功率放大電路45280.ppt

5.1功率放大電路的一般問題5.2乙類互補(bǔ)對稱功放的組成原理5.3甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路,第五章功率放大電路,5.1功率放大電路的一般問題,1功率放大電路的定義,功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。它一般直接驅(qū)動負(fù)載，帶負(fù)載能力要強(qiáng)。,2功率放大電路與電壓放大電路的區(qū)別,(1).本質(zhì)相同電壓放大電路或電流放大電路：主要用于增強(qiáng)電壓幅度或電流幅度。功率放大電路:主要輸出較大的功率。但無論哪種放大電路，在負(fù)載上都同時存在輸出電壓、電流和功率，從能量控制的觀點來看，放大電路實質(zhì)上都是能量轉(zhuǎn)換電路。因此，功率放大電路和電壓放大電路沒有本質(zhì)的區(qū)別。稱呼上的區(qū)別只不過是強(qiáng)調(diào)的輸出量不同而已。,5.1功率放大電路的一般問題,(2).任務(wù)不同電壓放大電路：主要任務(wù)是使負(fù)載得到不失真的電壓信號。輸出的功率并不一定大。在小信號狀態(tài)下工作.功率放大電路：主要任務(wù)是使負(fù)載得到不失真（或失真較?。┑妮敵龉β省Ｔ诖笮盘枲顟B(tài)下工作。,(3).指標(biāo)不同電壓放大電路：主要指標(biāo)是電壓增益、輸入和輸出阻抗.功率放大電路：主要指標(biāo)是功率、效率、非線性失真。,(4).研究方法不同電壓放大電路：圖解法、等效電路法功率放大電路：圖解法,3.功率放大電路的特殊問題,（1）功率要大,（2）效率要高,（3）失真要小,（4）散熱要好,為了獲得大的功率輸出，要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度，因此管子往往在接近極限運用狀態(tài)下工作。,所謂效率就是負(fù)載得到的有用信號功率和電源供給的直流功率的比值。它代表了電路將電源直流能量轉(zhuǎn)換為輸出交流能量的能力.,功率放大電路是在大信號下工作，所以不可避免地會產(chǎn)生非線性失真，這就使輸出功率和非線性失真成為一對主要矛盾。,在功率放大電路中，有相當(dāng)大的功率消耗在管子的集電結(jié)上，使結(jié)溫和管殼溫度升高。為了充分利用允許的管耗而使管子輸出足夠大的功率，放大器件的散熱就成為一個重要問題。,5.1功率放大電路的一般問題,4放大電路的工作狀態(tài)分類,（1）甲類放大在輸入正弦信號的一個周期內(nèi)三極管都導(dǎo)通，都有電流流過三極管。這種工作方式稱為甲類放大?；蚍QA類放大。此時整個周期都有，功率管的導(dǎo)電角=2。,（2）乙類放大（B類放大）在輸入正弦信號的一個周期內(nèi)，只有半個周期三極管導(dǎo)通。稱為乙類放大。如圖2所示，此時功率管的導(dǎo)電角=。,5.1功率放大電路的一般問題,4放大電路的工作狀態(tài)分類,（3）甲乙類放大（AB類放大）在輸入正弦信號的一個周期內(nèi)，有半個周期以上三極管是導(dǎo)通的。稱為甲乙類放大。如圖所示，此時功率管的導(dǎo)電角滿足：2。,（4）丙類放大（c類放大）功率管的導(dǎo)電角小于半個周期，即00，T1就開始導(dǎo)電，則在一周期內(nèi)T1導(dǎo)電時間約為半周期。隨著vi的增大，工作點沿著負(fù)載線上移，則io=iC1增大，vo也增大，當(dāng)工作點上移到圖中A點時，vCE1=VCES，已到輸出特性的飽和區(qū)，此時輸出電壓達(dá)到最大不失真幅值Vomax。,根據(jù)上述圖解分析，可得輸出電壓的幅值為Vom=IomRL=VCC-VCE1其最大值為Vommax=VCC-VCES。T2管的工作情況和T1相似，只是在信號的負(fù)半周導(dǎo)電。兩管的工作情況：為了便于分析兩管的工作情況，將T2的特性曲線倒置在T1的右下方，并令二者在Q點，即vCE=VCC處重合，形成T1和T2的所謂合成曲線，如圖3(b)所示。這時負(fù)載線通過VCC點形成一條斜線，其斜率為-1/RL。顯然，允許的io的最大變化范圍為2Iom，vo的變化范圍為2Vom=2IomRL=2（VCC-VCES）。若忽略管子的飽和壓降VCES，則Vommax2VCC。根據(jù)以上分析，不難求出工作在乙類的互補(bǔ)對稱電路的輸出功率、管耗、直流電源供給的功率和效率。,5.2乙類互補(bǔ)對稱功放的組成原理,4乙類互補(bǔ)對稱功放的管耗,考慮到T1和T2在一個信號周期內(nèi)各導(dǎo)電約180，且通過兩管的電流和兩管兩端的電壓vCE在數(shù)值上都分別相等（只是在時間上錯開了半個周期）。因此，為求出總管耗，只需先求出單管的損耗就行了。設(shè)輸出電壓為vo=Vomsinwt，則T1的管耗為,而兩管的管耗為,5.2乙類互補(bǔ)對稱功放的組成原理,5乙類互補(bǔ)對稱功放的效率,效率就是負(fù)載得到的有用信號功率和電源供給的直流功率的比值。為了計算效率，必須先分析直流電源供給的功率PV，它包括負(fù)載得到的信號功率和T1、T2消耗的功率兩部分，即,當(dāng)輸出電壓幅值達(dá)到最大，即Vom=VCC時，則得電源供給的最大功率為,所以，一般情況下效率為,當(dāng)VomVCC時，則,5.2乙類互補(bǔ)對稱功放的組成原理,6最大管耗與最大輸出功率的關(guān)系,工作在乙類的基本互補(bǔ)對稱電路，在靜態(tài)時，管子幾乎不取電流，管耗接近于零，因此，當(dāng)輸入信號較小時，輸出功率較小，管耗也小，這是容易理解的；但能否認(rèn)為，當(dāng)輸入信號愈大，輸出功率也愈大，管耗就愈大呢？答案是否定的。那么，最大管耗發(fā)生在什么情況下呢？由管耗表達(dá)式,可知管耗PT1是輸出電壓幅值Vom的函數(shù)，因此，可以用求極值的方法來求解。有:,令,故,Vom=2VCC/p?0.6VCC,此時最大管耗為,5.2乙類互補(bǔ)對稱功放的組成原理,6最大管耗與最大輸出功率的關(guān)系,為了便于選擇功放管，常將最大管耗與功放電路的最大輸出功率聯(lián)系起來。由最大輸出功率表達(dá)式,上式常用來作為乙類互補(bǔ)對稱電路選擇管子的依據(jù)，它說明，如果要求輸出功率為10W，則只要用兩個額定管耗大于2W的管子就可以了。當(dāng)然，在實際選管子時，還應(yīng)留有充分的安全余量，因為上面的計算是在理想情況下進(jìn)行的。,可得每管的最大管耗和最大輸出功率之間具有如下的關(guān)系,為了加深印象，可以通過Po、PT1和PV與Vom/VCC的關(guān)系曲線（如圖1所示）觀察它們的變化規(guī)律。圖中用Vom/VCC表示的自變量作為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)分別用相對值表示。,5.2乙類互補(bǔ)對稱功放的組成原理,7功率BJT的選擇,在功率放大電路中，為了輸出較大的信號功率，管子承受的電壓要高，通過的電流要大，功率管損壞的可能性也就比較大，所以功率管的參數(shù)選擇不容忽視。選擇時一般應(yīng)考慮BJT的三個極限參數(shù)，即集電極最大允許功率損耗PCM，集電極最大允許電流ICM和集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓V(BR)CEO。由前面知識點的分析可知，若想得到最大輸出功率，又要使功率BJT安全工作，BJT的參數(shù)必須滿足下列條件：（1）每只BJT的最大管耗PT1max0.2Pomax（2）通過BJT的最大集電極電流為IcmVoc/RL（3）考慮到當(dāng)T2導(dǎo)通時，-vCE2=VCES0，此時vCE1具有最大值，且等于2VCC，因此，應(yīng)選用反向擊穿電壓|V(BR)CEO|2VCC的管子。注意，在實際選擇管子時，其極限參數(shù)還要留有充分的余地。,5.3甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路,1乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路的交越失真,理想情況下，乙類互補(bǔ)對稱電路的輸出沒有失真。實際的乙類互補(bǔ)對稱電路（圖），由于沒有直流偏置，只有當(dāng)當(dāng)輸入信號vi大于管子的門坎電壓（NPN硅管約為0.6V，PNP鍺管約為0.2V）時，管子才能導(dǎo)通。當(dāng)輸入信號vi低于這個數(shù)值時，T1和T2都截止，ic1和ic2基本為零，負(fù)載RL上無電流通過，出現(xiàn)一段死區(qū)，如圖所示。這種現(xiàn)象稱為交越失真。,5.3甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路,2甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路,2.1基本電路為了克服乙類互補(bǔ)對稱電路的交越失真，需要給電路設(shè)置偏置，使之工作在甲乙類狀態(tài)。如圖所示。,圖中：T3組成前置放大級（注意，圖中未畫出T3的偏置電路），給功放級提供足夠的偏置電流。T1和T2組成互補(bǔ)對稱輸出級。靜態(tài)時，在D1、D2上產(chǎn)生的壓降為T1、T2提供了一個適當(dāng)?shù)钠珘?，使之處于微?dǎo)通狀態(tài)，工作在甲乙類。這樣，即使vi很?。―1和D2的交流電阻也小），基本上可線性地進(jìn)行放大。上述偏置方法的缺點：偏置電壓不易調(diào)整，改進(jìn)方法可采用VBE擴(kuò)展電路。,2.2VBE擴(kuò)展電路VBE擴(kuò)展電路如圖所示,圖中，流入T4的極電流遠(yuǎn)小于流過R1、R2的電流，則由圖可求出E4=VBE4（R1+R2）/R2由于VBE4基本為一固定值（硅管約為0.60.7V），只要適當(dāng)調(diào)節(jié)R1、R2的比值，就可改變T1、T2的偏壓VCE4值。Vce4就是T1、T2的偏置電壓這種電路稱為VBE擴(kuò)展電路,5.3甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路,3甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路,3.1電路組成,甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路如圖所示。,T3組成前置放大級，T2和T1組成互補(bǔ)對稱電路輸出級,3.2工作原理在vi=0時，調(diào)節(jié)R1、R2，就可使IC3、VB2和VB1達(dá)到所需大小，給T2和T1提供一個合適的偏置，從而使K點電位VK=VC=VCC/2。vi0時，在信號的負(fù)半周，T1導(dǎo)電，有電流通過負(fù)載RL，同時向C充電；在信號的正半周，T2導(dǎo)電，則已充電的電容C起著雙電源互補(bǔ)對稱電路中電源-VCC的作用，通過負(fù)載RL放電。只要選擇時間常數(shù)RLC足夠大（比信號的最長周期還大得多），就可以認(rèn)為用電容C和一個電源VCC可代替原來的+VCC和-VCC兩個電源的作用。,5.3甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路,3甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路,3.1電路組成,T3組成前置放大級，T2和T1組成互補(bǔ)對稱電路輸出級。,3.2工作原理在vi=0時，調(diào)節(jié)R1、R2，就可使IC3、VB2和VB1達(dá)到所需大小，給T2和T1提供一個合適的偏置，從而使K點電位VK=VC=VCC/2。vi0時，在信號的負(fù)半周，T1導(dǎo)電，有電流通過負(fù)載RL，同時向C充電；在信號的正半周，T2導(dǎo)電，則已充電的電容C起著雙電源互補(bǔ)對稱電路中電源-VCC的作用，通過負(fù)載RL放電。只要選擇時間常數(shù)RLC足夠大（比信號的最長周期還大得多），就可以認(rèn)為用電容C和一個電源VCC可代替原來的+VCC和-VCC兩個電源的作用。,5.3甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路,3甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路,3.3分析計算：采用一個電源的互補(bǔ)對稱電路，由于每個管子的工作電壓不是原來的VCC，而是VCC/2，即輸出電壓幅值Vom最大也只能達(dá)到約VCC/2，所以前面導(dǎo)出的計算Po、PT、和PV的最大值公式，必須加以修正才能使用。修正的方法也很簡單，只要以Vcc/2代替原來的公式中的VCC即可。,4.1單電源互補(bǔ)對稱電路存在的問題單電源互補(bǔ)對稱電路解決了工作點的偏置和穩(wěn)定問題。,4自舉電路,但輸出電壓幅值達(dá)不到Vom=VCC/2?，F(xiàn)分析如下：（1）理想情況當(dāng)vi為負(fù)半周最大值時，iC3最小，vB1接近于+VCC，此時希望T1在接近飽和狀態(tài)工作，即vCE1=VCES，故K點電位vK=+VCC-VCESVCC。當(dāng)vi為正半周最大值時，T1截止，T2接近飽和導(dǎo)電，vK=VCES0。因此，負(fù)載RL兩端得到的交流輸出電壓幅值Vom=VCC/2。（2）實際情況當(dāng)vi為負(fù)半周時，T1導(dǎo)電，因而iB1增加，由于Rc3上的壓降和vBE1的存在，當(dāng)K點電位向+VCC接近時，T1的基流將受限制而不能增加很多，因而也就限制了T1輸向負(fù)載的電流，使RL兩端得不到足夠的電壓變化量，致使Vom明顯小于VCC/2。,5.3甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路,4.2自舉電路,（1）電路解決上述矛盾方法是如果把圖1中D點電位升高，使VD+VCC，例如將圖中D點與+VCC的連線切斷，VD由另一電源供給，則問題即可以得到解決。通常的辦法是在電路中引入R3、C3等元件組成的所謂自舉電路，如圖所示。,（2）工作原理,在圖中，當(dāng)vi=0時，vD=VD=VCC-Ic3R3，而vK=VK=VCC/2，因此電容T1兩端電壓被充電到VC3=VCC/2-Ic3R3。當(dāng)時間常數(shù)R3C3足夠大時，vC3（電容C3兩端電壓）將基本為常數(shù)（vC3VC3），不隨vi而改變。這樣，當(dāng)vi為負(fù)時，T1導(dǎo)電，vK將由VCC/2向更正方向變化，考慮到vD=vC3+vK=VC3+vK，顯然，隨著K點電位升高，D點電位vD也自動升高。因而，即使輸出電壓幅度升得很高，也有足夠的電流iB1，使T1充分導(dǎo)電。這種工作方式稱為自舉，意思是電路本身把vD提高了。,本章小結(jié),功率放大電路是在大信號下工作，通常采用圖解法進(jìn)行分析。研究的重點是如何在允許的失真情況下，盡可能提高輸出功率和效率。,與甲類功率放大電路相比，乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路的主