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互補對稱功率放大電路9.3集成功率放大器一個實用的放大器通常含有三個部分：輸入級、中間級及輸出級，各級的主要任務(wù)是不一樣的。

輸入級與信號源相連，要求輸入電阻大，噪聲低，共模抑制能力強，阻抗匹配等。

中間級主要完成電壓放大任務(wù)；

輸出級主要要求向負載提供足夠大的功率（既有電壓放大又有電流放大),以便推動如揚聲器、電動機之類的功率負載。

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功率。9.l低頻功率放大電路概述9.1.1分類按放大信號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通時間的不同甲類－晶體管的導通角θ=3600乙類－晶體管的導通角θ=1800甲乙類－晶體管的導通角1800<θ<3600丙類－晶體管的導通角θ<1800圖9–1甲類、乙類、甲乙類功率放大電路的工作狀態(tài)示意圖在甲類功率放大電路中,信號整個周期內(nèi)管子均導通，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或甲乙類功率放大電路。9.1.2功率放大器的特點

1.輸出功率要足夠大

如輸入信號是某一頻率的正弦信號,則輸出功率表達式為式中,

Io、Uo均為有效值。如用振幅值表示,

代入上式得2.效率要高

放大器實質(zhì)上是一個能量轉(zhuǎn)換器,它是將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成交流信號的能量輸送給負載,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,輸出信號功率愈大,電路的效率愈高。功率放大器的特點信號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)工作在大信號狀態(tài)下。由于三極管是非線性器件,在大信號工作狀態(tài)下,器件本身的非線性問題十分突出,因此,輸出信號不可避免地會產(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，因此可通過提高電源電壓和改善器件的散熱條件來提高輸出功率。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。當加上散熱片,使得器件的熱量及時散熱后,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,允許的最大功耗Pcm僅為1W,加了120mm×120mm×4mm的散熱片后,其Pcm可達到10W。在實際功率放大電路中,為了提高輸出信號功率,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乙類放大狀態(tài)提高效率的方法將靜態(tài)工作點Q下移，讓三極管只在半個信號周期內(nèi)導通，另半個周期處于截止狀態(tài)，即導通角θ＝1800，工作在乙類放大狀態(tài)。在乙類功率放大電路中，功放管靜態(tài)電流ICQ≈0，乙類功率放大電路靜態(tài)時，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乙類放大狀態(tài)提高效率的方法當輸入信號逐漸加大時，電源提供的直流功率也逐漸增加，輸出信號功率隨之增大，所以乙類的功率放大效率比甲類的要高。但是由于乙類放大狀態(tài)的導通角θ=1800，故輸出電壓波形嚴重失真。為減小失真，在電路上采用互補對稱電路，使兩管輪流工作，以保證負載上獲得完整的正弦波形2.選擇最佳負載圖9–4最佳負載的確定功放三極管若工作在乙類放大狀態(tài)下，當負載改變時，交流負載線的斜率也改變，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，負載線為MA時的輸出功率比MB時的大。但負載線為MC時，已超過最大功率損耗線，管耗將大于Pcm，管子將被燒壞，故存在一個最佳負載RL。2.選擇最佳負載圖9–4最佳負載的確定做最佳負載線的方法：一般情況下，當電源Ucc確定后，過UCC,點做Pcm線的切線，該切線對應(yīng)的負載即為最佳負載。9.2互補對稱功率放大電路單管甲類功率放大電路雖然簡單，只需要一個功率管便可工作。但它的效率低(原因：是要保證管子在信號全周期內(nèi)均導通，因此靜態(tài)工作點較高，即靜態(tài)時管子耗電就很大）。而且為了實現(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、耗費金屬材料、加工制造麻煩等缺點，因而，目前一般不采用單管功率放大電路，而采用互補對稱功率放大電路。9.2互補對稱功率放大電路9.2.1雙電源互補對稱電路(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，使ICQ為零，工作在乙類放大狀態(tài)下，這樣不僅使靜態(tài)時晶體管不消耗功率，而且在工作時管子的集電極電流減小，使效率提高。但此時管子僅有半周導通，非線性失真太大，這是不容許的。為解決非線性失真問題，我們采用兩個導電特性相反的管子(NPN和PNP)，一個管子正半周導電，另一個管子負半周導電，即兩管交替工作，各自產(chǎn)生半個周期的信號，在負載上合成一個完整的信號波形，這就是互補對稱功率放大電路的組成思路雙電源互補對稱電路(OCL電路)

圖9–5雙電源互補對稱電路1．電路組成

雙電源互補對稱電路如圖，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稱性，即Vl、V2管特性對稱，并且正負電源對稱。當信號為零時，偏流為零，它們均工作在乙類放大狀態(tài)。圖9–5雙電源互補對稱電路由于電路中兩個管子導電特性互為補充,電路對稱,因此該電路稱為互補對稱功率放大電路。雙電源互補對稱電路(OCL電路)

**OTL電路：從甲類功率放大器說起，因為甲類功率放大器的負載用變壓器耦合，后來去掉了變壓器，用一個大電容耦合，并用一個電源，叫這樣的電路為變壓器開路的功率放大電路，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P223頁）OCL電路和OTL電路的概念

設(shè)兩管的門限電壓均等于零。當輸入信號ui=0,則ICQ=0,兩管均處于截止狀態(tài),故輸出uo=0。

當正半周時ui>0時,V1導通、V2截止,ic1流過負載電阻RL;

當負半周時,ui<0,

V1截止、V2導通,電流ic2通過負載電阻RL,但方向與正半周相反。

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

雙電源互補對稱電路工作原理圖解分析如圖。圖解工作原理分析V1管導通時的工作情況V2管的導通特性倒置后與V1特性畫在一起讓靜態(tài)工作點Q重合，形成兩管合成曲線，圖中交流負載線為一條通過靜態(tài)工作點的斜率為1/RL的直線AB。3.指標計算

圖9–6雙電源互補對稱電路的圖解分析

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)指標計算如下：

(1)輸出功率Po當考慮飽和壓降Uces時,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互補對稱功率放大器指標的計算將代入

當忽略飽和壓降Uces時,得輸出功率Pom可按下式估算:圖9-7Po與ξ關(guān)系曲線當不忽略飽和壓降Uces時,互補對稱功率放大器指標的計算應(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在乙類互補對稱放大電路中，每個晶體管的集電極電流的波形均為半個周期的正弦波形。如圖所示。其平均值用表示互補對稱功率放大器指標的計算因此,直流電源UCC供給的功率為因考慮是正負兩組直流電源,故總的直流電源的供給功率為

互補對稱功率放大器指標的計算互補對稱功率放大器指標的計算顯然，直流電源供給的功率與電源利用系數(shù)ξ成正比。當靜態(tài)時,Ucem＝0,ξ＝0，故PE=0。當ξ=1時，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ξ=1時,效率η最高即互補對稱功率放大器的效率最高是互補對稱功率放大器指標的計算(3)晶體管集電極功率損耗Pc圖9-10Pc與ξ的關(guān)系曲線

互補對稱功率放大器指標的計算PC和ξ的關(guān)系是一拋物線方程，其曲線如圖所示。當ξ＝0時，PC＝0；當ξ為某一特定值時，PC最大，將求導，可求得極值坐標?；パa對稱功率放大器指標的計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對稱功率放大器指標的計算將寫成和最大輸出功率的關(guān)系由于所以此式是兩個管總的集電極功率損耗，而在互補對稱電路中，每個管僅工作半個周期，所以每管的功率損耗為互補對稱功率放大器指標的計算互補對稱功率放大器選擇功率管的原則根據(jù)以上分析，得出互補對稱功率放大器選擇功率管的原則4.存在問題

(1)交越失真

圖中所示輸出波形，我們假設(shè)晶體管一開始就是導通的，實際中晶體管輸出電壓在輸入電壓較小時，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)在通過零值處，即正負半周交界處，故稱為交越失真。圖9–11互補對稱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晶體管處于微導通狀態(tài)，當輸入信號一旦加入，晶體管立即進入線性放大區(qū)。當靜態(tài)時，雖然每一個晶體管處于微導通狀態(tài)，由于電路對稱，兩管靜態(tài)電流相等，流過負載電流為零，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)系推導如下:所以克服交越失真的電路(2)用復(fù)合管組成互補對稱電路

圖9–13復(fù)合管的幾種接法

圖9–14復(fù)合管互補對稱級圖9–15準互補對稱電路9.2.2單電源互補對稱電路(OTL電路)圖9–16單電源互補對稱電路9.2.3實際功率放大