模電課件第四章功率放大電路

第四章功率放大電路功率放大電路導(dǎo)論4.1功率放大電路的主要特點(diǎn)4.2互補(bǔ)對稱式功率放大器本章小結(jié)4.3采用復(fù)合管的功率放大電路單元測驗4.4集成功率放大電路第四章功率放大電路功率放大電路導(dǎo)論4.1功率放大電1

功率放大電路的主要任務(wù)就是用于放大電路的輸出級，向負(fù)載提供足夠大的輸出功率，以驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如：使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動作、儀表指針偏轉(zhuǎn)等。并要求功放電路的效率非常高；輸出信號的失真比較小。由于功放電路處理的都是大信號，因此不采用微變等效電路分析法，采用的是圖解法進(jìn)行分析和求解。功率放大電路導(dǎo)學(xué)返回功率放大電路的主要任務(wù)就是用于放大電功率放大電路24.1功率放大電路的主要特點(diǎn)一、功率放大電路的用途驅(qū)動顯示儀表、音響、自動控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件。以及需要大功率驅(qū)動的負(fù)載。(如下例所示)1、擴(kuò)音系統(tǒng)功率放大電壓放大信號提取執(zhí)行機(jī)構(gòu)4.1功率放大電路的主要特點(diǎn)一、功率放大電路的用途32、溫度控制器R1、R2、R3:標(biāo)準(zhǔn)電阻Ua:基準(zhǔn)電壓Rt:熱敏電阻A：放大器RtTTUb控溫過程UOUO1R1aR2UOVccR3Rtb溫控室加熱器-+AUO1

功放2、溫度控制器R1、R2、R3:標(biāo)準(zhǔn)電阻Ua:基準(zhǔn)4二、對功率放大電路的要求即：輸出電壓和電流都要有足夠大的變化量。1、要求有最大的輸出功率最大輸出功率最大輸出電壓的有效值最大輸出電流的有效值二、對功率放大電路的要求即：輸出電壓和電流都要有足夠大的變化52、要有較高的效率輸出的功率其實都是由VCC轉(zhuǎn)換而來的，尤其是在大功率的輸出情況下，這個轉(zhuǎn)換效率就顯得很重要。效率直流電源VCC提供的功率放大電路提供給負(fù)載的功率2、要有較高的效率輸出的功率其實都是由VCC轉(zhuǎn)換6由上式可以導(dǎo)出功率放大電路的最大效率為：由上式可以導(dǎo)出功率放大電73、要有較小的失真由于“功放”工作在大信號的場合，因此所處理的信號在三極管特性曲線上將得到極至地發(fā)揮。其器件的非線性特性則無法避免，我們只能根據(jù)負(fù)載的要求來規(guī)定其允許的失真范圍。因為處理的是大信號，所以不能采用微變等效電路來分析“功放”。一般常用圖解法分析“功放”靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)。3、要有較小的失真由于“功放”工作在大信號的場合8三、傳統(tǒng)的推挽功率放大電路(乙類功率放大器)1、電路結(jié)構(gòu)(變壓器耦合)：T1：輸入變壓器；T2：輸出變壓器；VT1和VT2：對稱放大管。三、傳統(tǒng)的推挽功率放大電路(乙類功率放大器)1、電路結(jié)構(gòu)(變92、工作原理：⑴

當(dāng)uI為正半周時：VT1工作在放大區(qū)，VT2工作在截止區(qū)。(推)⑵

當(dāng)uI為負(fù)半周時：VT1工作在截止區(qū)，VT2工作在放大區(qū)。(挽)⑶最后在兩管的集電極合成一個完整的正弦波，再通過T2耦合到負(fù)載RL上。2、工作原理：⑴當(dāng)uI為正半周時：⑵當(dāng)uI為負(fù)半10iC13、圖解分析：iC13、圖解分析：114、

傳統(tǒng)的乙類推挽功率放大電路的缺點(diǎn)：⑴輸入/輸出變壓器的體積大、重；⑵因為是變壓器耦合，故頻帶窄；⑶存在交越失真和不對稱失真；⑷電路采用反饋時，易自激振蕩。返回4、傳統(tǒng)的乙類推挽功率放大電路的返回124.2互補(bǔ)對稱式功率放大器4.2.1OTL互補(bǔ)對稱電路一、OTL乙類互補(bǔ)對稱電路1、電路結(jié)構(gòu)：⑴VT1和VT2分別由

NPN和PNP管組成，然后共同對RL組成射極輸出器。⑵電路只有一個電源，NPN管由VCC供電，PNP管由電容C供電。R1和R2分別為兩管的偏置電阻。4.2互補(bǔ)對稱式功率放大器4.2.1OTL互補(bǔ)對稱電路132、工作原理：⑴靜態(tài)時：合理選取R1、R2，使兩管均微通，其發(fā)射極電位為VCC/2。大電容C已充滿電，UC

也為VCC/2。⑵當(dāng)uI為正半周時：VT1放大、VT2截止。其正半周的信號通過VT1管、C到達(dá)負(fù)載。VT1的

供電電壓為：VCC-UC=VCC-VCC/2=VCC/2。2、工作原理：⑴靜態(tài)時：⑵當(dāng)uI為正半周時：14⑶當(dāng)uI為負(fù)半周時：

VT1截止、VT2放大。其負(fù)半周的信號通過

VT2管和電容C到達(dá)負(fù)載。VT2的供電電壓為：UC=-VCC/2。⑷VT1和VT2各負(fù)責(zé)輸入信號半周波形的放大。所以在負(fù)載上iRL=iC1-iC2，合成了一個完整的正弦波。⑶當(dāng)uI為負(fù)半周時：⑷VT1和VT2各負(fù)責(zé)輸153、討論：⑴VT1導(dǎo)電是靠VCC供電，VT2導(dǎo)電是靠

C

供電。所以

C

必須非常大，否則在負(fù)半周會供電不足產(chǎn)生失真。⑵此電路不使用變壓器，用電容

C

來耦合，所以稱為：OTL電路。⑶此電路由兩管輪流工作，互補(bǔ)對稱輸出，各處理正弦信號的

180

度。故又稱為：乙類互補(bǔ)對稱電路。3、討論：⑴VT1導(dǎo)電是靠VCC供電，VT2導(dǎo)電是⑵164、圖解分析⑴將兩管的輸出特性曲線合并，VT2是PNP管，所以

UCE2取負(fù)值。4、圖解分析⑴將兩管的輸出特性曲線合并，VT2是PNP管17⑵靜態(tài)時：所以：靜態(tài)工作點(diǎn)Q在中點(diǎn)處，負(fù)載線的斜率由RL來確定。⑵靜態(tài)時：所以：靜態(tài)工作點(diǎn)Q在中點(diǎn)處，負(fù)載線的斜率由RL18⑶輸入電壓在正半周時：VT1導(dǎo)電，工作點(diǎn)從Q沿斜

線向左上方運(yùn)動。最大集流為Icm1。⑶輸入電壓在正半周時：VT1導(dǎo)電，工作點(diǎn)從Q沿斜19⑷輸入電壓在負(fù)半周時：VT2導(dǎo)電，工作點(diǎn)從Q沿斜

線向右下方運(yùn)動。最大集流為Icm2。⑷輸入電壓在負(fù)半周時：VT2導(dǎo)電，工作點(diǎn)從Q沿斜20⑸假設(shè)VT1、VT2

特性曲線對稱：⑸假設(shè)VT1、VT221⑹三極管集電極電壓的最大值為：⑹三極管集電極電22⑺OTL乙類互補(bǔ)對稱電路的最大輸出功率Pom將前式代入上式:（若Uces在0.3V左右時，則可以忽略）⑺OTL乙類互補(bǔ)對稱電路的最大輸出功率Pom將前式23⑻直流電源VCC消耗的功率PV

PV等于VCC/2與半個周期內(nèi)三極管集電極電流平均值的乘積。由于：所以：⑻直流電源VCC消耗的功率PVPV等于VCC24⑼OTL乙類互補(bǔ)對稱電路的最大效率

m電路實際上的效率比上值要低。因為電源提供的功率有一部分轉(zhuǎn)化為集電極的功耗，使管子發(fā)熱產(chǎn)生了溫升。⑼OTL乙類互補(bǔ)對稱電路的最大效率m電路實25⑽每個三極管的最大功耗PTm兩個三極管的總功耗為最大輸出功率Pom的0.4倍。5、OTL乙類互補(bǔ)對稱電路的優(yōu)、缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)效率高，理想情況下最在可達(dá)到78.5%，在靜態(tài)時，ic1

、ic2

為0，即：靜態(tài)功耗為0。⑽每個三極管的最大功耗PTm兩個三極管的總功26缺點(diǎn)在輸入信號為

0

附近的區(qū)域內(nèi)，VT1和VT2

都不導(dǎo)通，因此會出現(xiàn)交越失真。所以上電路若不改進(jìn)，則沒有實用的價值。缺點(diǎn)276、交越失真現(xiàn)象⑴產(chǎn)生交越失真的原因在輸入信號正半周或者負(fù)半周的起始段，VT1、VT2都處在截止?fàn)顟B(tài)，所以這一段輸出信號出現(xiàn)了失真，我們稱此現(xiàn)象為交越失真。6、交越失真現(xiàn)象⑴產(chǎn)生交越失真的原因在輸入信號28⑵克服交越失真的方法在兩個互補(bǔ)管的基極引入R、VD1和VD2支路，保證電路在靜態(tài)時或起始段，VT1和VT2都處在導(dǎo)通狀態(tài)，這樣就克服了兩管都截止的情況，保證了輸出信號不出現(xiàn)了失真。⑵克服交越失真的方法在兩個互補(bǔ)管29二、OTL甲乙類互補(bǔ)對稱電路1、電路結(jié)構(gòu)：在VT1和VT2的基極接入R和VD1、VD2。⑴靜態(tài)時：2、工作原理：由R和VD1、VD2在兩個三極管的基極上產(chǎn)生一個偏壓，使VT1和VT2微微導(dǎo)通。所以uI=0時，VT1和VT2

有一個小小的集流。但是，iL=0。二、OTL甲乙類互補(bǔ)對稱電路1、電路結(jié)構(gòu)：在VT30⑵當(dāng)uI為正半周時：

ic1逐漸增大，VT1在放大區(qū)工作，ic2逐漸減小，VT2進(jìn)入截止區(qū)。⑶當(dāng)uI為負(fù)半周時：

ic2逐漸增大，VT2在放大區(qū)工作，ic1逐漸減小，VT1進(jìn)入截止區(qū)。⑷在uI的整個周期內(nèi)：負(fù)載RL上得到了比較理想的正弦波，減小了交越失真。⑵當(dāng)uI為正半周時：ic1逐漸增大，VT1在⑶313、波形分析：在這個互補(bǔ)對稱放大電路中，每管的導(dǎo)電角(工作區(qū))大于180度，小于

360

度，因此稱為甲乙類放大電路。甲類放大電路，三極管導(dǎo)電角≥360°乙類放大電路，三極管導(dǎo)電角=180°3、波形分析：在這個互補(bǔ)對稱放甲32⑴此電路的參數(shù)計算，可以近似用乙類互補(bǔ)電路的公式計算；4、討論：⑵此電路的交越失真小，效率也不錯，故應(yīng)用非常廣泛；⑶缺點(diǎn)是：電容體積大，不易集成化；低頻效果差，不適用高檔音響設(shè)備。⑴此電路的參數(shù)計算，可以近似用4、討論：⑵此電路的交334.2.2OCL互補(bǔ)對稱電路一、電路結(jié)構(gòu)：1、徹底實現(xiàn)了直接耦合2、采用了兩路電源(用

-VCC替代了OTL電路中的UC)，分別為VT1和VT2供電。二、工作原理：工作原理與OTL電路基本相同，但供電方式不同。4.2.2OCL互補(bǔ)對稱電路一、電路結(jié)構(gòu)：1、徹底實現(xiàn)了直341、靜態(tài)時：所以：靜態(tài)工作點(diǎn)Q在中點(diǎn)處，負(fù)載線的斜率仍由RL來確定。1、靜態(tài)時：所以：靜態(tài)工作點(diǎn)Q在中點(diǎn)處，負(fù)載線的斜率仍由RL352、三極管集電極電壓的最大值為：2、三極管集電極電363、OCL互補(bǔ)對稱電路的最大輸出功率Pom將前式代入上式:（若Uces在0.3V左右時，可以忽略）比OTL電路的Pom大，這是靠兩套電源獲得的。3、OCL互補(bǔ)對稱電路的最大輸出功率Pom將前式比OTL電路374、直流電源VCC消耗的功率PV

PV等于VCC與半個周期內(nèi)三極管集電極電流平均值的乘積。由于：所以：電源消耗的功率也比OTL電路大得多。4、直流電源VCC消耗的功率PVPV等于VCC與385、OCL互補(bǔ)對稱電路的最大效率

m電路實際上的效率比上值要低。因為電源提供的功率有一部分轉(zhuǎn)化為集電極的功耗，使管子發(fā)熱產(chǎn)生了溫升。OCL與OTL電路的最大效率

m相同。5、OCL互補(bǔ)對稱電路的最大效率m電路實際上的396、每個三極管的最大功耗PTm兩個三極管的總功耗為最大輸出功率Pom的0.4倍。三、OCL互補(bǔ)對稱電路的優(yōu)、缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)兼顧了OTL電路的所有優(yōu)點(diǎn)，并省去了C，便于集成化；改善了低頻響應(yīng)。6、每個三極管的最大功耗PTm兩個三極管的總功耗為最大輸出功40缺點(diǎn)由于負(fù)載直接與射極相連，一旦三極管損壞，VCC

形成的大電流將直接流過負(fù)載，若時間稍長必定會造成負(fù)載燒毀。在實用電路中常采用熔斷保險絲與負(fù)載串聯(lián)或啟用二極管、三極管保護(hù)電路。缺點(diǎn)41[例]用圖解法：對比甲類、OTL乙類、OCL乙類的最大輸出功率。假設(shè)上電路的VCC和RL均相同，那么它們的輸出功率之間有何關(guān)系。解1、甲類電路：[例]用圖解法：對比甲類、OTL乙類、OCL乙類的最大解142解2、OTL乙類電路：解2、OTL乙類電路：43解3、OCL乙類電路：解3、OCL乙類電路：44四、討論1、圖中的陰影面積就是Pom，這就是功率三角形。2、甲類放大時，靜態(tài)電流大，因此效率也就低，約在30%左右。3、乙類放大時，靜態(tài)功耗等于0，因此效率高，約在78%左右。4、OCL的功率是OTL的4倍，但需要兩套電源。四、討論45五、注意由于共集電極電路只能放大電流而不能放大電壓，所以上面的電路必須用電壓幅度足夠大的信號驅(qū)動。換句話說：輸入和輸出電壓的幅度近似相等，但輸出信號的功率得到了放大。五、注意46[例]下圖兩電路的VCC均為20V，負(fù)載電阻RL均為16

Ω，三極管飽和壓降Uces均為

2V，分別估算下面OTL和OCL電路的最大輸出功率Pom和最大效率ηm。解：估算OTL電路的Pom[例]下圖兩電路的VCC均為20V，負(fù)載電阻RL均為1647電源消耗的功率最大效率電源消耗的功率最大效率48解：估算OCL電路的Pom返回電源消耗的功率最大效率解：估算OCL電路的Pom返回電源消耗的功率最大效率494.3采用復(fù)合管的功率放大電路將三極管復(fù)合使用，不僅可以獲得很大的電流放大系數(shù)β，提高了電路的電壓放大倍數(shù)Au，而且還可能提高輸入電阻。一、三極管復(fù)合使用時的技術(shù)指標(biāo)4.3采用復(fù)合管的功率放大電路將三極管復(fù)合50三極管復(fù)合后，其關(guān)健技術(shù)指標(biāo)是：確定該復(fù)合管的電流放大系數(shù)

β

和復(fù)合管的輸入電阻rbe。三極管復(fù)合后，其關(guān)健技51由兩個NPN型三極管組成的復(fù)合管1、常見的NPN型復(fù)合管⑴復(fù)合管的β值復(fù)合管β值為：由兩個NPN型三極管組成的復(fù)合管1、常見的NPN型復(fù)合管⑴52⑵復(fù)合管的輸入電阻rbe復(fù)合管輸入電阻為：PNP型復(fù)合管的分析結(jié)果與NPN型復(fù)合管相同。⑵復(fù)合管的輸入電阻rbe復(fù)合管輸入電阻為：PNP型復(fù)合管的532、復(fù)合管的正確組合方式⑴NPN型復(fù)合管(電流為二進(jìn)一出)一個出口端為射極，兩個進(jìn)口端一個為基極，另一個為集電極。2、復(fù)合管的正確組合方式⑴NPN型復(fù)合管(電流為二進(jìn)一出54⑵PNP型復(fù)合管(電流為一進(jìn)二出)一個進(jìn)口端為射極，兩個出口端一個為基極，另一個為集電極。⑵PNP型復(fù)合管(電流為一進(jìn)二出)一個進(jìn)口端為55⑶復(fù)合管的組合原則①前后級三極管的電流方向要一致，以形成適當(dāng)?shù)耐?NPN管要能一出二進(jìn)，PNP管要能一進(jìn)二出)。②要能保證前后級三極管的每個PN結(jié)都能獲得正確的偏置(發(fā)射結(jié)正偏，收集結(jié)反偏)。⑶復(fù)合管的組合原則①前后級三極管的電流方②要能保證前后563、復(fù)合管的β值和rbe⑴同類型復(fù)合管⑵不同類型復(fù)合管3、復(fù)合管的β值和rbe⑴同類型復(fù)合管⑵不同類型復(fù)合管57二、采用復(fù)合管組成的功率輸出級1、復(fù)合管組成的互補(bǔ)對稱電路假若：β1=50，β2=20則總的β≈1000缺點(diǎn)：NPN型管和PNP型管雖可以互補(bǔ)，但很難對稱。若負(fù)載峰值電流為：2.12A(大型音響設(shè)備)，則復(fù)合管的驅(qū)動電流只要2.12mA即可。二、采用復(fù)合管組成的功率輸出級1、復(fù)合管組成的互補(bǔ)對稱電582、復(fù)合管組成的準(zhǔn)互補(bǔ)對稱電路

Re1，Rc2的作用是為了調(diào)整復(fù)合管中VT3、VT4的靜態(tài)工作點(diǎn)而引入的。由于VT3、VT4的為同類型三極管，因此電路的對稱性比前面的電路好。返回2、復(fù)合管組成的準(zhǔn)互補(bǔ)對稱電路Re1，Rc594.4集成功率放大電路4.4.1

OTL音頻功率放大電路一、電路組成共有三級放大1、輸入級：VT1經(jīng)C3輸出2、中間級：VT2經(jīng)R6R7R8直接耦合輸出3、功放級：VT3VT4互補(bǔ)對稱輸出(OTL)。4.4集成功率放大電路4.4.1OTL音頻功率放大電604、功能之一：

R6R7R8聯(lián)到VT1VT2的基極防止了交越失真。因此可知功放級是甲乙類互補(bǔ)對稱電路。因是OTL電路，C6

上的電壓可估算出來為：VCC/24、功能之一：R6R7R8聯(lián)到VT1VT2的基極防61熱敏電阻R8

的溫度系數(shù)是負(fù)值，它可以保證在溫度增加時，VT3VT4的基流不隨著溫度的增加而增加。5、功能之二：熱敏電阻R8的溫度系數(shù)是負(fù)值，它可以保證在溫度增加時62

R10是一個電壓并聯(lián)負(fù)反饋，其作用是穩(wěn)定中間級和功放級的靜態(tài)工作點(diǎn)。6、功能之三：R10是一個電壓并聯(lián)負(fù)反饋，其作用是穩(wěn)定中間級和63接入VT3和VT4射極的電阻R11R12是起限流作用，防止瞬時電流太大燒壞負(fù)載。7、功能之四：接入VT3和VT4射極的電阻R11R12是起限流作64電阻R14

是電壓串聯(lián)負(fù)反饋。它的作用是增大輸入電阻，降低輸出電阻。改善電路的帶負(fù)載的能力。8、功能之五：電阻R14是電壓串聯(lián)負(fù)反饋。它的作用是增大輸入電65小電容

C2C4是校正電容。它們的作用是利用負(fù)反饋產(chǎn)生的相位偏移，消除電路可能產(chǎn)生的自激振蕩。9、功能之六：

C7也是校正電容，是主極點(diǎn)校正。小電容C2C4是校正電容。它們的作用是利用66二、主要技術(shù)指標(biāo)估算：1、閉環(huán)電壓放大倍數(shù)：二、主要技術(shù)1、閉環(huán)電壓672、最大輸出功率Pom：OTL電路的供電電壓為VCC/2設(shè)：UCES=1VUR11=0.5V2、最大輸出OTL電路的供電電壓為VCC/2設(shè)：UCES=168為了保證電路不失真，正常工作時的輸出功率不要超出0.5W。為了保證電路不失真，正常工作時的輸出功率不要超出0.5694.4.2

OCL高保真功率放大電路一、電路組成共有三級放大1、輸入級：

VT1VT2VT3組成恒流源差分放大電路。

差分電路是采用單端輸入單端輸出的方式。4.4.2OCL高保真功率放大電路一、電路組成共有三級放70

VT4VT5

組成共射極放大電路。2、中間級：

VT4是NPN型硅管，VT5是有源負(fù)載。所以這一級可以獲得很大的電壓放大倍數(shù)。VT4VT5組成共射極放大電路。2、中間級：VT4是71由復(fù)合管VT7VT9和

VT8VT10組成OCL互補(bǔ)對稱放大電路。

VT6給復(fù)合管提供了靜態(tài)基流，防止交越失真。3、功放級：由復(fù)合管VT7VT9和VT8VT6給復(fù)合管提72

VT2和RF組成了電壓串聯(lián)負(fù)反饋，可提高輸入電阻降低輸電阻。減小失真，展寬頻帶，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，增強(qiáng)了帶負(fù)載的能力。4、功能之一：VT2和RF組成了電壓串聯(lián)負(fù)反饋，可提高輸入電阻降低73由于RL是感性負(fù)載，反饋信號有可能引起電路自激振蕩，因此引入了C5和R2進(jìn)行補(bǔ)償。5、功能之二：由于RL是感性負(fù)載，反饋信號有可能引起電路自激振蕩74

C2C3C4是為了消出自激振蕩而引入的消振電容。6、功能之三：C2C3C4是為了消出自激振蕩而引入的消振電容。6、75二、主要技術(shù)指標(biāo)估算：1、閉環(huán)電壓放大倍數(shù)：二、主要技術(shù)1、閉環(huán)電壓762、最大輸出功率Pom：OCL電路的供電電壓為VCC2、最大輸出OCL電路的供電電壓為VCC77設(shè)：URe4=0.7VUEC4=1VUBE7=0.8VUBE9=0.8VURe9=1V代入上式：實用中輸出功率不超過20W返回設(shè)：URe4=0.7V代入上式：實用中輸出功率不超過20W返781、功率放大電路主要任務(wù)是要大功率、高效率、小失真。2、常用的功率放大電路主要有OTL

和OCL兩種。本章小結(jié)：1、功率放大電路主要任務(wù)是要大功率、高效率、小失真。2、常用79返回3、為了克服交越失真，將三極管工作在甲乙類狀態(tài)，即：導(dǎo)通角大于180度。4、功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)是：最大輸出功率；電源消耗功率和效率。5、為了提高三極管的β，可以采用三極管的復(fù)合技術(shù)，復(fù)合后總β為它們的乘積。返回3、為了克服交越失真，將三極管工作在甲乙類狀態(tài)，即：導(dǎo)通80單元測驗1、互補(bǔ)對稱功放電路的放大作用是

。正確錯誤B、對電壓、電流均有放大作用A、只對電壓有放大作用D、對電壓、電流均無放大作用C、只對電流有放大作用錯誤錯誤單元測驗1、互補(bǔ)對稱功放電路的放大作用是812、在互補(bǔ)對稱功率放大電路中，引起交越失真的原因是

。正確錯誤B、晶體管β值過大A、輸入信號過大C、電源電壓太高D、晶體管的非線性錯誤錯誤2、在互補(bǔ)對稱功率放大電路中，引起交越失真的正確錯誤823、已知某典型OTL互補(bǔ)對稱功放電路的電源電壓為6V，功放管的飽和電壓UCES=1V，負(fù)載電阻RL=8Ω，其最大輸出功率Pom是

。正確錯誤D、Pom≈0.56WB