第10章 功率放大電路

1、第第10章章 功率放大電路功率放大電路10.1 功率放大電路的特殊問(wèn)題及其分類功率放大電路的特殊問(wèn)題及其分類10.2互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路10.3集成功率放大器集成功率放大器10.4功率管的散熱與二次擊穿功率管的散熱與二次擊穿本節(jié)重點(diǎn)本節(jié)重點(diǎn): :1 1、正確理解乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路放大電路的、正確理解乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路放大電路的分析方法；分析方法；2 2、掌握乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路性能指標(biāo)的計(jì)算。、掌握乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路性能指標(biāo)的計(jì)算。例：例： 擴(kuò)音系統(tǒng)擴(kuò)音系統(tǒng)什么是功率放大電路？什么是功率放大電路？ 在電子系統(tǒng)中，模擬信號(hào)被放在電子系統(tǒng)中，模擬信號(hào)被放大

2、后，往往要去推動(dòng)一個(gè)實(shí)際的負(fù)載。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼大后，往往要去推動(dòng)一個(gè)實(shí)際的負(fù)載。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動(dòng)作、電器動(dòng)作、 儀表指針偏轉(zhuǎn)等。推動(dòng)一個(gè)實(shí)際負(fù)載需要的功率儀表指針偏轉(zhuǎn)等。推動(dòng)一個(gè)實(shí)際負(fù)載需要的功率很大。能夠輸出較大功率的放大電路稱為很大。能夠輸出較大功率的放大電路稱為功率放大電路功率放大電路。電電壓壓放放大大功功率率放放大大信信號(hào)號(hào)提提取取10.1 功率放大電路的特殊問(wèn)題及其分類功率放大電路的特殊問(wèn)題及其分類10.1.1 功率放大電路的特殊問(wèn)題功率放大電路的特殊問(wèn)題10.1.2 功率放大電路的分類功率放大電路的分類1、安全的提供盡可能大的輸出功率、安全的提供盡可能大的輸出功率10.

3、1.1 功率放大電路的特殊問(wèn)題功率放大電路的特殊問(wèn)題MomMomMoMoMo)()(21)()()(IUIUP2、提供盡可能高的功率轉(zhuǎn)換效率、提供盡可能高的功率轉(zhuǎn)換效率CCVoPP例如，某放大電路的效率例如，某放大電路的效率=50%，說(shuō)明電源提供的功率只，說(shuō)明電源提供的功率只有一半轉(zhuǎn)換成輸出功率傳給了負(fù)載，另一半消耗在電路內(nèi)有一半轉(zhuǎn)換成輸出功率傳給了負(fù)載，另一半消耗在電路內(nèi)部。部。 最大輸出功率最大輸出功率是指在正弦輸入信號(hào)下，輸出波形不超過(guò)規(guī)定是指在正弦輸入信號(hào)下，輸出波形不超過(guò)規(guī)定的非線性失真指標(biāo)時(shí)，放大電路最大輸出電壓和最大輸出電的非線性失真指標(biāo)時(shí)，放大電路最大輸出電壓和最大輸出電流有效

4、值的乘積流有效值的乘積。3、允許一定非線性失真、允許一定非線性失真4、分析方法采用圖解法、分析方法采用圖解法5、功率管的散熱和保護(hù)問(wèn)題、功率管的散熱和保護(hù)問(wèn)題6、負(fù)載匹配問(wèn)題、負(fù)載匹配問(wèn)題 功率放大電路是在大信號(hào)下工作，所以不可避免地會(huì)功率放大電路是在大信號(hào)下工作，所以不可避免地會(huì)產(chǎn)生非線性失真。輸出功率和非線性失真是一對(duì)矛盾，但產(chǎn)生非線性失真。輸出功率和非線性失真是一對(duì)矛盾，但可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同來(lái)調(diào)和這對(duì)矛盾?？梢愿鶕?jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同來(lái)調(diào)和這對(duì)矛盾。 功率放大電路工作在大信號(hào)狀態(tài)，不采用微變等效電路功率放大電路工作在大信號(hào)狀態(tài)，不采用微變等效電路法。法。 相當(dāng)大的功率消耗在管子上，為了保證

5、功率管的安全工相當(dāng)大的功率消耗在管子上，為了保證功率管的安全工作，常常要給大功率管加裝散熱片，必要時(shí)還可采用風(fēng)冷、作，常常要給大功率管加裝散熱片，必要時(shí)還可采用風(fēng)冷、水冷、油冷等方式來(lái)散熱。水冷、油冷等方式來(lái)散熱。 為了獲得較大的輸出功率和效率，功率放大電路與負(fù)為了獲得較大的輸出功率和效率，功率放大電路與負(fù)載要匹配。載要匹配。 1按放大信號(hào)頻率分類按放大信號(hào)頻率分類低頻功率放大電路：音頻幾十低頻功率放大電路：音頻幾十Hz 幾十幾十kHz高頻功率放大電路高頻功率放大電路 ：射頻幾百：射頻幾百kHz 幾十幾十MHz2按晶體管導(dǎo)通時(shí)間分類按晶體管導(dǎo)通時(shí)間分類10.1.2 功率放大電路的分類功率放大電

6、路的分類甲類放大電路甲類放大電路 = 360 特點(diǎn)：特點(diǎn)：波形失真小，靜態(tài)電流大，管耗大，效率低。波形失真小，靜態(tài)電流大，管耗大，效率低。乙類放大電路乙類放大電路 = 180 特點(diǎn)：特點(diǎn)：波形失真大，靜態(tài)電流為零波形失真大，靜態(tài)電流為零 ，管耗小，效率高。，管耗小，效率高。甲乙類放大電路甲乙類放大電路180 0 V1 導(dǎo)通，導(dǎo)通，V2 截止截止iC1io = iE1 = iC1, uO = iC1RLui 0 VT1 微導(dǎo)通微導(dǎo)通 充分充分導(dǎo)通導(dǎo)通VT2 微導(dǎo)通微導(dǎo)通 截止截止當(dāng)當(dāng) ui 0 VT2 微導(dǎo)通微導(dǎo)通 充分導(dǎo)通充分導(dǎo)通VT1 微導(dǎo)通微導(dǎo)通 截止截止動(dòng)態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)時(shí)甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大

7、電路的甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的參數(shù)計(jì)算公式同乙類互參數(shù)計(jì)算公式同乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。采用二極管進(jìn)行偏置的缺點(diǎn)是偏置電壓是固定的，不易調(diào)整。采用二極管進(jìn)行偏置的缺點(diǎn)是偏置電壓是固定的，不易調(diào)整。 利用利用UBE擴(kuò)大電路進(jìn)行偏置的互補(bǔ)對(duì)稱電路擴(kuò)大電路進(jìn)行偏置的互補(bǔ)對(duì)稱電路 BE421CE4/1URRU只要適當(dāng)調(diào)節(jié)只要適當(dāng)調(diào)節(jié)R1、R2的比值，就可改變的比值，就可改變VT1、VT2的偏壓值。的偏壓值。 【例例10-5】 在圖所示電路中，已知在圖所示電路中，已知VCC=15V，輸入電壓為正弦波，晶，輸入電壓為正弦波，晶體管的飽和壓降體管的飽和壓降|UCES|=3V，電壓，

8、電壓放大倍數(shù)約為放大倍數(shù)約為l，負(fù)載電阻，負(fù)載電阻RL=4。 （1）求解負(fù)載上可能獲得的最）求解負(fù)載上可能獲得的最大功率和效率。大功率和效率。 （2）若輸入電壓最大有效值為）若輸入電壓最大有效值為8V，則負(fù)載上能夠獲得的最大功，則負(fù)載上能夠獲得的最大功率為多少？率為多少？（3）若）若VT1管的集電極和發(fā)射極管的集電極和發(fā)射極短路，則將產(chǎn)生什么現(xiàn)象短路，則將產(chǎn)生什么現(xiàn)象?【例例10-5】 （1）求解負(fù)載上可能獲得的）求解負(fù)載上可能獲得的 最大功率和效率。最大功率和效率。 V12)V315()(CESCCMomUVUW18W4212)(21)(2L2MomMoRUP%8 .6215124)(4CC

9、MomMVU【例例10-5】 （2）若輸入電壓最大有效值為）若輸入電壓最大有效值為8V，則負(fù)載上能夠獲得的最大功率為多則負(fù)載上能夠獲得的最大功率為多少？少？iouu V8)()(MiMo UUW16W48)()(2L2MoMoRUP【例例10-5】 （3）若）若VT1管的集電極和發(fā)射極短路，管的集電極和發(fā)射極短路，則將產(chǎn)生什么現(xiàn)象則將產(chǎn)生什么現(xiàn)象?CC32CCbeVTVRVCQ2BQ2IIVT2功耗過(guò)大而損壞功耗過(guò)大而損壞 【例例10-6】OCL互補(bǔ)對(duì)稱電路及元件參數(shù)如圖，已測(cè)得互補(bǔ)對(duì)稱電路及元件參數(shù)如圖，已測(cè)得VT1和和VT2管的飽和壓降管的飽和壓降|UCES|=1V 。（1）ui的幅值的幅

10、值Uim為多大時(shí)，為多大時(shí)，RL上可達(dá)到最大不失真輸出電上可達(dá)到最大不失真輸出電壓壓(Uom)M？（2）應(yīng)如何選擇晶體管）應(yīng)如何選擇晶體管VT1、VT2的參數(shù)的參數(shù)ICM，U(BR)CEO？ 7V1)V118()(CESCCMomUVUiii1Fo611060011UUURRUV279. 0V611761)()(MomMimUU解：（解：（1）RL上的最大不失真輸出電壓為上的最大不失真輸出電壓為 A25. 2A818LCCCMRVIV36V1822CC(BR)CEO VU（2）晶體管）晶體管VT1、VT2的參數(shù)為的參數(shù)為 2. OTL甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路CCK2

11、1VU 當(dāng)輸出當(dāng)輸出uo達(dá)到正半周最大幅值時(shí)，要求達(dá)到正半周最大幅值時(shí)，要求K點(diǎn)點(diǎn)電位電位UK接近于接近于+VCC。而實(shí)際上從電源。而實(shí)際上從電源VCC經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)RC1、UBE2的降壓后，的降壓后，UK不可能為不可能為+VCC。 在在ui正半周，正半周，iC2逐漸增大，逐漸增大，iC3逐漸減逐漸減小，小，VT3截止；在負(fù)半周，截止；在負(fù)半周，iC3逐漸增逐漸增大，大，iC2逐漸減小，逐漸減小，VT2截止。截止。 VKVB1 IB1IC1 VC1VK采用負(fù)反饋穩(wěn)定采用負(fù)反饋穩(wěn)定VKD1 、 D2使使b1和和b2之間的電位差等于之間的電位差等于2個(gè)二極管個(gè)二極管正向壓降，克服交越失真正向壓降，克服交

12、越失真。3. 具有自舉電路的具有自舉電路的OTL甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路 具有自舉電路的OTL電路 KCCKC2KC2G21uVuUuuuCCCCCCKGC22121VVVUUUCCCC21VVuK在 之間變化 UG隨輸出電壓上升而自動(dòng)抬高，以增加正半周輸出幅度。隨輸出電壓上升而自動(dòng)抬高，以增加正半周輸出幅度。即使輸出電壓幅度升得很高，也有足夠電流iB2使VT2充分導(dǎo)通，使Uom接近CC21V 10.2.4 OCL準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路 接有泄放電阻的復(fù)合管接有泄放電阻的復(fù)合管 甲、乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的另一個(gè)缺點(diǎn)：對(duì)稱甲、乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率

13、放大電路的另一個(gè)缺點(diǎn)：對(duì)稱管難以匹配的問(wèn)題。管難以匹配的問(wèn)題。準(zhǔn)互補(bǔ)準(zhǔn)互補(bǔ)OCL電路電路 只要選擇合適的電路參數(shù)R1和R2，就可以獲得UBE任意倍數(shù)的直流偏壓，從而適應(yīng)不同功率放大電路對(duì)偏壓的不同要求。 10.3 集成功率放大器集成功率放大器10.3.1 LM386集成功率放大器集成功率放大器10.3.2 其它集成功率放大器其它集成功率放大器集成功率放大器組成：集成功率放大器組成：前置級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)、偏置電路前置級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)、偏置電路集成功率放大器特點(diǎn)：集成功率放大器特點(diǎn)：輸出功率大、效率高輸出功率大、效率高有過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱保護(hù)有過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱保護(hù)1電路組成電路組成 10.3.1

14、 LM386集成功率放大器集成功率放大器1. 8 開路時(shí)，開路時(shí)， Au = 20( (負(fù)反饋?zhàn)顝?qiáng)負(fù)反饋?zhàn)顝?qiáng)) )1. 8 交流短路交流短路 Au = 200( (負(fù)反饋?zhàn)钊踟?fù)反饋?zhàn)钊? )1. 8接接電阻電容電阻電容時(shí)，時(shí)， Au = 50 2LM386的引腳圖及特性的引腳圖及特性 特性：特性： 靜態(tài)功耗低，約為靜態(tài)功耗低，約為4mA，可用于電池供電；可用于電池供電； 工作電壓范圍寬，工作電壓范圍寬，4-12V 或或 5-18V；外圍元件少；外圍元件少；電壓增益可調(diào)，電壓增益可調(diào)，20-200；低失真度；低失真度；當(dāng)電源電壓為當(dāng)電源電壓為12V時(shí)，在時(shí)，在8的負(fù)載情況下，可提供的負(fù)載情況下，

15、可提供幾百幾百mW的功率；的功率；典型輸入阻抗為典型輸入阻抗為50k。 （1）LM386電壓增益最小的接法電壓增益最小的接法3LM386在實(shí)際電路中的應(yīng)用在實(shí)際電路中的應(yīng)用 靜態(tài)時(shí)輸出電容上電壓為靜態(tài)時(shí)輸出電容上電壓為VCC2，LM386的最大不失真的最大不失真輸出電壓的峰輸出電壓的峰-峰值約為電源電壓峰值約為電源電壓VCC。設(shè)負(fù)載電阻為。設(shè)負(fù)載電阻為RL，最大輸出功率表達(dá)式為最大輸出功率表達(dá)式為L(zhǎng)2CCL2CCMo822/)(RVRVP（2）LM386電壓增益最大的接法電壓增益最大的接法（3）LM386的一般接法的一般接法 10.3.2 其它集成功率放大器其它集成功率放大器1SHM1150型

16、集成功率放大器型集成功率放大器2LM4860橋式集成功率放大器橋式集成功率放大器 3D2002小功率通用型集成功率放大器小功率通用型集成功率放大器 (a) D2002外型及管腳外型及管腳 (b) D2002應(yīng)用電路應(yīng)用電路10.4 功率管的散熱與二次擊穿功率管的散熱與二次擊穿10.4.1 功率管的散熱功率管的散熱10.4.2 功率管的二次擊穿功率管的二次擊穿10.4.1 功率管的散熱功率管的散熱1.熱阻：熱阻：阻礙熱的傳導(dǎo)的阻力阻礙熱的傳導(dǎo)的阻力 。sacsjcRRRR2. 晶體管的散熱計(jì)算晶體管的散熱計(jì)算 (a) 齒輪形齒輪形 (b) 指狀形指狀形 (c) 板條形板條形圖圖10-27 散熱器

17、的幾種形狀散熱器的幾種形狀 當(dāng)集電極中產(chǎn)生的熱量與傳輸?shù)街車h(huán)境中的熱量達(dá)到動(dòng)當(dāng)集電極中產(chǎn)生的熱量與傳輸?shù)街車h(huán)境中的熱量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，結(jié)溫就不再上升，其值態(tài)平衡時(shí)，結(jié)溫就不再上升，其值滿足下列熱平衡方程滿足下列熱平衡方程 CajRPTT R為熱阻，為熱阻，Ta為環(huán)境溫度，為環(huán)境溫度，PC為功率管集電極耗散功率為功率管集電極耗散功率 當(dāng)晶體管結(jié)溫功耗達(dá)到最大允許值當(dāng)晶體管結(jié)溫功耗達(dá)到最大允許值TjM RTTPajMCMTa常取常取25 C為基準(zhǔn)，晶體管手冊(cè)中給出的為基準(zhǔn)，晶體管手冊(cè)中給出的PCM是在采用指定是在采用指定尺寸的散熱器并規(guī)定尺寸的散熱器并規(guī)定Ta取取25 C時(shí)的數(shù)值。也就是說(shuō)管子

18、的時(shí)的數(shù)值。也就是說(shuō)管子的型號(hào)一旦確定，則型號(hào)一旦確定，則TjM隨之確定。隨之確定。 10.4.2 功率管的二次擊穿功率管的二次擊穿1. 二次擊穿現(xiàn)象二次擊穿現(xiàn)象2. 二次擊穿產(chǎn)生的原因二次擊穿產(chǎn)生的原因管內(nèi)的結(jié)構(gòu)缺陷，例如結(jié)面不均勻，晶格缺陷。管內(nèi)的結(jié)構(gòu)缺陷，例如結(jié)面不均勻，晶格缺陷。3. 防止二次擊穿的措施防止二次擊穿的措施（1）在設(shè)計(jì)電路時(shí)，要設(shè)法使晶體管工作在安全區(qū)以內(nèi)，）在設(shè)計(jì)電路時(shí)，要設(shè)法使晶體管工作在安全區(qū)以內(nèi)，而且還要留有余地。而且還要留有余地。（2）使用時(shí)要盡量避免產(chǎn)生過(guò)壓和過(guò)流的可能性，不要將）使用時(shí)要盡量避免產(chǎn)生過(guò)壓和過(guò)流的可能性，不要將負(fù)載開路或短路，不要突然加強(qiáng)信號(hào)，

19、同時(shí)不允許電源電負(fù)載開路或短路，不要突然加強(qiáng)信號(hào)，同時(shí)不允許電源電壓有很大波動(dòng)。壓有很大波動(dòng)。（3）采取適當(dāng)?shù)拇胧?。）采取適當(dāng)?shù)拇胧?. 功率放大電路的主要任務(wù)是在非線性失真允許的范圍內(nèi)，功率放大電路的主要任務(wù)是在非線性失真允許的范圍內(nèi)，高效地獲得盡可能大的輸出功率。其主要功能是向負(fù)載提供高效地獲得盡可能大的輸出功率。其主要功能是向負(fù)載提供交流功率，帶動(dòng)一定裝置執(zhí)行動(dòng)作。交流功率，帶動(dòng)一定裝置執(zhí)行動(dòng)作。2. 功率放大電路的特點(diǎn)是信號(hào)的電流和電壓動(dòng)態(tài)范圍大，工功率放大電路的特點(diǎn)是信號(hào)的電流和電壓動(dòng)態(tài)范圍大，工作時(shí)易接近功率管的極限參數(shù)和特性曲線的非線性區(qū)。作時(shí)易接近功率管的極限參數(shù)和特性曲線的非線性區(qū)。3. 甲類功率放大電路的特點(diǎn)是失真小，但因?yàn)樾实?，靜態(tài)甲類功率放大電路的特點(diǎn)是失真小，但因?yàn)樾实?，靜態(tài)功耗高，所以采用乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，其理想情況功耗高，所以采用乙類