模擬電子電路4-4

1、4.5 功率輸出級電路功率輸出級電路4.5.1 功率放大器的特點、指標和分類功率放大器的特點、指標和分類1. 功放的特點和指標功放的特點和指標(1) 功率放大器的基本任務是向額定的負載功率放大器的基本任務是向額定的負載RL，輸出額定的，輸出額定的“不失真不失真”信號功率。信號功率。 (2) 要求電源提供的直流功率盡可能地轉換為負載上的信號功率，而其要求電源提供的直流功率盡可能地轉換為負載上的信號功率，而其他各種耗散功率（如管子、電阻以發(fā)熱的形式消耗的功率）應盡可能的他各種耗散功率（如管子、電阻以發(fā)熱的形式消耗的功率）應盡可能的少。少。 定義功率放大器的效率定義功率放大器的效率為：為： EoPP

2、 電電源源提提供供的的平平均均總總功功率率輸輸出出信信號號的的平平均均功功率率 通常把晶體管耗散功率和電路的損耗功率統(tǒng)稱為耗散功率通常把晶體管耗散功率和電路的損耗功率統(tǒng)稱為耗散功率PT，根據能，根據能量守恒的原則有：量守恒的原則有：PE = Po+PT ，所以功率放大器的效率也可表示為：，所以功率放大器的效率也可表示為：Po(Po +PT)。 (3) 非線性失真的大小可以用非線性失真系數非線性失真的大小可以用非線性失真系數D來衡量。來衡量。 2om12om32om22om123o22o1o3o2oDUUUIIIPPPmm (4) 功放中的功放中的晶體管往往工作在接近極限參數狀態(tài)，需要合理選擇功

3、放晶體管往往工作在接近極限參數狀態(tài)，需要合理選擇功放的電源電壓，合理選擇工作點使其安全工作。的電源電壓，合理選擇工作點使其安全工作。(5) 由于功放電路工作在大信號狀態(tài)，已不屬于線形電路的范圍，由于功放電路工作在大信號狀態(tài)，已不屬于線形電路的范圍，不能不能用微變等效電路的分析方法，通常采用圖解法作粗略估算。用微變等效電路的分析方法，通常采用圖解法作粗略估算。 飽和區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)放大區(qū)2. 功率放大器工作狀態(tài)的分類功率放大器工作狀態(tài)的分類截止區(qū)截止區(qū)ciBEu(1) 甲（甲（A）類工作狀態(tài)）類工作狀態(tài)在輸入信號的整個周期內晶體管始終工作在輸入信號的整個周期內晶體管始終工作在線性放大區(qū)域。在線性放

4、大區(qū)域。 飽和區(qū)飽和區(qū)ciBEu截止區(qū)截止區(qū) 靜靜態(tài)態(tài)工工作作點點設設置置在在放放大大區(qū)區(qū)內內，但但接接 近近截截至至區(qū)區(qū)，在在信信號號的的大大半半周周期期內內三三極極 管管導導通通，導導通通角角 1800 飽和區(qū)飽和區(qū)ci截止區(qū)截止區(qū)BEu飽和區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)截止區(qū)BEuciQQQQ3. 甲類放大器的輸出功率甲類放大器的輸出功率（1）電源提供的平均功率）電源提供的平均功率PE為為（2）電路可能的最大交流輸出功率）電路可能的最大交流輸出功率POmaxcemcmcemcmomax2122UIUIP 最大不失真輸出電壓、最大不失真輸出電壓、電流電流的幅度的幅度 CCESCcem2121EUEU CQ

5、CEOCQcmIIII CQComax41IEP （3）甲類功放的最大效率）甲類功放的最大效率為為25. 041Eomacmax PP 4.5.2 互補推挽乙類功互補推挽乙類功uiic1ic2io=ic1+ +ic2 1. 電路構成及工作原理電路構成及工作原理 （1） 電路組成電路組成（2）工作原理分析：）工作原理分析： io=ic1+ic21. 電路構成及工作原理電路構成及工作原理死死 區(qū)區(qū)跟隨區(qū)跟隨區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)跟隨區(qū)跟隨區(qū)ouiuUon1Uon2=ic1+ +ic21. 電路構成及工作原理電路構成及工作原理AD=ic1+ +ic22. 乙類互補推挽放大器的圖解分析乙類互補推挽

6、放大器的圖解分析omIomUQ （1） 輸輸出出功功率率： EC1/ RLUCES ce u ic2ic1（2） 單管最大平均管耗單管最大平均管耗 PT1max（3） 直流電源供給的功率直流電源供給的功率PE（4 4）效效率率 （5） 最大平均管耗與最大輸出功率的關系最大平均管耗與最大輸出功率的關系 以以上上的的結結論論是是傳傳統(tǒng)統(tǒng)觀觀點點，只只對對非非直直接接耦耦合合功功放放適適合合。但但當當信信號號變變化化較較為為緩緩慢慢時時，特特別別對對于于含含有有低低頻頻的的直直接接耦耦合合功功放放（或或集集成成功功放放）來來說說，應應該該考考慮慮它它的的瞬瞬時時最最大大管管耗耗即即最最大大可可能能管

7、管耗耗 PCmax 。 由于單管由于單管VT1的瞬時功耗為：的瞬時功耗為： Pc= uCEic= (EC- -icRL ) ic = ECic - -ic2 RL令令 dPc / dic= 0, 可求得當可求得當 ic=EC/2RL 時，單管最大可能管耗為時，單管最大可能管耗為 所以所以 PCmax=EC2 / 2RL- -EC2 / 4RL=EC2 / 4RL所以有所以有 : PCmax = 0.5Pomax 1.變壓器耦合推挽功放變壓器耦合推挽功放4.5.3 其他乙類推挽功率放大其他乙類推挽功率放大器器（負負載載折折合合到到初初級級繞繞組組上上 半半部部分分的的等等效效電電阻阻） u1/i

8、c1 =(N1/N2 )2 uL / iL 而而u1/ ic1=RL； uL /iL= RL RL=(N1 / N2)2RLuiui1ui2iC1iC2iL1. 變壓器耦合變壓器耦合乙類推挽功放乙類推挽功放2 單電源互補推挽功放單電源互補推挽功放 只使用一個電源只使用一個電源EC的的NPNPNP互補互補推挽功放，簡稱推挽功放，簡稱OTL功放。功放。 OTL功放與功放與OCL功放分析方法相同。只要用功放分析方法相同。只要用EC2取代關公式取代關公式(4-123)、(4-126)、(4-133)中的中的EC ，就可得，就可得OTL功放的各類指標。功放的各類指標。 VT1、R1 、R2和和Rc 、R

9、e為前置放大器；為前置放大器； R 、VD1、VD2為為VT2和和VT3基極提供偏基極提供偏置。置。 負載負載RL串聯(lián)的大電容串聯(lián)的大電容C具有隔直功能，具有隔直功能，靜態(tài)時靜態(tài)時C被充電至被充電至EC2。 當輸入信號時，由于大電容當輸入信號時，由于大電容C上的電上的電壓維持壓維持EC2不變，使得不變，使得VT2和和VT3的的CE回路的等效電源都是回路的等效電源都是EC2 。 OTL功放電源供電的物理過程是：功放電源供電的物理過程是：VT3導通導通時，時，C經經VT3和和RL回路放電形成電流回路放電形成電流ic3，電容儲能減??；電容儲能減小；VT2導通時導通時EC供電，形成回供電，形成回路電流

10、路電流ic2，同時對電容，同時對電容C充電儲能；流過充電儲能；流過RL的電流應該是的電流應該是ic2與與ic3的合成。的合成。 4.5.4 MOS輸出級電路輸出級電路1 . MOS源極輸出電路源極輸出電路 其中其中VT1為共漏極放大管或稱源極跟隨器，為共漏極放大管或稱源極跟隨器，VT2漏極與柵極間短路，相當有源負載。漏極與柵極間短路，相當有源負載。 ubs1= uds1= - -uo，ubs2=0，ugs2= uds2=uo，于是低，于是低頻小信號微變等效電路如圖（頻小信號微變等效電路如圖（b）所示。小信號）所示。小信號電壓增益可以表示為電壓增益可以表示為m2mb1m1m1ds2ds1m2mb

11、1m1m1ugggggggggg Am2mb1m1ds2ds1m2mb1m1oggg1ggggg1 rogs1oiouuuuuuA ds2ds1m2mb1gs1m1oggggugu 2. CMOS互補輸出級電路互補輸出級電路 源隨器的優(yōu)點是電路簡單，輸出阻抗低，失真小，缺點是源隨器的優(yōu)點是電路簡單，輸出阻抗低，失真小，缺點是效率低，且在接負載時正負輸出擺幅不對稱（正峰值電壓遠小效率低，且在接負載時正負輸出擺幅不對稱（正峰值電壓遠小于于ED）。在）。在CMOS集成電路中，常見的輸出級有工作于甲乙類集成電路中，常見的輸出級有工作于甲乙類的互補輸出級。甲乙類互補輸出級的效率高，負載能力強，適的互補輸

12、出級。甲乙類互補輸出級的效率高，負載能力強，適用于用于CMOS工藝。工藝。 （1）共漏）共漏CMOS互補輸出級互補輸出級 （1）共漏）共漏CMOS互補輸出級互補輸出級 偏置電壓偏置電壓UBIAS給給VT1和和VT2提供柵源偏置，以確定提供柵源偏置，以確定VT1和和VT2的靜態(tài)偏的靜態(tài)偏置電流，使置電流，使VT1，VT2偏置在甲乙類工作狀態(tài)，以消除交越失真。偏置在甲乙類工作狀態(tài)，以消除交越失真。 圖圖 (b)示出了實際電路，示出了實際電路，VT3，VT4是是VT1和和VT2的偏置電路，使的偏置電路，使VT1，VT2偏置在甲乙類工作狀態(tài)，偏置在甲乙類工作狀態(tài)，VT5、VT6組成組成CMOS推動放大

13、級，其中推動放大級，其中VT5是是NMOS放大管，而放大管，而VT6是是PMOS管作為管作為M5的有源負載。的有源負載。 主要缺點是輸出電壓幅度主要缺點是輸出電壓幅度Uom 不夠大，因不夠大，因Uom可簡單的決定于正、負電可簡單的決定于正、負電源電壓減去源電壓減去VT1和和VT2的的UGS( (th) )，由于體效應，閾值電壓，由于體效應，閾值電壓UGS(th)會增加，限會增加，限制了輸出幅度，當制了輸出幅度，當UGS( (th) )的值較大時的值較大時Uom 就減少。就減少。 (2) 共源共源CMOS互補輸出電路互補輸出電路 PMOSFET VT1和和NMOSFET VT2構成的共源構成的共

14、源CMOS互補輸出電路，互補輸出電路，VT1和和VT2的源極與襯底均短接。的源極與襯底均短接。 VT3為源極跟隨器，為源極跟隨器，VT4為恒流源為恒流源作為作為VT3的有源負載。的有源負載。 VT1的柵源偏壓的柵源偏壓UGS1取決于取決于UG3與與ED之差，之差，VT2的柵源偏壓的柵源偏壓UGS2取決于取決于UG2與與- -ES之差，適當設計之差，適當設計UGS1和和UGS2可可使使VT1、VT2的靜態(tài)電流的靜態(tài)電流ID1和和ID2很低，很低，工作在甲乙類狀態(tài)。工作在甲乙類狀態(tài)。 輸入正極性電壓時，輸入正極性電壓時，VT3 的的iD3增加，增加，uS3= uG2增加，所以增加，所以VT2的的i

15、D2隨之增隨之增加；同時，由于加；同時，由于uG3= uG1，所以，所以uGS1減小，導致減小，導致VT1的的iD1減?。皇沟脺p小；使得RL上電壓上電壓uo向負值方向增加。同理，當輸入負極性電壓時，向負值方向增加。同理，當輸入負極性電壓時，VT1的的iD1增加，同時增加，同時iD2、iD3均減少，直到為零，均減少，直到為零，RL上電壓上電壓uo向正值方向增加。共源向正值方向增加。共源CMOS互補輸出電互補輸出電路有一定的電壓增益，而且可輸出較大的負向電壓幅度，但其輸出電阻較大。路有一定的電壓增益，而且可輸出較大的負向電壓幅度，但其輸出電阻較大。 4.5.5 達林頓組態(tài)達林頓組態(tài) ( (1 1) ) 達達林林頓頓組組態(tài)態(tài)的的基基本本電電路路結結構構b1c1ii c1e1b2iii b21b22c2iii b21b21b1c2c1ciiiiii 4.5.5 達林頓組態(tài)達林頓組態(tài) 等效等效值高是復合管的優(yōu)點，采用復合管可以獲得很高的電值高是復合管的優(yōu)點，采用復合管可以獲得很高的電流放大倍數。但復合管的等效穿透電流也較大，工作點熱穩(wěn)定流放大倍數。但