模擬電子技術(shù)(江曉安)(第三版)第9章

1、第九章 低頻功率放大電路第九章第九章 低頻功率放大電路低頻功率放大電路9.1 低頻功率放大電路概述低頻功率放大電路概述 9.2 互補(bǔ)對稱功率放大電路互補(bǔ)對稱功率放大電路 9.3 集成功率放大器集成功率放大器 第九章 低頻功率放大電路9.1 低頻功率放大電路概述低頻功率放大電路概述 9.1.1 分類分類功率放大電路按放大信號的頻率,可分為低頻功率放大電路和高頻功率放大電路。前者用于放大音頻范圍(幾十赫茲到幾十千赫茲)的信號,后者用于放大射頻范圍(幾百千赫茲到幾十兆赫茲)的信號。本課程僅介紹低頻功率放大電路。功率放大電路按其晶體管導(dǎo)通時(shí)間的不同，可分為甲類、乙類、甲乙類和丙類等四種。 第九章 低頻

2、功率放大電路甲類功率放大電路的特征是在輸入信號的整個(gè)周期內(nèi),晶體管均導(dǎo)通,有電流流過;乙類功率放大電路的特征是在輸入信號的整個(gè)周期內(nèi),晶體管僅在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通,有電流流過;甲乙類功率放大電路的特征是在輸入信號周期內(nèi),管子導(dǎo)通時(shí)間大于半周而小于全周;丙類功率放大電路的特征是管子導(dǎo)通時(shí)間小于半個(gè)周期。其中前三種的工作狀態(tài)示意圖如圖9-1所示。 第九章 低頻功率放大電路圖圖 9 1 甲類、乙類、甲乙類功率放大電路的工作狀態(tài)示意圖甲類、乙類、甲乙類功率放大電路的工作狀態(tài)示意圖 第九章 低頻功率放大電路9.1.2 功率放大器的特點(diǎn)功率放大器的特點(diǎn) 1. 輸出功率要足夠大輸出功率要足夠大 如輸入信號是某一

3、頻率的正弦信號, 則輸出功率表達(dá)式為oooUIP 式中, Io、Uo均為有效值。如用振幅值表示, , 代入公式(9 - 1), 則（9-1）2/2/omoomoUUIIomomoUIP21(9-2)式中,Iom、Uom分別為負(fù)載RL上的正弦信號的電流、電壓的幅值。 第九章 低頻功率放大電路2. 效率要高效率要高 %100EoPP 放大器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器, 它是將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成交流信號的能量輸送給負(fù)載, 因此, 要求轉(zhuǎn)換效率高。為定量反映放大電路效率的高低, 引入?yún)?shù), 它的定義為式中, Po為信號輸出功率, PE是直流電源向電路提供的功率。在直流電源提供相同直流功率的條件下,

4、輸出信號功率愈大, 電路的效率愈高。 (9-3)第九章 低頻功率放大電路 3. 非線性失真要小非線性失真要小 為使輸出功率大, 由式(9 - 2)可知Iom、Uom也應(yīng)大, 故功率放大器采用的三極管均應(yīng)工作在大信號狀態(tài)下。由于三極管是非線性器件, 在大信號工作狀態(tài)下, 器件本身的非線性問題十分突出, 因此, 輸出信號不可避免地會產(chǎn)生一定的非線性失真。當(dāng)輸入是單一頻率的正弦信號時(shí), 輸出將會存在一定數(shù)量的諧波。諧波成分愈大,表明非線性失真愈大, 通常用非線性失真系數(shù)表示, 它等于諧波總量和基波成分之比 通常情況下, 輸出功率愈大, 非線性失真就愈嚴(yán)重。 第九章 低頻功率放大電路9.1.3 提高輸

5、出功率的方法提高輸出功率的方法 1. 提高電源電壓提高電源電壓 選用耐壓高、容許工作電流和耗散功率大的器件。集電極與發(fā)射極之間的擊穿電壓要大于管子實(shí)際工作電壓的最大值,即 maxceCEOUBUmaxccmIImaxccmPP集電極最大允許的電流要大于管子實(shí)際工作電流的最大值,即 集電極允許的耗散功率要大于集電極實(shí)際耗散功率的最大值,即 第九章 低頻功率放大電路2. 改善器件的散熱條件改善器件的散熱條件 普通功率三極管的外殼較小, 散熱效果差, 所以允許的耗散功率低。當(dāng)加上散熱片, 使得器件的熱量及時(shí)散熱后, 則輸出功率可以提高很多。例如低頻大功率管3AD6在不加 散 熱 片 時(shí) , 允 許

6、的 最 大 功 耗 Pc m僅 為 1 W, 加 了120mm120 mm4 mm的散熱片后, 其Pcm可達(dá)到10 W。 在實(shí)際功率放大電路中,為了提高輸出信號功率, 在功放管一般加有散熱片。 第九章 低頻功率放大電路9.1.4 提高效率的方法提高效率的方法 功率放大器的效率主要取決于功放管的工作狀態(tài)。下面用圖解法進(jìn)行分析。圖9-2所示是三極管放大電路的輸出特性和交流負(fù)載線。假設(shè)圖中特性曲線是理想曲線,直線MN為交流負(fù)載線,Q為靜態(tài)工作點(diǎn)。在最佳情況下,由圖9-2可看出, ON2Icm=2ICQ為輸出電流的峰-峰值,OM2Ucem=UCC為輸出電壓的峰-峰值。放大電路輸出功率為 CCCQoUI

7、P21即為MMQ的面積。 第九章 低頻功率放大電路圖9-2 功放的圖解法(甲類放大狀態(tài))第九章 低頻功率放大電路電源提供的直流功率為CQCCEIUP 即為 OMBA的面積值, 故效率 面積OMBAMQMPPEo其最大效率50%。如圖9-2所示狀態(tài),三極管在信號的整個(gè)周期內(nèi)(導(dǎo)通角=36)都處于導(dǎo)通狀態(tài),工作在甲類放大狀態(tài)。為了提高效率，應(yīng)提高輸出功率Po,降低電源供給功率PE,通常采用如下方法。 第九章 低頻功率放大電路1. 改變功放管的工作狀態(tài)改變功放管的工作狀態(tài) 將靜態(tài)工作點(diǎn)Q下移,如圖9-3所示,這時(shí)三極管只在半個(gè)信號周期內(nèi)導(dǎo)通,另半個(gè)周期處于截止?fàn)顟B(tài),即導(dǎo)通角=180,工作在乙類放大狀

8、態(tài)。在乙類功率放大電路中,功放管靜態(tài)電流幾乎為零,因此直流電源功率為零。當(dāng)輸入信號逐漸加大時(shí),電源提供的直流功率也逐漸增加,輸出信號功率隨之增大,所以乙類的功率放大效率比甲類的要高。但是由于乙類放大狀態(tài)的導(dǎo)通角為180,故輸出電壓波形將產(chǎn)生嚴(yán)重失真。為減小失真,可以采用互補(bǔ)對稱電路,使兩管輪流導(dǎo)通,以保證負(fù)載上獲得完整的正弦波形。 第九章 低頻功率放大電路圖 9 3 乙類放大狀態(tài) 第九章 低頻功率放大電路2. 選擇最佳負(fù)載選擇最佳負(fù)載功放三極管若工作在乙類放大狀態(tài)下(電路如圖9-4所示),當(dāng)負(fù)載改變時(shí),交流負(fù)載線的斜率也改變,輸出的電流Icm將隨之變化,故輸出功率也改變。從圖94中可以看出,負(fù)

9、載線為MA時(shí)的輸出功率比MB時(shí)的大。但負(fù)載線為MC時(shí),已超過最大功率損耗線,管耗將大于Pcm,管子將被燒壞,故存在一個(gè)最佳負(fù)載RL。該圖顯然表明,當(dāng)交流負(fù)載線為MA時(shí),負(fù)載為最佳負(fù)載。一般情況下,當(dāng)電源UCC確定后,過UCC點(diǎn)做Pcm線的切線,該切線對應(yīng)的負(fù)載即為最佳負(fù)載。 第九章 低頻功率放大電路圖 9 4 最佳負(fù)載的確定 第九章 低頻功率放大電路9.2 互補(bǔ)對稱功率放大電路互補(bǔ)對稱功率放大電路 9.2.1 雙電源互補(bǔ)對稱電路雙電源互補(bǔ)對稱電路 (OCL電路電路) 1電路組成和工作原理電路組成和工作原理雙電源互補(bǔ)對稱電路如圖9-5所示,圖中V1為NPN型三極管,V2為PNP型三極管。為保證工

10、作狀態(tài)良好,要求該電路具有良好的對稱性,即V1、V2管特性對稱,并且正負(fù)電源對稱。當(dāng)信號為零時(shí),偏流為零,它們均工作在乙類放大狀態(tài)。 第九章 低頻功率放大電路圖圖9 5 雙電源互補(bǔ)對稱電路雙電源互補(bǔ)對稱電路 第九章 低頻功率放大電路 設(shè)兩管的門限電壓均等于零。當(dāng)輸入信號ui=0, 則ICQ=0, 兩管均處于截止?fàn)顟B(tài), 故輸出uo=0。當(dāng)輸入端加一正弦信號, 在正半周時(shí), 由于ui0, 因此V1導(dǎo)通、V2截止, ic1流過負(fù)載電阻RL; 在負(fù)半周時(shí), 由于ui0, 因此V1截止、V2導(dǎo)通, 電流ic2通過負(fù)載電阻RL, 但方向與正半周相反。 即V1、V2管交替工作, 流過RL的電流為一完整的正弦

11、波信號, 波形如圖9 - 2所示。由于該電路中兩個(gè)管子導(dǎo)電特性互為補(bǔ)充, 電路對稱, 因此該電路稱為互補(bǔ)對稱功率放大電路。 第九章 低頻功率放大電路2. 指標(biāo)計(jì)算指標(biāo)計(jì)算 雙電源互補(bǔ)對稱電路工作圖解分析如圖9-6所示。圖9-6(a)為V1管導(dǎo)通時(shí)的工作情況。圖9-6(b)是將V2管的導(dǎo)通特性倒置后與V1特性畫在一起,讓靜態(tài)工作點(diǎn)Q重合,形成兩管合成曲線,圖中交流負(fù)載線為一條通過靜態(tài)工作點(diǎn)的斜率為的直線AB。由圖上可看出輸出電流、輸出電壓的最大允許變化范圍分別為2Icm和2Ucem,Icm和Ucem分別為集電極正弦電流和電壓的振幅值。 L1R第九章 低頻功率放大電路圖圖9 6 雙電源互補(bǔ)對稱電路

12、的圖解分析雙電源互補(bǔ)對稱電路的圖解分析 第九章 低頻功率放大電路(1) 輸出功率輸出功率Po: LcemcemcmcmcemoRUUIIUP2212122當(dāng)考慮飽和壓降Uces時(shí), 輸出的最大電壓幅值為 cescccemUUU 一般情況下, 輸出電壓的幅值Ucem總是小于電源電壓UCC值, 故引入電源利用系數(shù)CCcemUU(9-6)(9-4)(9-5)第九章 低頻功率放大電路LCComRUP221LCCLcemoRURUP2222121將(9 - 6)式代入(9 - 4)式得 當(dāng)忽略飽和壓降Uces時(shí), 即=1, 輸出功率Pom可按下式估算: (9-7) (9-8) 第九章 低頻功率放大電路圖

13、9 - 7Po與關(guān)系曲線 第九章 低頻功率放大電路 (2) 效率: 由(9 - 3)式確定。為此應(yīng)先求出電源供給功PE。 圖9 8 集電極電流ic波形 第九章 低頻功率放大電路cmcmcavIttdItdiI1)(sin21)(2101201因此, 直流電源UCC供給的功率為 LCCCCLcemCCcmCCavERUURUUIUIP21111LCCEERUPP2122因考慮是正負(fù)兩組直流電源, 故總的直流電源的供給功率為 (9-9) (9-10)(9-11) 第九章 低頻功率放大電路圖9-9 PE與的關(guān)系曲線 第九章 低頻功率放大電路4221222LCCLCCEoRURUPP當(dāng)=1時(shí), 效率最

14、高, 即 %5 .784max顯然,直流電源供給的功率PE與電源利用系數(shù)成正比。當(dāng)靜態(tài)時(shí),Ucem=0,=0,故PE=0。當(dāng)=1時(shí),PE也為最大。PE與的關(guān)系曲線如圖9-9所示。將(9-7)、(9-11)式代入(9-3)式中則得 (9-12) (9-13) 第九章 低頻功率放大電路(3) 集電極功率損耗Pc: 22212LCCoEcRUPPP(9-14)Pc與的關(guān)系是一拋物線方程,其曲線如圖9-10所示,當(dāng)=0時(shí),Pc=0；當(dāng)為某一特定值時(shí),Pc最大,將(9-14)式求導(dǎo),可求得極值坐標(biāo)。 2d20dcCCLPUR第九章 低頻功率放大電路圖9 - 10Pc與的關(guān)系曲線 第九章 低頻功率放大電路

15、636. 02LCCcRUP22max2omomcPPP4 . 042max解得 (9-15) 將此值代入(9-14)式中,得最大集電極功率損耗值Pc max: 考慮(9-8)式得 (9-16) 第九章 低頻功率放大電路omccPPP2 . 021maxmax1omcmCCceoomcmIIUBUPP22 . 0此式是兩管總的集電極功率損耗,而在互補(bǔ)對稱電路中,每管僅工作半個(gè)周期,所以每管的功率損耗為 由上得出在互補(bǔ)對稱功率放大電路中選擇功率管的原則: (9-17) (9-18) (9-19) 第九章 低頻功率放大電路3. 存在問題存在問題 (1) 交越失真。圖9-5所示的波形關(guān)系是假設(shè)門限電

16、壓為零,且認(rèn)為是線性關(guān)系。而實(shí)際中晶體管輸入特性門限電壓不為零,且電壓、電流關(guān)系也不是線性關(guān)系,在輸入電壓較低時(shí),輸入基極電流很小,故輸出電流也十分小。因此輸出電壓在輸入電壓較小時(shí),存在一小段死區(qū),此段輸出電壓與輸入電壓不存在線性關(guān)系,產(chǎn)生了失真。由于這種失真出現(xiàn)在通過零值處,故稱為交越失真。交越失真波形如圖9-11所示。 第九章 低頻功率放大電路圖圖9 11 互補(bǔ)對稱功率放大電路的交越失真互補(bǔ)對稱功率放大電路的交越失真 第九章 低頻功率放大電路克服交越失真的措施就是避開電壓死區(qū),使每一個(gè)晶體管處于微導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)輸入信號一旦加入,晶體管立即進(jìn)入線性放大區(qū)。而當(dāng)靜態(tài)時(shí),雖然每一個(gè)晶體管處于微導(dǎo)通

17、狀態(tài),由于電路對稱,兩管靜態(tài)電流相等,流過負(fù)載電流為零,從而消除了交越失真。消除交越失真的電路如圖9-12所示。圖9-12(a)是利用V3管的靜態(tài)電流IC3Q在電阻R1上的壓降來提供V1、V2管所需的偏壓,即 1321RIUUQCEBBE(9-20) 第九章 低頻功率放大電路圖圖9 12 克服交越失真的幾種電路克服交越失真的幾種電路 第九章 低頻功率放大電路 圖9-12(b)是利用二極管的正向壓降為V1、V2提供所需的偏壓, 即2121DDEBBEUUUU 圖9-12(c)是利用UBE倍壓電路向V1、V2管提供所需的偏壓, 其關(guān)系推導(dǎo)如下: )(213212212EBBEBBBEUURRRUR

18、RRU所以3321)1 (21221BEBEEBBEURRURRRUU(9-21)(9-22) 第九章 低頻功率放大電路(2) 用復(fù)合管組成互補(bǔ)對稱電路 功率放大電路的輸出電流一般很大。例如當(dāng)有效值為12V的輸出電壓加至8的負(fù)載上時(shí),將有1.5A的有效值電流流過功率管,其振幅值約為2.12A。而一般功率管的電流放大系數(shù)均不大,若設(shè)=20,則要求基極推動電流為100mA以上,這樣大的電流由前級(又稱為前置級)供給是十分困難的,為此需要進(jìn)行電流放大。一般通過復(fù)合管來解決此問題,即將第一管的集電極或發(fā)射極接至第二管的基極,就能起到電流放大作用。具體的接法如圖9-13所示。它們的等效電流放大系數(shù)均近似為 2112bcII(9-23) 第九章 低頻功率放大電路圖9 13 復(fù)合管的幾種接法 第九章 低頻功率放大電路圖9 14 復(fù)合管互補(bǔ)對稱級 第九章 低頻功率放大電路圖9 15 準(zhǔn)互補(bǔ)對稱電路 第九章 低頻功率放大電路9.2.2 單電源互補(bǔ)對稱電路單電源互補(bǔ)對稱電路 (OTL電路電路) 雙電源互補(bǔ)對稱電路需要兩個(gè)正負(fù)獨(dú)立電源,有時(shí)使用起來不方便。當(dāng)僅有一路電源時(shí),可采用單電源互補(bǔ)對稱電路,如圖9-16所示。 第九章 低頻功率放大電路圖9 16 單電源互補(bǔ)對稱電路第九章 低頻功率放大電路9.2.3 實(shí)際功率放大電路舉例實(shí)際功率