②輸出特性圖16-111-N溝道增強型MOS管輸出特性

§16-8互補對稱功率放大器一.對功率放大器的基本要求1.功放的任務(wù):輸出足夠大的功率供給負載。根據(jù)信號頻率的不同，功率放大器分低頻（音頻）功放高頻（射頻）功放本節(jié)是講低頻功率放大器。根據(jù)用途不同，它的負載也不同，如揚聲器，電動機，繼電器等，功率放大器往往是整個放大系統(tǒng)的最后一級，故常稱末級或輸出級。圖16-87擴音機方框圖（功放應(yīng)用實例）2.基本要求包含三個方面:①.在不失真條件下輸出盡可能大的功率。②.效率高。功率放大器往往是整個電子設(shè)備定義:功放效率

=負載獲得的交流信號功率(P0)電源提供的直流功率(PE)(16-72)功率的主要消耗者，為了減小功耗，功放效率應(yīng)盡量的高。集電極功率損耗PC=PE-PO圖16-88功率放大器效率③.安全工作末級放大器交流信號電壓(電流)都很大，相應(yīng)的直流電壓(電流)也大，管子容易損壞。為了保證安全工作，管子動態(tài)范圍不應(yīng)超出由極限參數(shù)（PCM，U（BR）CE0，ICM）限定的安全工作區(qū)。3.工作狀態(tài)的選擇放大管的工作狀態(tài)分為甲類，甲乙類，乙類等，如圖16-89所示。第(62)頁功放如選甲類工作狀態(tài)，放大器效率較低，這是因為甲類時，，電源供給的直流功率不論有無交流輸入信號，直流電源均需提供這一功率，甲類工作點取得很高，ICQ很大，所以PE也大。而且處于放大區(qū)，電流通角

=360

，小信號電壓放大器就屬于此類工作狀態(tài)。甲類:在交流信號的一個周期內(nèi)，管子均有電流，甲乙類:

介于甲類于乙類之間，180

<

<360。乙類:交流信號半個周期管子導(dǎo)通，另半個周期管子截止，電流通角只有一半，即

=180。而乙類工作狀態(tài)，ICQ=0，靜態(tài)時電源不需要消耗功率，僅當激勵信號加入，集電極出現(xiàn)脈沖電流，直流電源才需提供直流功率（式中,IC是集電極脈沖電流的直流分量），從而節(jié)省了電源功率，提高了效率，可以證明甲類功放的最高效率只能達到50%，要提高效率，功放應(yīng)采取乙類工作狀態(tài)，但是乙類工作需要解決波形失真問題。小信號電壓放大器由于工作點電流很小，功耗很小，不需要考慮效率問題，故采用甲類工作。二.互補對稱功率放大電路1.工作原理①.結(jié)構(gòu)特點:上下對稱，但T1，T2管子類型不同:T1，NPN，正電源供電T2

，PNP，負電源供電發(fā)射極共用負載RL，對于揚聲器RL=4

，8

，16

②.靜態(tài)分析靜態(tài)時ui

=0，B點電位UB

=0；揚聲器RL直流電阻很小，可認為短路，故A點電位UA=0，因而T1，T2的UBEQ=0，兩管均屬乙類工作狀態(tài)，靜態(tài)無電流。假定T1，T2具有圖16-91所示理想特性，在交流正弦信號激勵下，正半周，T1導(dǎo)通，T2截止；負半周，T2導(dǎo)通，T1截止，正負半周的等效電路分別如圖16-92(a)及(b)所示。③.動態(tài)分析第(63)頁圖16-93是電壓電流波形圖。結(jié)論:互補對稱功率放大器實質(zhì)上是兩個共集電極放大器(射極輸出器)的組合，這兩個共集放大器所用放大管的類型不同，所以在同一信號激勵下，可以輪流交替導(dǎo)通，實現(xiàn)互補，在負載RL上獲得完整的正弦波，解決了乙類工作波形失真問題。需要說明：共集放大器雖然沒有電壓放大作用，但有電流放大，因而存在功率放大，共集放大器很低的輸出電阻使它便于和負載RL匹配。在不失真條件下，放大器加入最大激勵信號時，放大管的工作狀態(tài)，如圖16-94所示，由圖可見，最大輸出電壓幅值：式中，UCES是三極管飽和壓降，約0.3伏左右，一般可以忽略，故(16-73)最大輸出電流幅值(16-74)于是互補對稱功率放大器的最大不失真輸出功率(理想值)為：(16-75)半個正弦波的集電極脈沖電流，其直流分量由頻譜分析求得為:兩個電源供給的直流功率放大器效率(16-76)(16-77)圖16-90是正負電源供電的放大電路，負載RL與放大器之間直接耦合。為簡化電源，可實施單電源供電，為防止短路，RL與放大器之間必須采用電容耦合，CL對音頻信號視為短路，其上直流壓降就是UA。單電源供電的互補對稱功放一般稱為OTL電路，雙電源供電的，稱為OCL。2.單電源供電互補對稱功率放大器如圖16-95所示。單電源供電時，A點直流電位（稱為中點電位）。信號輸入端的直流電位UB應(yīng)等于UA，使T1，T2仍為乙類工作狀態(tài)。第(64)頁單電源供電互補對稱功率放大器的電流電壓波形

圖16-96是在不失真條件下，輸入端加上最大激勵信號時，OTL電路的電壓電流波形。由圖可見，最大輸出電壓幅值最大輸出電流幅值最大不失真輸出功率（理想值）（16-78）（16-79）（16-80）圖16-96最大不失真輸出狀態(tài)下集電極半正弦波脈沖電流的直流分量（即直流電源電源電流的平均分量）：電源供給的直流功率放大器效率帶有推動級的OTL電路示于圖16-98，推動級T3工作于甲類狀態(tài)，基極偏壓來自中點電位（A點）經(jīng)偏置電阻R1送至基極。調(diào)節(jié)R1使T3集電極靜態(tài)電位近于，R1產(chǎn)生交直流負反饋，使電路穩(wěn)定。在最大不失真輸出時，圖16-98電路各點交流電壓波形如圖16-99所示。在t1時刻，激勵信號ui瞬時值最大，T3瞬時電流ic3也最大，T3充分飽和，CE之間近于短路，因而其集電極（B點）電位降至零，導(dǎo)致T1截止，T2充分飽和，T2管CE之間近于短路，于是A點電位也降至零；輸出電容CL上的電壓瞬間加在負載RL上，使輸出電壓瞬時值等于。第(65)頁

在t3時刻，激勵信號瞬時值達到負的峰值，T3截止，B點瞬時電位升至接近UCC（如果忽略基極電流IB1在R3上的電壓降），T1充分飽和導(dǎo)通，T2完全截止，電源電壓UCC經(jīng)T1加在A點上，于是輸出電壓u0瞬時值等于。3.OTL電路的改進①.改善輸出波形以上交流波形的分析是假定三極管具有理想的折線特性(圖16-91)，但實際的輸入特性存在死區(qū)電壓UBE，如圖16-100所示。互補對稱功放如果工作在乙類狀態(tài)，當輸入電壓瞬時值小于死區(qū)電壓時，晶體管基本上截止，因此在這段區(qū)域內(nèi)輸出為零。致使兩管的集電極電流均小于半個周期的正弦波，在RL中的合成電流將為正負半周期不能相互銜接的失真波形，通常將這種失真稱為交越失真。圖102甲乙類工作的互補對稱功放及推動級為了改善波形，可采用甲乙類工作狀態(tài)，給互補對稱放大管加一小的正向偏壓，使靜態(tài)工作點稍高于截止點（避開死區(qū)段），如圖16-101所示。

圖16-102則是具體電路，T3集電極靜態(tài)電流流經(jīng)R4所產(chǎn)生的電壓降為T1.T2兩管提供稍大于（UBE1+UBE2）的偏置電壓。電阻R4亦可由兩個二極管或三極管代替。②.增加輸出功率根據(jù)式(16-75)及式(16-80)互補對稱功率放大器的最大不失真輸出功率(OCL)(OTL)

P0ma

=由上式可見，要提高

Pomax，必須提高電源電壓或者降低負載阻抗，若提高UCC勢必使電源復(fù)雜，整機重量增加，因此在晶體管設(shè)備中，常采用降低負載(揚聲器)阻抗的辦法。但是負載電流的峰值等于采用低阻抗負載，勢必要求晶體管輸出更大電流。第(66)頁(2)輸出電流峰值Iom解:(2)(1)瓦(3)倍目前大功率三極管

≤(200～300)倍，互補輸出管T1或T2靠一個管子無法滿足上述要求，必須采用圖16-103所示復(fù)合管。例16-19已知:OTL電路UCC=20伏，RL=4

，求:(1)Pomax(3)若基極激勵電流幅值Ibm=2.5mA，求輸出互補管應(yīng)具有的電流放大倍數(shù)

圖中T1是小功率管，T2是大功率管，NPN-NPN的復(fù)合是等效NPN管，PNP-NPN的復(fù)合是等效PNP管，復(fù)合管可以看成一個大電流放大倍數(shù)的三極管，其等效集電極電流(以NPN-NPN復(fù)合為例):復(fù)合管的電流放大倍數(shù)(16-81)采用復(fù)合管不僅提高了電流放大倍數(shù)，而且解決了大功率管的配對問題。圖16-104是由復(fù)合管構(gòu)成的0TL電路，T3和T4是同類型（均為NPN大功率）的管子，參數(shù)容易一致。CO,RO是“自舉電路”它可以減少R3對OTL輸入激勵信號的分流作用,增加OTL電路的輸出.第(67)頁各元件作用如下：R6

，R7

——將復(fù)合管的第一管子（T1

，T2）穿透電流分流，提高工作點熱穩(wěn)定性。R4

，D1

，D2——

給復(fù)合管提供小的正向偏壓，使其工作于甲乙類狀態(tài)，克服交越失真。R8

，R9

——電流負反饋，改善波形，但使輸出功率降低，故數(shù)值不能大，一般零點幾個歐姆。R1*——T5上偏置電阻，交直流負反饋，調(diào)節(jié)中點電位，使靜態(tài)時CL

——輸出耦合電容，隔直流。該電容容量盡可能大，以免產(chǎn)生低頻失。到目前為至，我們討論的三極管是屬于雙極型晶體管（BipolarJunctiontransistor)，這種電子器件的缺點是：Ri太低，動態(tài)范圍小，溫度系數(shù)大。場效應(yīng)管（FET）的優(yōu)點則是：Ri高，動態(tài)范圍大，熱穩(wěn)定性好，噪聲低，抗輻射能力強，制造工藝簡單。但易損壞，跨導(dǎo)gm小。場效應(yīng)管分為兩大類：結(jié)型場效應(yīng)管（JunctionFET）和絕緣柵場效應(yīng)管（MetalOxideSemiconductorFET）?！?16-10場效應(yīng)管（FieldEffectTransistor)及其放大電路1.偏置特點一.結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)又分為N溝道JFET和P溝道JFET兩種。圖16-103BJT與JFET偏置的對照2.JFET工作原理我們以N溝道JFET為例說明工作原理。

JFET仍是一種以PN結(jié)為基礎(chǔ)構(gòu)成的特殊半導(dǎo)體器件。它利用反向偏置電壓UGS使空間電荷區(qū)厚度改變，引起基區(qū)有效寬度W跟著改變，結(jié)果導(dǎo)致基區(qū)縱向半導(dǎo)體體電阻RDS變化，控制漏極電流ID，實現(xiàn)放大作用。第(68)頁3.JFET的特性①.轉(zhuǎn)移特性表示以UDS為參變量的ID~UGS的關(guān)系?？梢宰C明：式中，UGS（off）稱為夾斷電壓，IDSS稱為漏極飽和電流。圖16-106N溝道JFET轉(zhuǎn)移特性②.輸出特性表示ID~UDS的關(guān)系，以UGS為參變量。二.MOSFETMOSFET管有四種類型:MOSFETN溝P溝增強型耗盡型增強型耗盡型圖16-106N溝道JFET輸出特性1.結(jié)構(gòu)及工作原理以N溝道增強型MOSFET為例，說明其結(jié)構(gòu)原理，如圖16-107所示。當UGS=0，即使加有UDS，漏極不會有電流；加上柵極電壓UGS后，柵極絕緣層下面空穴將減少，而電子增多。如果UGS足夠大，一旦電子濃度超過空穴濃度，表面區(qū)域的P型半導(dǎo)體就轉(zhuǎn)變?yōu)镹型半導(dǎo)體（稱為反型層），反型層的出現(xiàn)相當于在n+之間，架起了一座導(dǎo)電的“橋”（稱為導(dǎo)電溝道），于是就出現(xiàn)了電流ID。圖16-107顯然，UGS越大，反型層中電子越多，N溝道越厚，導(dǎo)電能力越強，ID越大。實現(xiàn)了柵極電壓UGS對漏極電流ID的