模拟电子技术高职层次

书 名 ： 模 拟 电 子 技 术ISBN： 978-7-111-30126-4作 者 ： 刘 吉 来出 版 社 ： 机 械 工 业 出 版 社本 书 配 有 电 子 课 件 第 三 章 功 率 放 大 器3.1 功 率 放 大 器 的 特 点 和 种 类 3.2 互 补 推 挽 功 率 放 大 器3.3 其 它 类 型 推 挽 功 率 放 大 器3.4 功 率 放 大 器 的 保 护 电 路3.5 功 率 放 大 器 应 用 实 例 3.1 功 率 放 大 器 的 特 点 和 种 类 电 压 放 大 器 的 主 要 要 求 是 ： 电 压 放 大 倍数 要 尽 可 能 大 、 较 大 的 输 入 和 较 小 的 输 出 电阻 等 ， 主 要 作 用 是 放 大 电 压 ， 而 输 出 的 功 率并 不 一 定 大 。 功 率 放 大 器 电 路 的 要 求 是 ： 输 出 功 率 要尽 可 能 大 、 效 率 要 高 、 非 线 形 失 真 要 小 。 主要 作 用 是 放 大 功 率 ， 而 输 出 的 电 压 并 不 一 定最 大 。 3.1.1功 率 放 大 器 的 特 点1.要 求 输 出 功 率 PO 尽 可 能 大 2. 效 率 要 高 3.非 线 形 失 真 要 小 ommomom UIUIUIP 0000 2122 EoPP 3.1.2功 率 放 大 器 的 种 类 及 其 特 点 1.甲 类 功 率 放 大 器 电 路 的 优 点 是 在 输 入 信 号 的整 个 周 期 内 三 极 管 都 处 于 导电 状 态 ,输 出 信 号 失 真 较 小 缺 点 是 三 极 管 有 较 大 的 静 态电 流 I CQ,这 时 功 放 管 的 静 态 功耗 PV大 效 率 最 高 也 只 能 达 到 50 。一 般 情 况 下 35 。 iC Q uCE(a) 2.乙 类 功 率 放 大 器功 率 放 大 器 的 优 点 是 静 态 工 作 点 在 三 极 管 截 止 区 边缘 ， 如 图 （ b） 所 示 。 输 入 信 号 只 有 半 个 周 期 内 有电 流 流 过 ,由 于 三 极 管 的 静 态 电 流 ICQ0, 功 放 管 的 静态 功 耗 PV很 小 ， 近 似 为 零 ， 所 以 能 量 转 换 效 率 高 ,一 般 78.5 。 它 的 缺 点 是 由 于 在 输 入 特 性 死 区 内 不 产 生 信 号 波 形 ，因 此 出 现 了 严 重 的 非 线 性 失 真 ， 只 能 对 输 入 信 号 的半 个 周 期 波 形 进 行 放 大 ， 另 半 个 周 期 波 形 需 要 由 另外 一 只 功 放 管 放 大 ， 因 而 用 两 只 功 放 管 互 补 工 作 。 3.甲 乙 类 功 率 放 大 器功 率 放 大 器 的 静 态 工 作 点 选 在 放 大 区 中 靠 近 截 止区 的 位 置 , 如 图 （ c） 所 示 。 即 放 大 器 在 输 入 信 号的 半 个 多 周 期 内 有 集 电 极 电 流 , 这 样 既 能 有 效 克 服乙 类 放 大 电 路 的 失 真 问 题 , 又 能 提 高 放 大 器 的 转 换效 率 。 实 用 的 功 率 放 大 器 常 采 用 这 种 工 作 状 态 。 iC QO uCEiB0 iC QO u CEiB0(b) (c)（ b） 乙 类 （ c） 甲 乙 类 3.2 互 补 推 挽 功 率 放 大 器3.2.1 工 作 在 乙 类 的 互 补 推 挽 功 率 放 大 器 电 路电 路 组 成 V1 V1 V2 V2 R Ru R +- +- - - + + i o a) b) c) . . . . . . . . . . . L L L . i i i C1 C2 C1 . iC2 . u u uui oiou +U -U +U -Ucc cc cc cc 电 路 工 作 原 理 图 (b)(c)所 示 的 射 极 输 出 器 在 输 入 信 号 的 每 个周 期 内 ， 各 导 电 约 半 个 周 期 。 当 输 入 信 号 ui处 于正 半 周 时 ， V2截 止 ， V1导 通 并 处 于 放 大 状 态 ， 电流 iC1流 过 负 载 RL； 而 当 输 入 信 号 ui处 于 负 半 周 时 ，V1截 止 ， V2导 通 并 处 于 放 大 状 态 ， 电 流 iC2流 过 负载 RL， 由 此 便 在 负 载 上 产 生 完 整 的 电 压 波 形 。 这样 ， 如 图 (a)所 示 电 路 实 现 了 静 态 时 管 子 不 取 电 流 ，而 有 信 号 时 ， V 1、 V2轮 流 导 电 ， 组 成 推 挽 式 电 路 。 功 率 和 效 率 的 计 算（ 1） 输 出 功 率 PO 负 载 电 压 的 最 大 幅 值 Uom为 ： Uom=UCC-UCES 负 载 电 流 的 最 大 幅 值 Iom为 ： Iom=（ UCC-UCES） /RL 输 出 功 率 ： 222 omomomom o IUIUP 最 大 功 率 ： omP 2 omomIU L CESRU2U 2CC = = （ 2） 直 流 电 源 提 供 的 功 率 PE 流 过 两 电 源 的 平 均 电 流 相 等 且 均 为 ： IC= L CESCComom RUUIttdI 11sin21 0 输 出 功 率 最 大 时 ， 两 电 源 也 提 供 最 大 功 率 ： maxEP LR CESCCCC UU2U =IC 2UCC= （ 3） 效 率 maxEomPP CC CESCCU UU 4= = 若 忽 略 功 放 管 的 饱 和 压 降 ， 以 上 各 项 分 别 为 omP LCCRU2 2= maxEP LR 2CC2U=IC 2UCC= maxEomPP =/4=78.5% 3.功 放 管 的 选 择（ 1） 最 大 管 压 降 U（ BR） CEO 选 择 三 极 管 时 ， 应 使 三 极 管 的 极 限 参 数 U（ BR） CEO UCEmax=2UCC （ 2） 集 电 极 最 大 电 流 ICM 选 择 三 极 管 时 ， 应 使 三 极 管 的 极 限 参 数 LCM RI CCU 当 管 子 截 止 时 将 承 受 最 大 管 压 降 ， 即 UCEmax=2UCC-UCES2UCC 负 载 上 达 最 大 电 压 UCC-UCES时 ， 集 电 极 电 流 达 最 大 值 ， 即 LL CESCM RRUI CCCC UU （ 3） 集 电 极 最 大 允 许 耗 散 功 率 PCM 两 功 放 管 总 的 集 电 极 耗 散 功 率 LomL CComEV RURUUPPP 22 20 0omVdUdP CCU2 momoLCCVVV PPRUPPP 4.042 22 221 令 时 ， 两 管 的 管 耗 最 大 。 ， 则 可 求 得 U om=令选 择 三 极 管 时 ， 应 使 三 极 管 的 极 限 参 数 PCM moCM PP 2.0 交 越 失 真V1 V2 Rui . . . L i i C1 C2 ou +U -U cc cc ui iL wt wt O O iL + + - - 3.2.2 工 作 在 甲 乙 类 的 互 补 推 挽 功 率 放 大 器 在 乙 类 互 补 推 挽 功 率 放 大 器 中 ， 由 于 三 极 管 没 有 静 态 偏 置电 路 ， 即 它 的 ICQ=0， 这 样 ， 当 输 入 信 号 的 幅 值 较 小 时（ 小 于 放 大 管 的 门 坎 电 压 ） ， V1、 V2两 管 都 不 导 通 ， iC1、iC2基 本 为 零 ， 负 载 RL中 无 电 流 通 过 （ 也 没 有 电 压 输 出 ） ，会 出 现 一 段 死 区 ， 这 种 现 象 就 是 所 谓 的 交 越 失 真 。 . . . V1 V2 V3 V4 R1 R2 RL +Ucc u u i o + + - - + C1 C2 + -Ucc 为 了 减 小 和 克 服 交 越 失 真 ， 可 使 用 上 图 所 示 的 电 路 ，在 三 极 管 V3、 V4两 基 极 间 加 上 二 极 管 V1、 V2， 利 用 二 极管 的 正 向 电 压 UV=UV1+UV2为 三 极 管 V3、 V4提 供 一 定 的 正向 偏 置 电 压 ， 使 V3、 V4处 于 微 导 通 状 态 。 从 而 有 较 小 的IC3和 IC4。 电 路 工 作 在 甲 乙 类 状 态 ， 称 为 甲 乙 类 的 互 补 推挽 功 率 放 大 器 . . . V1 V2 V3 V4 R1 R2 RL +Ucc u u i o + + - - + C1 C2 + R3 3.2.3 单 电 源 互 补 推 挽 功 率 放 大 器 1 电 路 组 成 2.工 作 原 理 在 输 入 信 号 正 半 周 , V3导 通 ,V4截 止 , V3以 射 极输 出 器 形 式 将 正 向 信 号 传 送 给 负 载 , 同 时 对 电 容 C2充 电 ； 在 输 入 信 号 负 半 周 时 , V3截 止 , V4导 通 , 电 容C2放 电 , 充 当 V4管 直 流 工 作 电 源 , 使 V4也 以 射 极 输出 器 形 式 将 负 向 信 号 传 送 给 负 载 ， 这 样 , 负 载 RL上得 到 一 个 完 整 的 信 号 波 形 。 只 要 选 择 时 间 常 数RLC足 够 大 （ 比 信 号 源 的 周 期 大 得 多 ） ， 就 可 以 认为 用 电 容 C和 一 个 电 源 U CC可 代 替 原 来 两 个 正 负 电源 的 作 用 。 2 实 用 的 单 电 源 互 补 推 挽 功 率 放 大 器 . . V1 V2 V3 V4 R1 R2 RL +Ucc u u i o + + - - + C1 C2 + R3 + A R4 R5 Re Rp1 Rp2 Ce b4 b5 V5 C3 + K 三 极 管 V3组 成 典 型 的 前 置 电 压 放 大 电 路 ， 用 作 推动 级 ， 它 给 输 出 级 提 供 足 够 大 的 信 号 电 压 和 信 号电 流 。 输 出 级 由 互 补 推 挽 功 率 放 大 管 V4和 V5构 成的 。 R3、 C2构 成 自 举 升 压 电 路 ， R3、 C2的 接 入 可以 提 高 互 补 对 称 电 路 输 出 电 压 的 幅 度 ， 使 输 出 电压 变 化 范 围 接 近 。 电 路 的 推 动 级 和 功 率 放 大 级 采 用 直 接 耦 合 ， 前 后级 之 间 相 互 联 系 相 互 影 响 。 调 整 时 ， 不 能 采 用 分级 调 整 的 方 法 ， 因 此 调 整 比 较 困 难 。 CCU21 一 般 先 将 RP2调 到 最 小 位 置 ， 然 后 调 整 RP1使 ， 再调 整 RP2使 V4和 V5工 作 在 甲 乙 类 状 态 ， 建 立 合 适 的IC4和 IC5值 ， 最 后 加 入 交 流 信 号 调 节 RP2使 输 出 波 形的 失 真 在 允 许 范 围 内 为 止 。 在 允 许 失 真 情 况 下 ，IC4和 IC5值 不 宜 太 大 ， 否 则 会 降 低 效 率 。 此 外 ， 调整 时 千 万 不 可 断 开 RP2， 否 则 ， b4点 电 位 升 高 ， b5点 电 位 变 低 ， 将 使 V 4和 V5的 电 流 变 得 很 大 而 导 致损 坏 。 由 于 前 后 两 级 间 的 工 作 点 互 相 牵 连 ， 因 此需 要 反 复 耐 心 地 调 整 。 3.3 其 它 类 型 推 挽 功 率 放 大 器3.3.1复 合 管 组 成 的 互 补 对 称 功 率 放 大 器1.复 合 管 ibb i e1ib2 V2 ic1 icic2 ie ib ici eVV1 e c b ce (a) ibb i e1ib2 V2 ic1 icic2 ie ib ici eVV1 e c b ce (b) ibb ic1ib2 V2i e1 ici c2ie ib ici eVV1 e c b c e(c) ibb ic1ib2 V2 ie1 ici c2ie ib ici eVV1 e c b c e(d)(a)NPN型 （ b） PNP型 （ c） NPN型 （ d） PNP型 21 2121 1 11211 1 22111 21 )1( b bb b bbb ccbc i ii i iii iiii假 设 V1、 V2管 的 电 流 放 大 系 数 分 别 为 1、 2， 它 们 三 个极 的 电 流 如 图 中 标 定 ， 则 由 图 中 V1、 V2的 连 接 关 系 可 得 由 于 1， 2 1， 所 以 复 合 管 的 等 效 电 流 放 大 系 数 为 2. 复 合 管 组 成 的 互 补 对 称 功 率 放 大 器 图 中 V 3发 射 极 和 V4集 电 极 所 接 的 电 阻 Re1和 Re2分 别 为 V3和 V4的 穿 透 电 流 ICEO提 供 的 泄 放 通 路 ， 以 避 免 这 两 个 不 稳 定电 流 被 输 出 管 放 大 ， 造 成 输 出 电 流 的 稳 定 性 变 差 。 3.实 际 复 合 互 补 对 称 功 率 放 大 器 . . . . Vo V2 V5 V4 R1 R2 RL +U u u i o+ + - - + C C + cc . . V3 R9 + C 1 4 2 R6 R5 R8 C + R4 b5 R10 R3 C R11 R7 V1 R12 K + 620 10 10K 4.7K 150K 3.9K 1K 470 220 220 0.5 0.5 833uF 47uF 1000uF 47uF 33uF 3 2CP10 3DG12B 3DG23D 3DG12B 3DD15A 3DD15A 互 补 对 称 电 路 虽 有 结 构 简 单 、 效 率 高 、 频 率 特 性 较 好 和 容易 集 成 化 等 优 点 。 但 在 这 种 电 路 中 ， 负 载 电 阻 的 阻 值 需 限制 在 一 定 的 范 围 内 ， 当 负 载 电 阻 较 大 或 较 小 时 ， 管 子 的 定额 有 时 就 难 以 满 足 要 求 。 例 如 ， 若 RL=50， 负 载 需 要 的功 率 为 50W， 如 采 用 一 个 单 电 源 互 补 推 挽 功 率 放 大 器 电 路 ，则 根 据 输 出 功 率 公 式 可 知 电 源 电 压 UCC=140V,电 源 设 备 方 面有 实 际 困 难 。 而 变 压 器 耦 合 推 挽 功 率 放 大 器 可 解 决 了 负 载 与 放 大 器 输 出级 的 阻 抗 匹 配 问 题 ， 但 由 于 使 用 了 变 压 器 ， 因 此 带 来 了 体积 大 、 笨 重 、 频 带 窄 、 变 压 器 本 身 损 耗 引 起 的 效 率 低 ， 特别 是 无 法 采 用 集 成 化 工 艺 制 造 等 缺 陷 ， 故 应 用 较 少 。 3.3.2 变 压 器 耦 合 推 挽 功 率 放 大 器 TB1 Rb1 Rb2 Re RL TB2 V2 V1 .+ - O wt O ui ui wt O wt ui1 i i i c1 c2 L . O wt O wt . O wt + -ui+ -ui 1 2 i2u ic1 ic2 iL N N 1 2 Ucc 1.变 压 器 耦 合 推 挽 功 率 电 路 组 成 当 有 正 弦 信 号 电 压 ui输 入 时 ， 通 过 输 入 变 压 器 TB1将 使V1、 V2基 极 得 到 一 个 大 小 相 等 而 极 性 相 反 的 信 号 电 压 ui1和ui2。 若 在 某 一 瞬 间 ， 变 压 器 TB1的 副 边 上 ui1使 V1的 基 极 对共 同 端 为 正 ， 则 下 半 个 绕 组 感 应 出 来 的 电 压 ui2就 使 V2的 基极 对 共 同 端 为 负 ， 于 是 V1截 止 ， V2导 通 ， 这 时 ， 输 出 变 压器 TB2一 次 侧 下 半 边 绕 组 有 电 流 iC2流 过 ， 而 上 半 边 没 有 电流 ， iC1=0。 同 理 ， 在 输 入 信 号 的 另 一 半 周 ， 情 况 恰 恰 相 反 ，V1导 通 ， V2截 止 。 输 出 变 压 器 TB2一 次 侧 上 半 边 绕 组 有 电流 iC1流 过 ， 而 下 半 边 没 有 电 流 ， iC2=0， 这 样 V1和 V2轮 流导 电 ， 在 一 个 周 期 的 两 个 半 周 内 ， iC1和 iC2轮 流 通 过 TB2一次 侧 两 半 绕 组 ， 而 且 大 小 相 等 ， 相 位 相 反 ， 所 以 在 T B2二次 侧 将 有 一 个 接 近 正 弦 波 的 电 流 iL流 过 负 载 。 2.工 作 原 理 3. 输 出 功 率 、 管 耗 和 效 率 的 计 算 (1)输 出 功 率 、 管 耗 计 算 ： 电 路 一 般 可 近 似 认 为 工 作 在 乙 类 ， 两 管 轮 流 导 电 ， 每个 管 子 的 工 作 电 压 约 为 UCC， 因 此 ， 它 和 乙 类 推 挽 功 率 放大 器 具 有 相 类 似 的 计 算 公 式 。 原 式 中 的 负 载 电 阻 RL应 由交 流 等 效 负 载 电 阻 RL所 代 替 LL RNNR 221 （ 2） 效 率 的 计 算 ： 电 路 的 总 效 率 应 在 原 效 率 的 基 础 上 乘 以 T ， T为 变 压 器效 率 ， 所 以 变 压 器 耦 合 推 挽 功 率 放 大 器 的 效 率 比 无 输 出 变压 器 电 路 低 。 3.4 功 率 放 大 器 的 保 护 电 路 3.4.1 功 率 放 大 管 的 功 耗 及 散 热 功 放 管 损 坏 的 重 要 原 因 是 其 实 际 耗 散 功 率 超过 额 定 数 值 PCM。 而 三 极 管 的 耗 散 功 率 取 决 于 管子 内 部 的 PN结 （ 主 要 是 集 电 结 ） 温 度 。 当 结 温 超过 允 许 值 后 ， 集 电 极 电 流 将 急 剧 增 大 而 烧 坏 管 子 。耗 散 功 率 等 于 结 温 在 允 许 值 时 集 电 极 电 流 与 管 压降 之 积 。 管 子 的 功 耗 愈 大 ， 结 温 愈 高 。 因 而 改 善功 放 管 的 散 热 条 件 ， 可 以 在 同 样 的 结 温 下 提 高 集电 极 最 大 耗 散 功 率 PCM， 可 能 充 分 发 挥 管 子 的 潜力 ， 也 可 以 提 高 输 出 功 率 。 过 热 保 护 及 保 护 措 施 改 善 功 放 管 散 热 的 常 用 方 法 是 加 装 散 热 片 。 AB i u c CE0 低 电 压 大 电 流 状 态 二 次 击 穿 一 曲 线 S/B I I B B = 0 i u c CE0 IB 0 0次 击 穿 (a) (b) 3.4.2 功 率 放 大 管 的 二 次 击 穿 从 三 极 管 的 输 出 特 性 可 知 ， 对 于 某 一 条 输 出 特 性 曲 线 ，当 c-e之 间 电 压 增 大 到 一 定 数 值 时 ， 三 极 管 将 产 生 “ 一 次 击穿 ” 现 象 ， 而 且 ， IB愈 大 ， 击 穿 电 压 愈 低 。 三 极 管 在 一 次 击穿 后 ， 集 电 极 电 流 会 骤 然 增 大 ， 若 不 加 以 限 制 ， 则 三 极 管 的工 作 点 变 化 到 临 界 点 A时 ， 工 作 点 将 以 毫 秒 甚 至 微 秒 级 的 高速 度 从 A点 到 B点 ， 此 时 电 流 猛 增 ， 而 管 压 降 却 减 小 ， 如 图（ a） 所 示 ， 称 为 “ 二 次 击 穿 ” 。 防 止 二 次 击 穿 的 发 生 措 施 （ 1） 在 设 计 电 路 时 ， 要 设 法 使 三 极 管 工 作 在 安 全 工 作 区以 内 ， 而 且 还 要 留 有 余 地 。 例 如 ， 增 大 功 率 余 量 ， 改 善 散热 情 况 ， 选 用 较 低 的 电 源 电 压 。 （ 2） 使 用 时 要 尽 量 避 免 产 生 过 压 过 流 的 可 能 性 ， 不 要 将负 载 开 路 或 短 路 ， 也 不 要 突 然 加 强 信 号 ， 同 时 不 允 许 电 源电 压 有 很 大 波 动 采 取 其 他 保 护 措 施 （ 1） 为 了 防 止 由 于 感 性 负 载 而 使 管 子 产 生 过 压 或 过 流 ， 可在 负 载 两 端 并 联 容 性 网 络 以 抵 消 感 性 负 载 的 不 利 影 响 。 （ 2） 对 三 极 管 加 以 保 护 ， 例 如 ， 在 功 率 管 的 输 入 端 、 输 出端 并 以 保 护 二 极 管 或 稳 压 管 ， 以 避 免 输 入 电 压 波 动 而 保 护功 率 管 。 3.5 功 率 放 大 器 应 用 实 例3.5.1 OTL 音 频 功 率 放 大 器 Rc1 1.2K Rb1 R1 10K Re3 680 Rb2 620 Rf 22K Re4 150 Rc4 Rc5 330 Re5 150 Re7 220 Rc8 220 Re9 0.5 R10 0.5 R2 10 RL 8 C3 120p C2 120p C4 120p C5 0.033u VD1 VD2 2A+ C1 47u V4 3CG5 V8 3CG7 V1 3DG45 V2 3DG45X2 V5 3DG45 V3 3DG45 V6 3DG6 V7 3DG12 V9 3DD15 V10 3DD15 X2 ui uo +Ucc -Ucc (+24V) (-24V) 2CP10X2 . . . 3.5.2 OCL高 保 真 功 率 放 大 器 I 1 2 3 4 5 6 7 8 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 V11 V12 反 相 输 入 接 旁 路 电 容 增 益 设 置 同 电 源 出 地 级 级 级中 间输 入 输 入 相 输 出输 1 2 3 4 5678 旁 路 电 容 增 益 设 置 Vcc 出输 增 益 设 置 反 相 输 入 输 入 同 相 地 LM386 (a) (b) 3.5.3 集 成 功 率 放 大 器 （ a） LM386内 部 电 路 原 理 图 （ b） LM386的 外 形 和 引 脚 的 排 列 本 章 小 结1 功 率 放 大 器 要 求 输 出 功 率 大 、 效 率 高 ， 非 线 性 失 真 小 ，并 保 证 三 极 管 安 全 可 靠 地 工 作 。2 互 补 推 挽 功 率 放 大 器 有 OCL和 OTL两 种 电 路 ， 前 者 为 双电 源 ， 后 为 单 电 源 。3 乙 类 互 补 推 挽 功 率 放 大 器 效 率 高 ， 达 78.5 ， 但 存 在 着交 越 失 真 ， 在 实 际 中 多 采 用 甲 乙 类 互 补 推 挽 功 率 放 大 器 ，它 可 有 效 地 消 除 交 越 失 真 ， 效 率 也 较 高 。4 由 于 大 功 率 对 称 型 管 不 易 选 配 ， 实 际 中 可 采 用 复 合 管 。5 变 压 器 耦 合 推 挽 功 率 放 大 器 通 过 阻 抗 变 换 能 够 解 决 负 载与 放 大 器 输 出 级 的 匹 配 问 题 ， 但 由 于 体 积 大 ， 故 只 在 小 功率 放 大 电 路 中 应 用 。6 在 功 率 放 大 器 中 ， 由 于 管 子 承 受 的 电 压 高 ， 通 过 的 电 流大 ， 为 了 使 设 备 正 常 运 行 ， 功 率 管 的 散 热 和 防 止 二 次 击 穿很 重 要 。