《模拟电子电路》PPT课件

4.5 功 率 输 出 级 电 路 休 息 1 休 息 2 返 回 4.5.1 功 率 放 大 器 的 特 点 、 指 标 和 分 类4.5.2 互 补 推 挽 乙 类 功 率 放 大 器4.5.3 其 他 乙 类 推 挽 功 率 放 大 器4.5.4 MOS输 出 级 电 路4.5.5 达 林 顿 组 态 4.5.1 功 率 放 大 器 的 特 点 、 指 标 和 分 类 休 息 1 休 息 2 返 回 1. 功 放 的 特 点 和 指 标(1) 功 率 放 大 器 的 基 本 任 务 是 向 额 定 的 负 载 RL， 输 出 额 定 的 “ 不 失 真 ”信 号 功 率 。 (2) 要 求 电 源 提 供 的 直 流 功 率 尽 可 能 地 转 换 为 负 载 上 的 信 号 功 率 ， 而 其他 各 种 耗 散 功 率 （ 如 管 子 、 电 阻 以 发 热 的 形 式 消 耗 的 功 率 ） 应 尽 可 能 的少 。 定 义 功 率 放 大 器 的 效 率 为 ： EoPP电 源 提 供 的 平 均 总 功 率输 出 信 号 的 平 均 功 率通 常 把 晶 体 管 耗 散 功 率 和 电 路 的 损 耗 功 率 统 称 为 耗 散 功 率 PT， 根 据 能量 守 恒 的 原 则 有 ： PE = Po+PT ， 所 以 功 率 放 大 器 的 效 率 也 可 表 示 为 ： Po (Po +PT)。 (3) 非 线 性 失 真 的 大 小 可 以 用 非 线 性 失 真 系 数 D来 衡 量 。 2om12om32om22om12 3o2 2o1o 3o2oD UUUIIIPPP mm (4) 功 放 中 的 晶 体 管 往 往 工 作 在 接 近 极 限 参 数 状 态 ， 需 要 合 理 选 择 功 放的 电 源 电 压 ， 合 理 选 择 工 作 点 使 其 安 全 工 作 。(5) 由 于 功 放 电 路 工 作 在 大 信 号 状 态 ， 已 不 属 于 线 形 电 路 的 范 围 ， 不 能用 微 变 等 效 电 路 的 分 析 方 法 ， 通 常 采 用 图 解 法 作 粗 略 估 算 。 饱 和 区放 大 区2. 功 率 放 大 器 工 作 状 态 的 分 类 截 止 区ci BEu(1) 甲 （ A） 类 工 作 状 态在 输 入 信 号 的 整 个 周 期 内 晶 体 管 始 终 工 作在 线 性 放 大 区 域 。 饱 和 区 ci BEu截 止 区 静 态 工 作 点 设 置 在 放 大 区 内 ， 但 接 近 截 至 区 ， 在 信 号 的 大 半 周 期 内 三 极 管 导 通 ， 导 通 角 1800 饱 和 区ci截 止 区 BEu饱 和 区 截 止 区 BEuci QQQ Q 3. 甲 类 放 大 器 的 输 出 功 率 电 路 仿 真 返 回 （ 1） 电 源 提 供 的 平 均 功 率 PE为（ 2） 电 路 可 能 的 最 大 交 流 输 出 功 率 POmaxcemcmcemcmomax 2122 UIUIP 最 大 不 失 真 输 出 电 压 、 电 流 的 幅 度 CCESCcem 2121 EUEU CQCEOCQcm IIII CQComax 41 IEP （ 3） 甲 类 功 放 的 最 大 效 率 为25.041Eomacmax PP 4.5.2 互 补 推 挽 乙 类 功 u iic1ic2io =ic1+ic2 电 路 仿 真 返 回 1. 电 路 构 成 及 工 作 原 理 （ 1） 电 路 组 成（ 2） 工 作 原 理 分 析 ： i o=ic1+ic2 1. 电 路 构 成 及 工 作 原 理 死 区 跟随区饱 和 区 饱 和 区跟随区 ou iu电 路 仿 真Uon1Uon2 返 回 =ic1+ic2 1. 电 路 构 成 及 工 作 原 理 电 路 仿 真返 回休 息 2休 息 1 AD =ic1+ic22. 乙 类 互 补 推 挽 放 大 器 的 图 解 分 析 omIomU Q （ 1） 输 出 功 率 ： 休 息 2休 息 1电 路 仿 真EC1/ RLUCES 返 回 ce u ic2 ic1 （ 2） 单 管 最 大 平 均 管 耗 PT1max 休 息 2休 息 1 返 回 （ 3） 直 流 电 源 供 给 的 功 率 PE （ 4） 效 率 休 息 2休 息 1 返 回 （ 5） 最 大 平 均 管 耗 与 最 大 输 出 功 率 的 关 系 以 上 的 结 论 是 传 统 观 点 ， 只 对 非 直 接 耦 合 功 放 适 合 。 但当 信 号 变 化 较 为 缓 慢 时 ， 特 别 对 于 含 有 低 频 的 直 接 耦 合 功 放（ 或 集 成 功 放 ） 来 说 ， 应 该 考 虑 它 的 瞬 时 最 大 管 耗 即 最 大 可能 管 耗 P Cmax 。 休 息 2休 息 1返 回 由 于 单 管 VT1的 瞬 时 功 耗 为 ： Pc= uCEic= (EC-icRL ) ic = ECic -ic2 RL令 dPc / dic= 0, 可 求 得 当 ic=EC/2RL 时 ， 单 管 最 大 可 能 管 耗 为 所 以 PCmax=EC2 / 2RL-EC2 / 4RL=EC2 / 4RL所 以 有 : PCmax = 0.5Pomax 1.变 压 器 耦 合 推 挽 功 放4.5.3 其 他 乙 类 推 挽 功 率 放 大器 返 回休 息 2休 息 1 （ 负 载 折 合 到 初 级 绕 组 上 半 部 分 的 等 效 电 阻 ） u1/ic1 =(N1/N2 )2 uL / iL 而 u1/ ic1=RL； uL /iL= RL RL=(N1 / N2)2RL uiui1ui2iC1i C2iL 1. 变 压 器 耦 合 乙 类 推 挽 功 放 返 回休 息 2休 息 1 电 路 仿 真 2 单 电 源 互 补 推 挽 功 放 只 使 用 一 个 电 源 EC的 NPNPNP互 补推 挽 功 放 ， 简 称 OTL功 放 。 OTL功 放 与 OCL功 放 分 析 方 法 相 同 。 只 要 用 EC 2取 代 关 公 式(4-123)、 (4-126)、 (4-133)中 的 EC ， 就 可 得 OTL功 放 的 各 类 指 标 。 VT1、 R1 、 R2和 Rc 、 Re为 前 置 放 大 器 ； R 、 VD1、 VD2为 VT2和 VT3基 极 提 供 偏置 。 负 载 RL串 联 的 大 电 容 C具 有 隔 直 功 能 ，静 态 时 C被 充 电 至 EC 2。 当 输 入 信 号 时 ， 由 于 大 电 容 C上 的 电压 维 持 EC 2不 变 ， 使 得 VT2和 VT3的 CE回 路 的 等 效 电 源 都 是 EC 2 。 电 路 仿 真 OTL功 放 电 源 供 电 的 物 理 过 程 是 ： VT3导 通 时 ， C经 VT3和 RL回 路 放 电 形 成 电 流 ic3，电 容 储 能 减 小 ； VT2导 通 时 EC供 电 ， 形 成 回路 电 流 ic2， 同 时 对 电 容 C充 电 储 能 ； 流 过 RL的 电 流 应 该 是 ic2与 ic3的 合 成 。 4.5.4 MOS输 出 级 电 路1 . MOS源 极 输 出 电 路 其 中 VT1为 共 漏 极 放 大 管 或 称 源 极 跟 随 器 ，VT2漏 极 与 栅 极 间 短 路 ， 相 当 有 源 负 载 。 ubs1= uds1= -uo， ubs2=0， ugs2= uds2=uo， 于 是 低频 小 信 号 微 变 等 效 电 路 如 图 （ b） 所 示 。 小 信 号电 压 增 益 可 以 表 示 为 m2mb1m1 m1 ds2ds1m2mb1m1 m1u ggg g ggggg g A m2mb1m1ds2ds1m2mb1m1o ggg 1ggggg 1 r ogs1 oiou uu uuuA ds2ds1m2mb1 gs1m1o gggg ugu 2. CMOS互 补 输 出 级 电 路 源 随 器 的 优 点 是 电 路 简 单 ， 输 出 阻 抗 低 ， 失 真 小 ， 缺 点 是效 率 低 ， 且 在 接 负 载 时 正 负 输 出 摆 幅 不 对 称 （ 正 峰 值 电 压 远 小于 ED） 。 在 CMOS集 成 电 路 中 ， 常 见 的 输 出 级 有 工 作 于 甲 乙 类的 互 补 输 出 级 。 甲 乙 类 互 补 输 出 级 的 效 率 高 ， 负 载 能 力 强 ， 适用 于 CMOS工 艺 。 （ 1） 共 漏 CMOS互 补 输 出 级 （ 1） 共 漏 CMOS互 补 输 出 级 偏 置 电 压 UBIAS给 VT1和 VT2提 供 栅 源 偏 置 ， 以 确 定 VT1和 VT2的 静 态 偏置 电 流 ， 使 VT1， VT2偏 置 在 甲 乙 类 工 作 状 态 ， 以 消 除 交 越 失 真 。 图 (b)示 出 了 实 际 电 路 ， VT3， VT4是 VT1和 VT2的 偏 置 电 路 ， 使 VT1，VT2偏 置 在 甲 乙 类 工 作 状 态 ， VT5、 VT6组 成 CMOS推 动 放 大 级 ， 其 中 VT5是 NMOS放 大 管 ， 而 VT6是 PMOS管 作 为 M5的 有 源 负 载 。 主 要 缺 点 是 输 出 电 压 幅 度 Uom 不 够 大 ， 因 Uom可 简 单 的 决 定 于 正 、 负 电源 电 压 减 去 VT1和 VT2的 UGS(th)， 由 于 体 效 应 ， 阈 值 电 压 UGS(th)会 增 加 ， 限制 了 输 出 幅 度 ， 当 UGS(th)的 值 较 大 时 Uom 就 减 少 。 (2) 共 源 CMOS互 补 输 出 电 路 PMOSFET VT1和 NMOSFET VT2构 成 的 共 源 CMOS互 补 输 出 电 路 ， VT1和 VT2的 源 极 与 衬 底 均 短 接 。 VT3为 源 极 跟 随 器 ， VT4为 恒 流 源作 为 VT3的 有 源 负 载 。 VT1的 栅 源 偏 压 UGS1取 决 于 UG3与ED之 差 ， VT2的 栅 源 偏 压 UGS2取 决 于U G2与 -ES之 差 ， 适 当 设 计 UGS1和 UGS2可使 VT1、 VT2的 静 态 电 流 ID1和 ID2很 低 ，工 作 在 甲 乙 类 状 态 。 输 入 正 极 性 电 压 时 ， VT3 的 iD3增 加 ， uS3= uG2增 加 ， 所 以 VT2的 iD2随 之 增加 ； 同 时 ， 由 于 uG3= uG1， 所 以 uGS1减 小 ， 导 致 VT1的 iD1减 小 ； 使 得 RL上 电 压uo向 负 值 方 向 增 加 。 同 理 ， 当 输 入 负 极 性 电 压 时 ， VT1的 iD1增 加 ， 同 时 iD2、iD3均 减 少 ， 直 到 为 零 ， RL上 电 压 uo向 正 值 方 向 增 加 。 共 源 CMOS互 补 输 出 电路 有 一 定 的 电 压 增 益 ， 而 且 可 输 出 较 大 的 负 向 电 压 幅 度 ， 但 其 输 出 电 阻 较 大 。 4.5.5 达 林 顿 组 态 (1) 达 林 顿 组 态 的 基 本 电 路 结 构 休 息 2休 息 1返 回b1c1 ii c1e1b2 iii b21b22c2 iii b21 b21b1c2c1c i iiiii 4.5.5 达 林 顿 组 态 休 息 2休 息 1返 回 等 效 值 高 是 复 合 管 的 优 点 ， 采 用 复 合 管 可 以 获 得 很 高 的 电流 放 大 倍 数 。 但 复 合 管 的 等 效 穿 透 电 流 也 较 大 ， 工 作 点 热 稳 定性 较 差 。 因 而 在 集 成 电 路 中 ， 常 在 复 合 管 内 接 分 流 电 阻 或 分 流恒 流 源 来 改 善 其 性 能 4.5.5 达 林 顿 组 态(2) 复 合 管 的 构 成 条 件 和 特 点 ： 休 息 2休 息 1返 回 ECE E （ 3） 复 合 管 的 应 用 ：常 用 于 输 出 级 ， 下 图 为 用 达 林 顿 管 构 成 的 CC CC放 大 电 路 。 + ou _ Ri 继 续休 息 2休 息 1 ib1 电 路 仿 真 1电 路 仿 真 2 返 回ie2 io ie1=ib2 Ro