙類(lèi)放大狀態(tài)下，當(dāng)負(fù)載改變時(shí)，交流負(fù)載線的斜率也改變，輸出的電流Icm也隨之變化，故輸出功率也改變。從圖中可以看出，負(fù)載線為MA時(shí)的輸出功率比MB時(shí)的大。但負(fù)載線為MC時(shí)，已超過(guò)最大功率損耗線，管耗將大于Pcm，管子將被燒壞，故存在一個(gè)最佳負(fù)載RL。2.選擇最佳負(fù)載圖9–4最佳負(fù)載的確定做最佳負(fù)載線的方法：一般情況下，當(dāng)電源Ucc確定后，過(guò)UCC,點(diǎn)做Pcm線的切線，該切線對(duì)應(yīng)的負(fù)載即為最佳負(fù)載。9.2互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路單管甲類(lèi)功率放大電路雖然簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)功率管便可工作。但它的效率低(原因：是要保證管子在信號(hào)全周期內(nèi)均導(dǎo)通，因此靜態(tài)工作點(diǎn)較高，即靜態(tài)時(shí)管子耗電就很大）。而且為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，需要用變壓器，而變壓器具有體積大、重量重、頻率特性差、耗費(fèi)金屬材料、加工制造麻煩等缺點(diǎn)，因而，目前一般不采用單管功率放大電路，而采用互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路。9.2互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路9.2.1雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路(OCL電路)

為了提高功率放大器的效率，可設(shè)想降低靜態(tài)工作點(diǎn)，使ICQ為零，工作在乙類(lèi)放大狀態(tài)下，這樣不僅使靜態(tài)時(shí)晶體管不消耗功率，而且在工作時(shí)管子的集電極電流減小，使效率提高。但此時(shí)管子僅有半周導(dǎo)通，非線性失真太大，這是不容許的。為解決非線性失真問(wèn)題，我們采用兩個(gè)導(dǎo)電特性相反的管子(NPN和PNP)，一個(gè)管子正半周導(dǎo)電，另一個(gè)管子負(fù)半周導(dǎo)電，即兩管交替工作，各自產(chǎn)生半個(gè)周期的信號(hào)，在負(fù)載上合成一個(gè)完整的信號(hào)波形，這就是互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路的組成思路雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路(OCL電路)

圖9–5雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路1．電路組成

雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路如圖，圖中V1為NPN型三極管，V2為PNP型三極管。要求該電路具有良好的對(duì)稱(chēng)性，即Vl、V2管特性對(duì)稱(chēng)，并且正負(fù)電源對(duì)稱(chēng)。當(dāng)信號(hào)為零時(shí)，偏流為零，它們均工作在乙類(lèi)放大狀態(tài)。圖9–5雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路由于電路中兩個(gè)管子導(dǎo)電特性互為補(bǔ)充,電路對(duì)稱(chēng),因此該電路稱(chēng)為互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路。雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路(OCL電路)

**OTL電路：從甲類(lèi)功率放大器說(shuō)起，因?yàn)榧最?lèi)功率放大器的負(fù)載用變壓器耦合，后來(lái)去掉了變壓器，用一個(gè)大電容耦合，并用一個(gè)電源，叫這樣的電路為變壓器開(kāi)路的功率放大電路，即OTL電路;**OCL電路:

以上電路又去掉了電容，所以叫OCL電路。OCL電路用雙電源。（見(jiàn)P223頁(yè)）OCL電路和OTL電路的概念

設(shè)兩管的門(mén)限電壓均等于零。當(dāng)輸入信號(hào)ui=0,則ICQ=0,兩管均處于截止?fàn)顟B(tài),故輸出uo=0。

當(dāng)正半周時(shí)ui>0時(shí),V1導(dǎo)通、V2截止,ic1流過(guò)負(fù)載電阻RL;

當(dāng)負(fù)半周時(shí),ui<0,

V1截止、V2導(dǎo)通,電流ic2通過(guò)負(fù)載電阻RL,但方向與正半周相反。

即V1、V2管交替工作,流過(guò)RL的電流為一完整的正弦波信號(hào),波形如圖所示。2．工作原理雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路(OCL電路)

雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路工作原理圖解分析如圖。圖解工作原理分析V1管導(dǎo)通時(shí)的工作情況V2管的導(dǎo)通特性倒置后與V1特性畫(huà)在一起讓靜態(tài)工作點(diǎn)Q重合，形成兩管合成曲線，圖中交流負(fù)載線為一條通過(guò)靜態(tài)工作點(diǎn)的斜率為1/RL的直線AB。3.指標(biāo)計(jì)算

圖9–6雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路的圖解分析

由圖上可看出輸出電流、輸出電壓的最大允許變化范圍分別為2Icm和2Ucem，Icm和Ucem分別為集電極正弦電壓和電流的振幅值。有關(guān)指標(biāo)計(jì)算如下：

(1)輸出功率Po當(dāng)考慮飽和壓降Uces時(shí),輸出的最大電壓幅值為

一般情況下,輸出電壓的幅值Ucem總是小于電源電壓UCC值,故引入電源利用系數(shù)ξ互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器指標(biāo)的計(jì)算將代入

當(dāng)忽略飽和壓降Uces時(shí),得輸出功率Pom可按下式估算:圖9-7Po與ξ關(guān)系曲線當(dāng)不忽略飽和壓降Uces時(shí),互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器指標(biāo)的計(jì)算應(yīng)先求出電源供給功PE。圖9–8集電極電流ic波形(2)

效率η在乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)放大電路中，每個(gè)晶體管的集電極電流的波形均為半個(gè)周期的正弦波形。如圖所示。其平均值用表示互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器指標(biāo)的計(jì)算因此,直流電源UCC供給的功率為因考慮是正負(fù)兩組直流電源,故總的直流電源的供給功率為

互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器指標(biāo)的計(jì)算互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器指標(biāo)的計(jì)算顯然，直流電源供給的功率與電源利用系數(shù)ξ成正比。當(dāng)靜態(tài)時(shí),Ucem＝0,ξ＝0，故PE=0。當(dāng)ξ=1時(shí)，PE為最大。PE與ξ的關(guān)系曲線如圖所示。PE與ξ的關(guān)系曲線將代入得當(dāng)ξ=1時(shí),效率η最高即互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器的效率最高是互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器指標(biāo)的計(jì)算(3)晶體管集電極功率損耗Pc圖9-10Pc與ξ的關(guān)系曲線

互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器指標(biāo)的計(jì)算PC和ξ的關(guān)系是一拋物線方程，其曲線如圖所示。當(dāng)ξ＝0時(shí)，PC＝0；當(dāng)ξ為某一特定值時(shí)，PC最大，將求導(dǎo)，可求得極值坐標(biāo)?；パa(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器指標(biāo)的計(jì)算解得將代入得最大集電極功率損耗為即晶體管集電極功率損耗互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器指標(biāo)的計(jì)算將寫(xiě)成和最大輸出功率的關(guān)系由于所以此式是兩個(gè)管總的集電極功率損耗，而在互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路中，每個(gè)管僅工作半個(gè)周期，所以每管的功率損耗為互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器指標(biāo)的計(jì)算互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器選擇功率管的原則根據(jù)以上分析，得出互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器選擇功率管的原則4.存在問(wèn)題

(1)交越失真

圖中所示輸出波形，我們假設(shè)晶體管一開(kāi)始就是導(dǎo)通的，實(shí)際中晶體管輸出電壓在輸入電壓較小時(shí)，存在一小段死區(qū)，此段輸出電壓與輸入電壓不存在線性關(guān)系，產(chǎn)生了失真。由于這種失真出現(xiàn)在通過(guò)零值處，即正負(fù)半周交界處，故稱(chēng)為交越失真。圖9–11互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路的交越失真克服交越失真的措施克服交越失真的措施就是使每一個(gè)晶體管處于微導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)輸入信號(hào)一旦加入，晶體管立即進(jìn)入線性放大區(qū)。當(dāng)靜態(tài)時(shí)，雖然每一個(gè)晶體管處于微導(dǎo)通狀態(tài)，由于電路對(duì)稱(chēng)，兩管靜態(tài)電流相等，流過(guò)負(fù)載電流為零，從而消除了交越失真。消除交越失真的電路如圖所示。圖9–12克服交越失真的幾種電路

圖(a)是利用V3管的靜態(tài)電流IC3Q在電阻R1上的壓降來(lái)提供V1、V2管所需的偏壓,即克服交越失真的電路

圖(b)是利用二極管的正向壓降為V1、V2提供所需的偏壓,即克服交越失真的電路

圖(c)是利用UBE倍壓電路向V1、V2管提供所需的偏壓,其關(guān)系推導(dǎo)如下:所以克服交越失真的電路(2)用復(fù)合管組成互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路

圖9–13復(fù)合管的幾種接法

圖9–14復(fù)合管互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)級(jí)圖9–15準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路9.2.2單電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路(OTL電路)圖9–16單電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路9.2.3實(shí)際功率放大