模擬電子技術(shù)第四章20130923

第四章功率放大電路4.1功率放大電路的主要特點(diǎn)

功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。因此，要求同時輸出較大的電壓和電流。管子工作在接近極限狀態(tài)。

一般直接驅(qū)動負(fù)載，帶載能力要強(qiáng)。

“功率放大”是將功率直接放大嗎？

功率是不可能被直接放大的，功率放大的本質(zhì)是實現(xiàn)能量的控制。由于輸入的小信號能量比較小，不能直接驅(qū)動負(fù)載，因此功率放大電路中需設(shè)置另外的能量源，由小信號的輸入量來控制該能源，從而向負(fù)載提供較大的能量。可見所謂“功率放大”，實質(zhì)上仍然是小能量對大能量的控制。功率放大電路一般作為輸出級，直接連接負(fù)載因而要求放大電路有足夠大的輸出功率。（一般不要求有很大的電壓放大倍數(shù)，電路的電壓放大倍數(shù)由前置的電壓放大級提供。）1.根據(jù)負(fù)載要求，提供足夠的輸出功率。最大輸出功率Pom

：在正弦輸入信號下，輸出波形不超過規(guī)定的非線性失真指標(biāo)時，放大電路最大輸出電壓和最大輸出電流有效值的乘積。21UcemIcm=

2·Icm2Pom=Ucem共射接法下一、對放大電路的要求下頁上頁首頁式中po

為放大電路輸出給負(fù)載的功率，而pv

為直流電源VCC所提供的功率。popvη=放大電路的效率可表示為2.具有較高的效率。下頁上頁首頁功率放大電路輸出給負(fù)載的功率是由電路中的直流電源提供的，在將直流電源功率轉(zhuǎn)換成所需的交流功率時，存在轉(zhuǎn)換效率的問題。如果轉(zhuǎn)換效率不高，不僅會造成能量浪費(fèi)，而且浪費(fèi)的電能將轉(zhuǎn)化成熱能，使放大電路內(nèi)部元件發(fā)熱，從而損壞管子。3.當(dāng)功率放大電路工作時，應(yīng)防止三極管的工作點(diǎn)超出安全工作區(qū)的范圍。選用放大三極管時，極限參數(shù)應(yīng)留有一定的余地。并根據(jù)手冊安裝合適的散熱器。下頁上頁二、放大電路中三極管的工作狀態(tài)1.功放電路中，三極管工作在大信號狀態(tài)，使得管子的特性曲線的非線性問題充分暴露出來。首頁2.電源提供的功率除了消耗在負(fù)載上外，其余部分基本消耗在放大管上，應(yīng)使管消耗功率盡可能小。為此通常使管在靜態(tài)時工作在臨界導(dǎo)通，甚至截止?fàn)顟B(tài)，使其直流功耗趨于零。從這一點(diǎn)看，前述各電路均不適合做功放。在功率放大電路中，由于三極管的工作點(diǎn)在大范圍內(nèi)變化，因此，對電路進(jìn)行分析時，一般不能采用微變等效電路法，常采用圖解法分析放大電路的靜態(tài)和動態(tài)工作情況。下頁上頁三、放大電路的分析方法在考慮電路的具體形式時，主要應(yīng)注意使放大電路具有足夠的輸出功率和較高的效率，并盡量減小輸出波形的非線性失真。首頁四、功率放大電路VS

電壓放大電路電壓放大電路功率放大電路對電路的要求提供比較大的電壓放大倍數(shù)提供足夠的輸出功率表征放大電路性能的主要指標(biāo)電壓放大倍數(shù)，輸入電阻，輸出電阻等最大輸出功率和效率等工作狀態(tài)小信號微變狀態(tài)大信號分析方法微變等效電路法和圖解法圖解法傳統(tǒng)的功率放大電路變壓器耦合式變壓器耦合推挽功率放大電路T1：輸入變壓器T2：輸出變壓器當(dāng)u1為正半周時，VT1導(dǎo)電，VT2截止當(dāng)u1為負(fù)半周時，VT2導(dǎo)電，VT1截止缺點(diǎn)：變壓器體積龐大，消耗有色金屬，高、低頻相移，自激振蕩，無法集成。本章主要介紹直接耦合方式的互補(bǔ)對稱式功率放大電路。VT1和VT2接成對稱形式。三種工作狀態(tài)

三極管根據(jù)正弦信號整個周期內(nèi)的導(dǎo)通情況，可分為幾個工作狀態(tài)：ICUCEOQiCtOICUCEOQiCtOICUCEOQiCtO甲類工作狀態(tài)晶體管在輸入信號的整個周期都導(dǎo)通靜態(tài)IC較大，波形好,管耗大效率低。乙類工作狀態(tài)晶體管只在輸入信號的半個周期內(nèi)導(dǎo)通，靜態(tài)IC=0，波形嚴(yán)重失真,管耗小效率高。甲乙類工作狀態(tài)晶體管導(dǎo)通的時間大于半個周期，靜態(tài)IC0，一般功放常采用。R1

和R2確定放大電路的靜態(tài)電位。2

VCC調(diào)整R1

和

R2的值，使靜態(tài)時兩管的發(fā)射極電位為2

VCC電容C2兩端的電壓也等于動態(tài)時電容兩端的電壓保持0.5VCC的數(shù)值基本不變。R2+R1+VCCC2-VT1NPNuIuOVT2PNPRLOTL乙類互補(bǔ)對稱電路C1+4.2互補(bǔ)對稱式功率放大電路4.2.1電路組成和工作原理OTL（OutputTransformerLess）otic1otic2otiLotui交越失真iC1iC2iLui>0時VT1導(dǎo)通VT2截止。ui<0時VT2導(dǎo)通VT1截止。iL=iC1–iC2R2+R1+VCCC2-VT1NPNuiuOVT2PNPRLC1+u1幅度小于死區(qū)電壓時，兩管都不導(dǎo)電。在VT1、VT2輪流導(dǎo)電的交界處，將有一段時間兩個三極管均截止。交越失真這種情況導(dǎo)致iL和uo的波形發(fā)生失真。R2+R1+VCCC2-VT1NPNuIuOVT2PNPRLOTL乙類互補(bǔ)對稱電路C1+由于不使用變壓器，VT1和VT2輪流導(dǎo)電，每管導(dǎo)電角180°，二者電流互補(bǔ)，結(jié)構(gòu)對稱，故稱為OTL乙類互補(bǔ)對稱電路。優(yōu)點(diǎn)：靜態(tài)功耗為零，效率高缺點(diǎn)：交越失真R2+R1+VCCC2-VT1NPNuIuOVT2PNPRLOTL乙類互補(bǔ)對稱電路C1+思路：避免兩個管子同時截止?？紤]在VT1，VT2的基極之間，接入電阻R和兩個二極管VD1和VD2。R2+R1+VCCC2-VT1NPNuIuOVT2PNPRLOTL乙類互補(bǔ)對稱電路C1+R2R1ui++VCCC1-VT1NPNuoVT2PNP2VCCRLVD1VD2b1b2R+OTL甲乙類互補(bǔ)對稱電路如何改進(jìn)？VCC/2VCC/2-0.7VVCC/2+0.7VOTL甲乙類互補(bǔ)對稱電路兩管輪流導(dǎo)通的導(dǎo)通角大于180°，因此導(dǎo)電的交替過程比較平滑，最終得到的iL和u0的波形接近理想的正弦波，減小了交越失真。這種電路成為OTL甲乙類互補(bǔ)對稱電路。優(yōu)點(diǎn)：效率高，失真小。在實際工作中廣泛應(yīng)用。缺點(diǎn)：大電容，低頻率失真，高頻相移，無法集成。OCL互補(bǔ)對稱電路

省去大電容，VT1、VT2的發(fā)射極直接與負(fù)載相連，電路中采用正負(fù)兩路電源，保證射極之間直流電位為0。優(yōu)點(diǎn)：無電容，改善了低頻響應(yīng)，易集成。

缺點(diǎn)：靜態(tài)工作點(diǎn)如果失調(diào)，將造成大電流通過負(fù)載，一般負(fù)載回路使用保險絲。直流電位保持為零4.2.2互補(bǔ)對稱電路主要參數(shù)的估算NPN型三極管VT1的輸出特性曲線位于圖中左上方PNP型三極管VT2的輸出特性曲線位于圖中右下方靜態(tài)時，OCL乙類互補(bǔ)對稱電路中兩個三極管的集電極電流均為零，兩管的集電極電壓分別為uCE1=Vcc，uCE2=-Vcc兩管的靜態(tài)工作點(diǎn)均在橫坐標(biāo)上的Q點(diǎn)處。靜態(tài)工作點(diǎn)1、OCL互補(bǔ)對稱電路主要參數(shù)的估算最大輸出功率集電極最大電壓為集電極最大電流為最大輸出功率當(dāng)滿足條件uCES<<VCC時，可將上式中uCES忽略，可得Ucem功率三角形LCESccLcemcmcemomRUVRUIUP2)(22122-===LccomRVP22?CEScccemUVU-=LCESccLcemcmRUVRUI-==

效率

當(dāng)輸出最大功率時，放大電路的效率等于最大輸出功率Pom與直流電源提供的功率PV之比。當(dāng)忽略飽和壓降uCES時

考慮三極管的飽和管壓降，則OCL乙類和甲乙類互補(bǔ)對稱電路的效率將低于此值。LVcmCCcmCCVRVPIVtdtIVPCCππππ2022)()sin(1?==òww78.5%42222==?=ππLCCLCCVomRVRVPPh功率三極管的極限參數(shù)1、集電極最大允許電流ICM選擇功率三極管時，集電極最大允許電流應(yīng)為：2、集電極最大允許反向電壓U（BR）CEO

兩個三極管集電極電壓值和等于2VCC，當(dāng)|uCE2|的值最小時，VT1的集電極電壓達(dá)到最大。此時uCE1≈2VCC。功率三極管的集電極最大允許反向電壓應(yīng)為LCCLCESCCcmRVRUVI?-=LCCCMRVI>CCCEOBRVU2)(>功率三極管的極限參數(shù)3、集電極最大允許耗散功率PCM

在OCL互補(bǔ)對稱電路中，直流電源提供的功率PV，一部分轉(zhuǎn)換成輸出功率Po傳送給負(fù)載，另一部分則消耗在功率三極管內(nèi)部，成為三極管的耗散功率PT，使管子發(fā)熱。

三極管的最大管耗大約等于最大輸出功率的五分之一。在選擇功率三極管時，集電極最大允許耗散功率應(yīng)為：在實際工作中選用功率三極管時，應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗟亍mLCCTmPRVP2.022?=πomCMPP2.0>4.2.2互補(bǔ)對稱電路主要參數(shù)的估算兩管的靜態(tài)工作點(diǎn)均在橫坐標(biāo)上的Q點(diǎn)處。靜態(tài)工作點(diǎn)2、OTL互補(bǔ)對稱電路主要參數(shù)的估算

在靜態(tài)時，乙類或甲乙類互補(bǔ)對稱電路中兩個三極管集電極電流均等于零或接近于零。OTL和OCL的主要區(qū)別：

集電極電壓uCE1=Vcc/2,uCE2=-Vcc/2,靜態(tài)工作點(diǎn)Q時的集電極電壓Vcc/2,而不是Vcc最大輸出功率集電極最大電壓為集電極最大電流為最大輸出功率當(dāng)滿足條件uCES<<VCC時，可將上式中uCES忽略，可得Ucem功率三角形CEScccemUVU-=2LCESccLcemcmRUVRUI-==2LCESccLcemcmcemomRUVRUIUP2)2(22122-===LccomRVP82?

效率OTL互補(bǔ)對稱電路中，直流電源提供的功率為當(dāng)忽略飽和壓降uCES時OTL互補(bǔ)對稱電路的效率與OCL電路相同LVcmCCcmCCVRVPIVtdtIVPCCππππ2)()sin(1220===òww78.5%42822==?=ππLCCLCCVomRVRVPPh功率三極管的極限參數(shù)1、集電極最大允許電流ICM選擇功率三極管時，集電極最大允許電流應(yīng)為2、集電極最大允許反向電壓U（BR）CEO

兩個三極管集電極電壓值和等于VCC，當(dāng)|uCE2|的值最小時，VT1的集電極電壓達(dá)到最大。此時uCE1≈VCC。功率三極管的集電極最大允許反向電壓應(yīng)為LCCLCESCCcmRVRUVI22?-=LCCCMRVI2>CCCEOBRVU>)(功率三極管的極限參數(shù)3、集電極最大允許耗散功率PCM

通過分析可以證明，在OTL互補(bǔ)對稱電路中，當(dāng)忽略三極管的UCES時，每個三極管的最大管耗為：

三極管的最大管耗大約