低頻功率放大器

低頻功率放大器 第 5章 427 目 錄 概述 428 其它形式的功放電路簡介 467 互補推挽功率放大器 436 功率放大器的保護(hù)電路 462 功放實際線路舉例 477 428 述 率放大器的主要指標(biāo) 率放大器的分類 429 率放大器的主要指標(biāo) 功率放大： 以輸出功率為重點，驅(qū)動負(fù)載 。 電壓放大： 不失真地增大輸出信號電壓幅度，以驅(qū)動功放。 功率放大器實質(zhì)上也是能量轉(zhuǎn)換電路，它的主要特 點就是工作在大信號狀態(tài)下。 電壓放大和功率放大有 不同的特點 及 指標(biāo)要求 ，在多級 放大器中，電壓放大器處于前置級和中間級，而功率放大處 在末級（也可能包括末前級），以驅(qū)動負(fù)載。 430 效率 ： 放大器的輸出信號功率 與直流電源供給功率 之比。 2. 主要指標(biāo) %o 1 0 0率放大器在線性區(qū)能夠向負(fù)載提供的 最大 交流功率。 工作在線性區(qū) ； 1）輸出功率 注意： 提供的最大交流功率（管子充分利用或稱盡限運用 ）。 直流電源供給集電極回路和偏置電路等直流功率之和。 2） 效率 率放大器的主要指標(biāo) 431 率放大器的主要指標(biāo) 直流電源供給功率 一部分變成了有用的輸出信號， 剩余的部分主要變成了晶體管的管耗 ，即： （ 3）非線性失真 由于功放工作在大信號狀態(tài)下，所以很容易導(dǎo)致輸出信 號產(chǎn)生非線性失真。要求功放產(chǎn)生的非線性失真盡可能小。 432 結(jié)論： 功率放大器的任務(wù)是 : 在確保晶體管安全運用情況下， 獲得盡可能大的輸出功率，盡可能高的效率和盡可能小的 非線性失真。 率放大器的主要指標(biāo) 433 率放大器的分類 180導(dǎo)通角 90導(dǎo)通角功率放大器根據(jù)功放管的導(dǎo)通時間的 長短進(jìn)行分類。 （ 1） 甲類 （ 工作狀態(tài) 在輸入信號的整個周期內(nèi)晶體管 都是導(dǎo)通的。 （ 2） 乙類 （ 工作狀態(tài) 在輸入信號的半個周期內(nèi)晶體管 導(dǎo)通。 434 18 090 （ 3） 甲乙類 （ 工作狀態(tài) 是介于甲類和乙類之間的工作狀態(tài)， 晶體管導(dǎo)通的時間大于半個周期，但小 于一個周期。 （ 4）丙類（ 工作狀態(tài) 晶體管導(dǎo)通的時間小于半個周期。 90率放大器的分類 435 C E u （ 5） 丁類 （ 工作狀態(tài) 此時，晶體管處于開關(guān)狀態(tài)，即在輸入信號的半個周期內(nèi) 飽和導(dǎo)通；在另外半個周期內(nèi)，晶體管截止。 飽和導(dǎo)通： 五類功放的效率滿足下式： 丁丙乙甲乙甲 率放大器的分類 436 補推挽功率放大器 類推挽功率放大器的工作原理 類推挽功率放大器的分析計算 類推挽功率放大器的非線性失真 437 補推挽功率放大器 引言：甲類單管功放簡介 ( 212c e m C C C E So c m c e 1 1 12 2 22U U - I U = =U C Q C I 設(shè)變壓器為理想的 E S 0U 2o m a P =R 2 Q C C c m C U I 50om a xU%P 需要強調(diào)指出的是，對于甲類功率， 輸入信號 的大小無關(guān)。即使輸入信號為零，直流電源還照樣提供直流功率， 因此效率很低。 時 當(dāng) 補推挽功率放大器 439 采用乙類的原因：由于晶體管只在半個周期內(nèi) 導(dǎo)通，因此晶體管的 靜態(tài) 集電極電流為零，所以一 個周期內(nèi)晶體管的平均功耗小。 類推挽功率放大器的工作原理 顯然， 集電極電流 產(chǎn)生了嚴(yán)重的非線性失真 選用兩只特性完全相同 的異型晶體管，輪流工作在 乙類狀態(tài)。 如何解決非線性失真和高效率的矛盾？ 440 （ 1） 和 是一對對稱的異型晶體管； （ 2） 和 分別與負(fù)載 組成射極跟隨器； （ 3） 采用 兩組電源供電。 兩管交替工作，一只在輸入 信號正半周導(dǎo)通，另一只在負(fù)半 周導(dǎo)通，猶如一推一挽，在負(fù)載 上合成完整的波形。 1 乙類推挽功率放大器的工作原理 441 注：以下的分析中不考慮發(fā)射結(jié)導(dǎo)通門限電壓。 0 Q 21兩管集電極電流為零 類推挽功率放大器的工作原理 442 0導(dǎo)通， 截止 與 組成射極跟隨器 在 上得到上半周波形 1類推挽功率放大器的工作原理 443 電路 0導(dǎo)通， 截止 與 組成射極跟隨器 在 上得到下半周波形 類推挽功率放大器的工作原理 444 類推挽功率放大器的工作原理 445 C E Q 1 C E Q 2 C U 兩管的 類推挽功率放大器的分析計算 組合特性曲線 組合特性曲線 由于功放電路工作在大 信號狀態(tài)下，必須采用圖 解法分析。為了便于分析， 將 性曲線的下方，它們的靜 態(tài)工作點重合。 21 靜態(tài)集電極電流為零 446 個晶體管的輸出功率為 通常所指的輸出功率 是指在線性區(qū)得到的最大輸出功率。 如一功率放大器輸出功率為 10W，就是這個意思。 實際輸出功率 與激勵信號的大小有關(guān)。 類推挽功率放大器的分析計算 22C C C E S C L()112 2 2U U U R e m /定義電壓利用系數(shù) 時當(dāng) 1Lo m a 47 類推挽功率放大器的分析計算 例 5互補推挽功放電路如圖所示，己知 5 C E S 1 L 10R 求輸出功率。 解： 22C C C E ) ( 1 5 1 ) 9 . 8 1 0 448 每個集電極的電流為半個周期的非正弦波。 。均值(為每管集電極的電流平 直流電流）0I)d( 200 21 a x 時，當(dāng) U 22 見，輸入信號越大，即 越大， 需要提供的直流電源供給功率 反之，輸入信號越小，需要提供的直流 電壓功率就越小。當(dāng)輸入信號為零時， 直流電源不需要提供功率。 00 m i n 2. 電源供給晶體管的直流功率 類推挽功率放大器的分析計算 這說明電源供給 的直流功率不是恒定 不變的，而是根據(jù)輸 入信號大小而變化。 因此乙類功放的效率 高（與甲類進(jìn)行比 較）。 449 c 集電極功耗 ：每管的集電極損耗。 22212c U o()P P P2224能否認(rèn)為輸入信號越大 越大），管耗就越大呢？ (2上式均是對兩管而言的，而集電極功耗是對每一管 子而言的。 管耗也與 有關(guān)。 類推挽功率放大器的分析計算 450 類推挽功率放大器的分析計算 在選管時，為了保證晶體管安全工 作，可以以此作為選管依據(jù)。 0dd m a xo m a xc m a x 0222 時，C M 2 和 的關(guān)系曲線 c4時，效率最高當(dāng) 1%c m a x 5784.222 可見，乙類推挽功放的集電極效率與電壓利用系數(shù) 成正比 。 類推挽功率放大器的分析計算 452 B R ) C E O 處于截止?fàn)顟B(tài)的晶體管的 之間承受的反壓 C C C C C E S()U U U 時當(dāng) 0 ， 導(dǎo)通， 截止 ，情況一樣。 2 ， 導(dǎo)通， 截止 ， 1 類推挽功率放大器的分析計算 453 指功放管導(dǎo)通時，流過管子的最大電流。 為確保晶體管安全工作，所選管子必須同時滿足 上述的三個條件。 結(jié)論： 類推挽功率放大器的分析計算 454 類推挽功率放大器的分析計算 例 5設(shè)計一互補推挽功率放大器，要求 解： L 8R 1 5 采用 15如何選擇晶體管？ 要求每只晶體管必須滿足以下參數(shù)： C M 2 0 . 2 1 5 3 C E O 2 2 1 5 3 0 C M C C L/ 1 5 / 8 1 . 8 7 5 R 455 類推挽功率放大器的非線性失真 u U ti i m c o s 設(shè) )c o s ( n)c o s ()c o s ( nn 221101 20 1 222E 2 c m 1 c m 2 c mc o s ( ) c o s ( ) I c o s ( ) I t I t n t n 推挽電路中，若兩管的特性完全一致，則其電壓、 電流波形也完全對稱。 21 )c o s ()c o s ( 311 322 稱的電路可以消除偶次諧波成分。 456 C E S N C E S P C E U 理想傳輸特性（不考慮門限電壓） （ 1） 傳輸特性 在實際傳輸特性中，必須考慮三極 管發(fā)射結(jié)的門限電壓值。 可以看出，當(dāng)輸入信號的絕對 值小于 有輸出，因此輸 出信號會出現(xiàn)明顯的失真。 是 類推挽功率放大器的非線性失真 457 u U C U 交越失真 實際傳輸特性及輸出電壓波形如圖所示 （ 2） 交越失真 交越失真是指發(fā)生在信號 穿越過零點時產(chǎn)生的失真。 類推挽功率放大器的非線性失真 458 加入合適的偏置電壓。 （ 3） 消除交越失真的方法 類推挽功率放大器的非線性失真 459 實際電路 1 類推挽功率放大器的非線性失真 顯然，在該電路中，正向偏 壓是由 和 的正向電壓提供。 1 2 D 1 B E 3 D 2U U U U；460 實際電路 2： 實際電路 3： 在該電路中， 是放大級， 和 、 組成恒壓源電路 ,為 和 提供正向偏壓，以消 除交越失真。 1類推挽功率放大器的非線性失真 正向偏壓是利用二極管 （由三極管 、 接線 而得）。 412 )( 32 令2211 且)(12 恰當(dāng)選擇電阻 以忽略不計，則 調(diào)整 可獲得某一倍數(shù) 因此該電路又稱為 類推挽功率放大器的非線性失真 462 率放大器的保護(hù)電路 功放管的管耗與散熱 護(hù)電路 463 放管的管耗與散熱 熱功率： c： 管子在給負(fù)載輸送功率的同時，本身所消耗的功率 。 功放管的管耗是通過熱傳導(dǎo)的形式以散熱的方式消耗掉的。 熱傳導(dǎo)： 熱能從高溫點向低溫點傳送的現(xiàn)象。 對于功放管而言 表示管子的結(jié)溫 功放管的管耗與散熱 m 0C)()( 525 則當(dāng)環(huán)境溫度和熱阻一定時，功放管的最高結(jié)溫對應(yīng)集電 極的最大允許功耗。 。C)( 25制管耗即可以有效地保護(hù)功放管，因此只要限制流過 集電極地電流，就可以限制管耗。 （ 1） 二極管保護(hù)電路 最大輸出電流為 a x / 正常時 ， 正向電流過大 ， 去了一部 分基極電流，因此限制了輸出電流。 護(hù)電路 466 護(hù)電路 （ 2） 三極管保護(hù)電路 常 時， 向電流過 大， 為導(dǎo)通，分去了一部分基極電流，因 此限制了輸出電流。 467 它形式的功放電路 電源供電的互補推挽電路 互補推挽功率放大器 效應(yīng)管功率放大器 468 電源供電的互補推挽電路 1. 原理電路 雙電源供電的互補推挽電路需要兩組正負(fù)電源，有時使用 不便，因此提出了單電源供電電路。 0 Q 當(dāng)電容 C 的容量很大時，對 電時間遠(yuǎn)大于信號的半個周期。因此， 當(dāng)兩管輪流導(dǎo)通時，電容兩端電壓基本 不變。 469 2. 實際電路結(jié)構(gòu) 電路中只采用了 一組電源供電； 作在甲類狀態(tài)。 互補推挽功放， 失真 ， 路 使加到 的激勵信號相等。 2和負(fù)載相接 。 電源供電的互補推挽電路 470 02 ./3. 工作原理 調(diào)整 使 2/由于 因此 半個周期，所以兩管輪流導(dǎo)通時，電容兩端的電壓基本不變恒等 于 ， 相當(dāng)于直流電源電壓。 電源供電的互補推挽電路 471 P 2221 B R ) C E O 224. 性能指標(biāo) 該電路的性能指標(biāo)計算 等同于 是此時 的等效電源電壓為 。 圖示的單電源供電的互補推挽功率放大器稱為 路。 電源供電的互補推挽電路 472 互補推挽功率放大器 將兩只或兩只以上的晶體管按照一定的原則連接在一起， 以實現(xiàn)一定的目的。 （ 1） 等效為 （ 2） 等效為 （ 3） 連接原則： 復(fù)合管類型以第一個晶體管為準(zhǔn)； 應(yīng)保證兩管的基極電流能流通； 第一管的 c、 b、 473 作在甲類 工作狀態(tài)。 復(fù)合管的方式構(gòu) 成 復(fù)合管的方式構(gòu) 成 注： 以不具互補性，互補 作用是由 互補推挽功率放大器 474 在 型硅襯底上生長出一層 外延層， 區(qū)共同構(gòu)成漏區(qū)， 在其上引出漏極（ 在 外 延層上摻雜擴(kuò)散形成 層， 以此為源極區(qū)并在其上引出源極 (；最后利用光刻技術(shù)刻蝕出 縱向的 整個表面氧化生 成 在 層金屬層形成柵極（ N效應(yīng)管功率放大器 N直導(dǎo)電型的 N. 效應(yīng)管功率放大器 (1)垂直導(dǎo)電，充分利用了硅片面積，可提高輸出電流； (2) 器件的耐壓得以提高； (3)器件的工作頻率及開關(guān)速度大大提高； (4)器件具有良好的線性特性； (5)有利于器件大功率工作。 476 2. 效應(yīng)管功率放大器 特點： 電路簡單，非線性失真小，具有自保護(hù)功能。 結(jié) 型管 組成自偏式共源放大 器，作為激勵級為功放提供大信 號輸入。 構(gòu)成單管共源 功放， 和 構(gòu)成電阻分壓式偏置 電路提供靜態(tài)的柵源偏壓 1 Q D 輸出信號通過 、 反饋回輸入端，構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋，以 穩(wěn)定輸出電壓提高輸入電阻，改善放大器性能。 7R 3 2 77 電壓通用型低頻集成功放 放線路實際舉例