第九章、功率放大器課件

第9章功率放大電路9.1概述9.2變壓器耦合功率放大電路9.3互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路原理9.4無輸出變壓器(OTL)的互補(bǔ)對(duì)稱功放電路9.5無輸出電容(OCL)的互補(bǔ)對(duì)稱功放電路9.6實(shí)際功放電路9.7集成功率放大器第9章功率放大電路9.1概述1功率放大電路概述能夠向負(fù)載提供足夠信號(hào)功率的放大電路稱為功率放大電路，簡(jiǎn)稱功放。功放既不是單純追求輸出高電壓，也不是單純追求輸出大電流，而是追求在電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的功率。功放電路的要求：Pomax

大，三極管極限工作

=Pomax/PV要高失真要小功率放大電路概述能夠向負(fù)載提供足夠信號(hào)功率的放大電路稱為功率2例：擴(kuò)音系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)功率放大器的作用：

用作放大電路的輸出級(jí)，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動(dòng)作、儀表指針偏轉(zhuǎn)等。功率放大電壓放大信號(hào)提取例：擴(kuò)音系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)功率放大器的作用：用作放大電路的輸出3功率放大電路的特點(diǎn)一、主要技術(shù)指標(biāo)1.最大輸出功率Pom功率放大電路提供給負(fù)載的信號(hào)功率稱為輸出功率。是交流功率，表達(dá)式為Po＝IoUo。最大輸出功率是在電路參數(shù)確定的情況下，負(fù)載上可能獲得的最大交流功率2.轉(zhuǎn)換效率

功率放大電路的最大輸出功率與電源提供的直流功率之比。直流功率等于電源輸出電流平均值及電壓之積。3.最大輸出電壓Uom功率放大電路的特點(diǎn)一、主要技術(shù)指標(biāo)1.最大輸出4二、功率放大電路中的晶體管在功率放大電路中，為使輸出功率盡可能大，要求晶體管工作在極限應(yīng)用狀態(tài)。選擇功放管時(shí)，要注意極限參數(shù)的選擇，還要注意其散熱條件，使用時(shí)必須安裝合適的散熱片和各種保護(hù)措施。晶體管集電極電流最大時(shí)接近ICM晶體管管壓降最大時(shí)接近U（BR）CEO晶體管耗散功率最大時(shí)接近PCM三、功率放大電路的分析方法采用圖解法二、功率放大電路中的晶體管在功率放大電路中，為使輸出功率盡可5分析功放電路應(yīng)注意的問題(1)功放電路中電流、電壓要求都比較大，必須注意電路參數(shù)不能超過晶體管的極限值:ICM、UCEO

、PCM。ICMPCMUCEOIcuce分析功放電路應(yīng)注意的問題(1)功放電路中電流、電壓要求都比6(2)電流、電壓信號(hào)比較大，必須注意防止波形失真。(3)電源提供的能量盡可能轉(zhuǎn)換給負(fù)載，減少晶體管及線路上的損失。即注意提高電路的（轉(zhuǎn)換）效率

。Pomax

:負(fù)載上得到的最大交流功率。PE：電源提供的直流功率。(2)電流、電壓信號(hào)比較大，必須注意防止波形失真。(3)7為什么共射放大電路不宜用作功率放大電路直流電源提供的直流功率為ICQVCC即圖中矩形ABCO的面積。集電極電阻RC的功率損耗為I2CQRC

即圖中矩形QBCD的面積。晶體管耗散功率為ICQUCEQ即圖中矩形AQDO的面積。1.無輸入信號(hào)作用時(shí)為什么共射放大電路不宜用作功率放大電路直流電源提供的直流功率82.在輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，若集電極電流也為正弦波直流電源提供的直流功率不變負(fù)載電阻RL上所獲得的功率PO僅為P/Om的一部分。R/L(=RC//RL)上獲得的最大交流功率P/Om為即圖中三角形QDE的面積共射放大電路輸出功率小，效率低（25℅），不宜作功放。2.在輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，若集電極電流也為正弦波直流電源提供9如何解決效率低的問題？辦法：降低Q點(diǎn)但又會(huì)引起截止失真既降低Q點(diǎn)又不會(huì)引起截止失真的辦法：采用推挽輸出電路，或互補(bǔ)對(duì)稱射極輸出器如何解決效率低的問題？辦法：降低Q點(diǎn)但又會(huì)引起截止失真既降低10功率放大電路的分類在放大電路中，若輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，根據(jù)晶體管在信號(hào)整個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通情況分類甲類(

=2

)

tiCO

Icm

2ICQ

tiCO

Icm

2ICQ乙類(

=

)

tiCO

Icm

ICQ2甲乙類(

<

<2

)丙類：導(dǎo)通角

小于。丁類：功放管工作在開關(guān)狀態(tài)，管子僅在飽和導(dǎo)通時(shí)消耗功率。集電極電流iC將嚴(yán)重失真。功率放大電路的分類在放大電路中，若輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，根據(jù)晶119.2變壓器耦合推挽功率放大電路輸入變壓器：將輸入信號(hào)分成兩個(gè)大小相等相位相反的信號(hào)，分別送兩個(gè)放大器的基極，使T1、T2輪流導(dǎo)通。輸出變壓器：將兩個(gè)集電極輸出信號(hào)合為一個(gè)信號(hào)，耦合到副邊輸出給負(fù)載。放大器：由兩個(gè)共射極放大器組成，兩個(gè)三極管的射極接在一起，–+++––USCT1T2RLiLuiReRb2Rb19.2變壓器耦合推挽功率放大電路輸入變壓器：將輸入信號(hào)分成12直流通道USCT1T2RLiLuiReRb2Rb1USCT1T2ReRb2Rb1變壓器線圈對(duì)于直流相當(dāng)于短路對(duì)于任何一個(gè)三極管都是靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的共射極放大器USCT1ReRb2Rb1兩個(gè)三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)都設(shè)在剛剛超過死區(qū),IB很小,IC也很小,降低直流功耗。Q直流通道USCT1T2RLiLuiReRb2Rb1USCT113交流通道ib1ui>0ui<0ib2uiT2T1RLRe–++–+–+–++––ic1++––+–ic2+–輸入信號(hào)正半周，T1導(dǎo)通，T2截止輸入信號(hào)負(fù)半周，T2導(dǎo)通，T1截止USCT1T2RLiLuiReRb2Rb1交流通道ib1ui>0ui<0ib2uiT2T1RLRe–+149.3互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路互補(bǔ)對(duì)稱：電路中采用兩個(gè)晶體管：NPN、PNP各一支；兩管特性一致。對(duì)稱電源：+USC，-USC組成互補(bǔ)對(duì)稱式射極輸出器ui-USCT1T2uo+USCRLiLNPN型PNP型9.3互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路互補(bǔ)對(duì)稱：電路中采用兩個(gè)晶體管：15一、工作原理（設(shè)ui為正弦波）ic1ic2

靜態(tài)時(shí)：ui=0V

T1、T2均不工作

uo=0V動(dòng)態(tài)時(shí)：ui

0VT1截止，T2導(dǎo)通ui>0VT1導(dǎo)通，T2截止iL=ic1

;ui-USCT1T2uo+USCRLiLiL=ic2注意：T1、T2兩個(gè)晶體管都只在半個(gè)周期內(nèi)工作的方式。一、工作原理（設(shè)ui為正弦波）ic1ic2靜態(tài)時(shí)：16ui-USCT1T2uo+USCRLiL輸入輸入波形圖uiuououo′交越失真死區(qū)電壓ui-USCT1T2uo+USCRLiL輸入輸入波形圖uiu17ui-USCT1T2uo+USCRLiL(1)靜態(tài)電流ICQ、IBQ等于零；(2)每管導(dǎo)通時(shí)間小于半個(gè)周期；(3)存在交越失真。特點(diǎn)：ui-USCT1T2uo+USCRLiL(1)靜態(tài)電流I18克服交越失真的措施：R1D1D2R2

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)▔航担率箖晒芫幱谖⑷鯇?dǎo)通狀態(tài)；動(dòng)態(tài)時(shí)：設(shè)ui加入正弦信號(hào)。正半周T2截止，T1基極電位進(jìn)一步提高，進(jìn)入良好的導(dǎo)通狀態(tài)；負(fù)半周T1截止，T2基極電位進(jìn)一步降低，進(jìn)入良好的導(dǎo)通狀態(tài)。+USC-USCULuiiLRLT1T2電路中增加R1、D1、D2、R2支路克服交越失真的措施：R1D1D2R2靜態(tài)時(shí):T1、T2兩19二、最大輸出功率及效率的計(jì)算假設(shè)ui為正弦波且幅度足夠大，T1、T2導(dǎo)通時(shí)均能飽和，此時(shí)輸出達(dá)到最大值。ULmax負(fù)載上得到的最大功率為：iL-USCRLuiT1T2UL+USC若忽略晶體管的飽和壓降，則負(fù)載（RL)上的電壓和電流分別為：二、最大輸出功率及效率的計(jì)算假設(shè)ui為正弦波且幅度足夠20電源提供的直流平均功率計(jì)算：每個(gè)電源中的電流為半個(gè)正弦波，其平均值為:兩個(gè)電源提供的總功率為：USC1=USC2=USC

tic1

2電源提供的直流平均功率計(jì)算：每個(gè)電源21效率為：效率為：22OTL:OutputTransformerLessOCL:OutputCapacitorLess互補(bǔ)對(duì)稱功放的類型：互補(bǔ)對(duì)稱功放的類型無輸出變壓器形式（OTL電路）無輸出電容形式（OCL電路）OTL:OutputTransformerLessOC239.4無輸出變壓器的互補(bǔ)對(duì)稱功放電路一、特點(diǎn)1.單電源供電；2.輸出加有大電容。二、靜態(tài)分析則T1、T2特性對(duì)稱，

令：USC/2RLuiT1T2+USCCAUL+-UC9.4無輸出變壓器的互補(bǔ)對(duì)稱功放電路一、特點(diǎn)1.單電源24三、動(dòng)態(tài)分析若輸出電容足夠大，其上電壓基本保持不變，則負(fù)載上得到的交流信號(hào)正負(fù)半周對(duì)稱，但存在交越失真。ic1ic2交越失真（UC相當(dāng)于電源）RLuiT1T2+USCCAUL+-時(shí)，T1導(dǎo)通、T2截止；時(shí)，T1截止、T2導(dǎo)通。設(shè)輸入端在0.5USC直流電平基礎(chǔ)上加入正弦信號(hào)三、動(dòng)態(tài)分析若輸出電容足夠大，其上電壓基本保持不變，則負(fù)載上25四、輸出功率及效率若忽略交越失真的影響，且ui幅度足夠大。則：LSCLSCLRUIUU22maxmax==，uLULmaxuitt四、輸出功率及效率若忽略交越失真的影響，且ui幅度足夠大26D1D2ui+USCRLT1T2T3CRARe1Re2實(shí)用OTL互補(bǔ)輸出功放電路調(diào)節(jié)R,使靜態(tài)UA=0.5USCD1、D2使b1和b2之間的電位差等于2個(gè)二極管正向壓降，克服交越失真Re1、Re2：電阻值1~2，射極負(fù)反饋電阻，也起限流保護(hù)作用b1b2D1D2ui+USCRLT1T2T3CRARe1Re2實(shí)用O27增加對(duì)稱的負(fù)電源-USC，使靜態(tài)時(shí)的A點(diǎn)電位為09.5無輸出電容的互補(bǔ)對(duì)稱功放電路RLuiT1T2+USCCAUL+-UC+USC-USCuiiLRLT1T2AOTL電路OCL電路增加對(duì)稱的負(fù)電源-USC9.5無輸出電容的互補(bǔ)對(duì)稱功放電路28tuo交越失真uit+USC-USCuiiLRLT1T2A存在交越失真OCL電路tuo交越失真uit+USC-USCuiiLRLT1293.電路中增加復(fù)合管增加復(fù)合管的目的：擴(kuò)大電流的驅(qū)動(dòng)能力。cbeT1T2ibicbecibic

1

2晶體管的類型由復(fù)合管中的第一支管子決定。cbeT1T2ibicbecibic復(fù)合NPN型復(fù)合PNP型3.電路中增加復(fù)合管增加復(fù)合管的目的：擴(kuò)大電流的驅(qū)動(dòng)能力30改進(jìn)后的OCL準(zhǔn)互補(bǔ)輸出功放電路：

T1：電壓推動(dòng)級(jí)

T2、R1、R2：

UBE倍增電路

T3、T4、T5、T6：復(fù)合管構(gòu)成的輸出級(jí)準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)中的T4、T6均為NPN型晶體管，兩者特性容易對(duì)稱。+USC-USCR1R2RLuiT1T2T3T4T5T6改進(jìn)后的OCL準(zhǔn)互補(bǔ)輸出功放電路：T1：電壓推動(dòng)級(jí)T31集成運(yùn)放內(nèi)部的功率放大器T5T6RC3RE2RLRC4RE3T7T9T8T4R2R1T3R3RC1T1RC2T2-+RE4RE5T11T10+UCC-UEE第1級(jí)：差動(dòng)放大器第2級(jí)：差動(dòng)放大器第3級(jí)：?jiǎn)喂芊糯笃鞯?級(jí)：互補(bǔ)對(duì)稱射極跟隨器集成運(yùn)放內(nèi)部的功率放大器T5T6RC3RE2RLRC4RE3329.6實(shí)際功放電路這里介紹一個(gè)實(shí)用的OCL準(zhǔn)互補(bǔ)功放電路。其中主要環(huán)節(jié)有：(1)恒流源式差動(dòng)放大輸入級(jí)（T1、T2、T3）；(2)偏置電路（R1、D1、D2）；(3)恒流源負(fù)載（T5）；(4)OCL準(zhǔn)互補(bǔ)功放輸出級(jí)（T7、T8、T9、T10）；(5)負(fù)反饋電路（Rf、C1、Rb2構(gòu)成交流電壓串聯(lián)負(fù)反饋）；(6)共射放大級(jí)（T4）；(7)校正環(huán)節(jié)（C5、R4）；(8)UBE倍增電路（T6、R2、R3）；(9)調(diào)整輸出級(jí)工作點(diǎn)元件（Re7、Rc8、Re9、Re10）。9.6實(shí)際功放電路這里介紹一個(gè)實(shí)用的OCL準(zhǔn)互補(bǔ)功放電路。33+24VuiRLT7T8RC8-24VR2R3T6Rc1T1T2Rb1Rb2C1RfR1D1D2T3Re3T4Re4C2T5Re5C3C4T9T10Re10Re7Re9C5R4BX差動(dòng)放大級(jí)反饋級(jí)偏置電路共射放大級(jí)UBE倍增電路恒流源電路準(zhǔn)互補(bǔ)功放級(jí)保險(xiǎn)管負(fù)載實(shí)用的OCL準(zhǔn)互補(bǔ)功放電路：RC低通+24VuiRLT7T8RC8-24VR2R3T6Rc1T1349.7集成功率放大器特點(diǎn)：工作可靠、使用方便。只需在器件外部適當(dāng)連線，即可向負(fù)載提供一定的功率。集成功放LM384：生產(chǎn)廠家：美國(guó)半導(dǎo)體器件公司電路形式：OTL輸出功率：8負(fù)載上可得到5W