第五章功率放大電路

第五章功率放大電路第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三學(xué)習(xí)指導(dǎo)前面已經(jīng)介紹了一些電子電路，經(jīng)過這些電路處理后的信號，往往要送到負載，去驅(qū)動一定的裝置。例如，這些裝置有收音機中揚聲器的音圈、電動機控制繞組、計算機監(jiān)視器或電視機的掃描偏轉(zhuǎn)線圈等。這時我們要考慮的不僅僅是輸出電壓或電流的大小，而且要有一定的功率輸出。這類主要用于向負載提供功率的放大電路常稱為功率放大電路。本章以分析功率放大電路的輸出功率、效率和非線性失真之間的矛盾為主線，逐步提出解決矛盾的措施。第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三主要內(nèi)容：1．功率放大電路的輸出功率、效率和非線性失真之間的關(guān)系。2．乙類、甲乙類功率放大電路的組成、工作原理、各項指標(biāo)的計算及BJT的選擇。學(xué)習(xí)目標(biāo)：

1．熟練掌握如何解決輸出功率、效率和非線性失真三者之間的矛盾；2．要熟練掌握乙類互補對稱功率放大電路的組成、分析計算和功率BJT的選擇；3．正確理解甲乙類互補對稱功放電路的工作原理及計算；4．了解各種功率器件及散熱問題；5．了解集成功率放大器的使用。第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三學(xué)習(xí)方法：

本章是圍繞輸出功率、效率和非線性失真三者之間的矛盾展開討論的，所以：1．必須先弄清為什么要把功率放大電路的靜態(tài)工作點下移，使放大器由甲類變?yōu)橐翌?，又由乙類變?yōu)榧滓翌惖脑颉?．由于乙類、甲乙類放大器的輸出具有明顯的失真，學(xué)生要熟練掌握乙類互補對稱功率放大電路是怎樣解決非線性失真的，即互補對稱電路組成原理。3．抓住輸出的最大幅值，以乙類互補對稱功放為例，掌握功率放大器的分析計算和功率BJT的選擇。4．了解交越失真產(chǎn)生的原因，正確理解甲乙類互補對稱功放電路的工作原理及計算。

第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三

共射放大器共集放大器共基放大器有電壓放大無電壓放大有電壓放大有電流放大有電流放大無電流放大

無論是功率放大電路、電壓放大電路，還是電流放大電路，在負載上都同時存在輸出電壓、電流和功率，上述稱呼上的區(qū)別只不過是它們各自強調(diào)的輸出量不同而已。概述第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三例1：擴音系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)功率放大器的作用：用作放大電路的輸出級，以驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動作、儀表指針偏轉(zhuǎn)等。功率放大電壓放大信號提取第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三例2：溫度控制R1-R3:標(biāo)準(zhǔn)電阻Ua:基準(zhǔn)電壓Rt:熱敏電阻A：電壓放大器RtTUO室溫T

溫度調(diào)節(jié)過程UbUO1uoR1aR2VCC+R3Rt

功率放大b溫控室A+-uo1加熱元件第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三例3：典型的收音機電路變頻低頻中放功放Ic=0.5mAIc=2mAIc=20mAEc=6VPo=30mW電源供給的功率：PDC=EcIc=120mW轉(zhuǎn)換效率：電源供給的能量大多數(shù)以管耗的形式消耗掉，通常功放電路中的工作管必須加散熱片。檢波第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三電壓放大器與功率放大器的區(qū)別：1.任務(wù)不同：

電壓放大—不失真地提高輸入信號的幅度，以驅(qū)動后面的功率放大級，通常工作在小信號狀態(tài)。

功率放大—信號不失真或輕度失真的條件下提高輸出功率，通常工作在大信號狀態(tài)。2.分析方法：電壓放大—采用小信號模型分析法和圖解法功率放大—圖解法第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三5.1功率放大電路的一般問題1.功率放大電路的主要特點

功率放大電路是以輸出較大功率為目的的放大電路。為了獲得盡可能大的輸出功率，必須使

輸出信號電壓大

輸出信號電流大

放大電路的輸出電阻與負載匹配

管子工作在接近極限狀態(tài)

一般直接驅(qū)動負載，帶載能力要強。第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三2.功率放大電路中的一些特殊問題(1)要求盡可能大的輸出功率。管子工作在極限工作狀態(tài)。(2)效率=負載得到的有用信號功率Po電源供給的直流功率PDC(3)非線性失真要小。在大信號狀態(tài)工作必然引起信號失真，這就存在增大輸出功率和信號失真之間的矛盾，這就要求在電路結(jié)構(gòu)上進行改進，盡可能地提高輸出功率并減小非線性失真。(4)半導(dǎo)體三極管散熱的問題3.提高效率的途徑降低靜態(tài)功耗，即減小靜態(tài)電流。第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三4.三種工作狀態(tài)三極管根據(jù)正弦信號整個周期內(nèi)的導(dǎo)通情況，可分為以下幾個工作狀態(tài)：乙類：導(dǎo)通角等于180°甲類：一個周期內(nèi)均導(dǎo)通甲乙類：導(dǎo)通角大于180°丙類：導(dǎo)通角小于180°#

用哪種組態(tài)的電路作功率放大電路最合適？動畫一第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三互補對稱功放的類型無輸出變壓器形式（OTL電路）無輸出電容形式（OCL電路）OTL:OutputTransformerLessOCL:OutputCapacitorLess互補對稱：電路中采用兩支晶體管，NPN、PNP各一支；兩管特性一致。類型：5.互補對稱功率放大電路的分類第13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三5.2.1乙類雙電源互補對稱功率放大電路1.電路組成由一對NPN、PNP特性相同的互補三極管組成，采用正、負雙電源供電。這種電路也稱為OCL互補功率放大電路。2.工作原理兩個三極管在信號的正、負半周輪流導(dǎo)通，使負載得到一個完整的波形。

無輸出電容的互補對稱功放電路（OCL電路）第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三ic1ic2動態(tài)分析：(忽略導(dǎo)通壓降）vi

0VT1截止，T2導(dǎo)通vi>0VT1導(dǎo)通，T2截止iL=ic1

;vi-VCCT1T2vo+VCCRLiLiL=ic2T1、T2兩個晶體管都只在半個周期內(nèi)工作的方式，稱為乙類放大。因此，不需要隔直電容。靜態(tài)分析：vi=0VT1、T2均不工作

vo=0V第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三ic1uBEIcm1Qic2uBEIcm2QQ動畫二第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三3.分析計算（1）最大不失真輸出功率Pomax實際輸出功率Po第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三3.分析計算單個管子在半個周期內(nèi)的管耗（2）管耗PT兩管管耗最大管耗與最大輸出功率的關(guān)系選管依據(jù)之一第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三3.分析計算（3）電源供給的功率PV當(dāng)（4）效率當(dāng)?shù)?9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三4、功率管極限參數(shù)限制VcmiL-VCCRLviT1T2Vo+VCC由得第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三

無輸出變壓器的互補對稱功放電路（OTL電路）一、特點1.單電源供電；2.輸出端有大電容。二、靜態(tài)分析則T1、T2特性對稱，令：0.5VCCRLviT1T2+VCCCAvL+-VC5.2.2乙類單電源互補對稱功率放大電路第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三三、動態(tài)分析(忽略導(dǎo)通壓降）設(shè)輸入端在0.5VCC直流電平基礎(chǔ)上加入正弦信號。若輸出電容足夠大，VC基本保持在0.5VCC，負載上得到的交流信號正負半周對稱，但存在交越失真。ic1ic2交越失真RLviT1T2+VCCCAUL+-時，T1導(dǎo)通、T2截止；時，T1截止、T2導(dǎo)通。0.5VCCvit第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三四、輸出功率及效率若忽略交越失真的影響，且vi幅度足夠大。則：VOVOmaxvitt第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三5.3甲乙類互補對稱功率放大電路乙類互補對稱電路存在的問題

當(dāng)輸入信號在0~Vbe之間變化時，不足以克服死區(qū)電壓，三極管不導(dǎo)通。因此在正、負半周交替過零處會出現(xiàn)一些非線性失真，稱之為交越失真。動畫三第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三乙類放大的輸入輸出波形關(guān)系:vi-VCCT1T2vo+VCCRLiL死區(qū)電壓ViVoV"oV′o

tttt交越失真iBiBuBEtuitUT第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三5.3.1甲乙類雙電源互補對稱電路1.靜態(tài)偏置可克服交越失真2.動態(tài)工作情況二極管等效為恒壓模型#

在輸入信號的整個周期內(nèi)，兩二極管是否會出現(xiàn)反向偏置狀態(tài)？理想二極管設(shè)T3已有合適的靜態(tài)工作點第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三5.3.1甲乙類雙電源互補對稱電路VBE可認(rèn)為是定值R1、R2不變時，VCE也是定值，可看作是一個直流電源

功放指標(biāo)的分析計算利用乙類雙電源互補對稱功放的有關(guān)公式近似。第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三5.3.2甲乙類單電源互補對稱電路1.靜態(tài)偏置2.動態(tài)工作情況

調(diào)整R1、R2阻值的大小，可使此時電容上電壓#

在怎樣的條件下，電容C才可充當(dāng)負電源的角色？此電路存在的問題：K點電位受到限制動畫四RLC足夠大第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三3.帶自舉電路的單電源功放自舉電路自舉電路靜態(tài)時C3充電后，其兩端有一固定電壓動態(tài)時C3充當(dāng)一個電源#

在怎樣的條件下，電容C3才能起到電源的作用？R3C3足夠大第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三調(diào)節(jié)R,使靜態(tài)VAQ=0.5VCCD1、D2使b1和b2之間的電位差等于2個二極管正向壓降，克服交越失真。Re1、Re2：電阻值1~2，射極負反饋電阻，也起限流保護作用。D1D2vi+VCCRLT1T2T3CRBRe1Re2b1b2A4.實用OTL互補輸出功放電路第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三小結(jié)1、功率放大電路是在大信號下工作，通常采用圖解法進行分析。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。2、與甲類功率放大電路相比，乙類互補對稱功放的主要優(yōu)點是效率高，在理想情況下，其最大效率約為78.5%。為保證BJT安全工作，雙電源互補對稱電路工作在乙類時，器件的極限參數(shù)必須滿足：PCM＞PT1≈0.2Pom，|V(BR)CEO|＞2VCC，ICM＞VCC/RL。第31頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三3、由于BJT輸入特性存在死區(qū)，工作在乙類的互補對稱電路將出現(xiàn)交越失真。常利用二極管或VBE擴大電路進行偏置的甲乙類互補對稱電路克服失真。4、在單電源互補對稱電路中，計算輸出功率、效率、管耗和電源供給的功率，可借用雙電源互補對稱電路的計算公式，但要用VCC/2代替原公式中的VCC。5、在集成功放獲得廣泛應(yīng)用的同時，大功率器件也發(fā)展迅速，主要有達林頓管、功率VMOSFET和功率模塊。為了保證器件的安全運行，可從功率管的散熱、防止二次擊穿、降低使用定額和保護措施等方面來考慮。

小結(jié)第32頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三重點難點重點：(1)功率放大電路的特殊問題。(2)乙類互補對稱功率放大電路的組成、計算及功放BJT的選擇。第33頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三功率放大電路自學(xué)提綱