第6章-集成运算放大电路功率放大电路

第第6 6章章-集成运算放大电路集成运算放大电路功率放大电路功率放大电路简单的集成运算放大电路的内部结构简单的集成运算放大电路的内部结构 集成运放是一种高电压增益、高输入电阻和低集成运放是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的输出电阻的多级直接耦合放大电路多级直接耦合放大电路。它由四部分组。它由四部分组成，即输入级、中间级、输出级和偏置电路。成，即输入级、中间级、输出级和偏置电路。6.4.1 对功率放大电路的基本要求对功率放大电路的基本要求 功率放大电路的作用：功率放大电路的作用：功率放大电路的作用：功率放大电路的作用：是放大电路的是放大电路的是放大电路的是放大电路的输出级输出级输出级输出级，去推，去推，去推，去推动负载工作。例如使扬声器发声、继电器动作、仪表动负载工作。例如使扬声器发声、继电器动作、仪表动负载工作。例如使扬声器发声、继电器动作、仪表动负载工作。例如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转、电动机旋转等。指针偏转、电动机旋转等。指针偏转、电动机旋转等。指针偏转、电动机旋转等。(1)(1)在不失真的情况下能输出尽可能大的功率。在不失真的情况下能输出尽可能大的功率。在不失真的情况下能输出尽可能大的功率。在不失真的情况下能输出尽可能大的功率。(2)(2)由于功率较大，就要求提高效率。由于功率较大，就要求提高效率。由于功率较大，就要求提高效率。由于功率较大，就要求提高效率。1 1 1 1功率放大电路的特点功率放大电路的特点功率放大电路的任务是向功率放大电路的任务是向负载提供足够大的功率负载提供足够大的功率要求：要求：1 1、功率放大电路不仅要有较高的输出电压，还要有功率放大电路不仅要有较高的输出电压，还要有较大的输出电流。较大的输出电流。因此功率放大电路中的晶体管通常工作在大电压大电流状态，因此功率放大电路中的晶体管通常工作在大电压大电流状态，晶体管的功耗也比较大。对晶体管的各项指标必须认真选择，且晶体管的功耗也比较大。对晶体管的各项指标必须认真选择，且尽可能使其得到充分利用。因为功率放大电路中的晶体管处在大尽可能使其得到充分利用。因为功率放大电路中的晶体管处在大信号极限运用状态。信号极限运用状态。2、必须尽可能提高功率放大电路的效率。、必须尽可能提高功率放大电路的效率。功率放大电路从电源取用的功率较大，为了提高电源的功率放大电路从电源取用的功率较大，为了提高电源的利用率。利用率。2 2 2 2功率放大电路的类型功率放大电路的类型CE(a)甲类甲类0uiC特点：甲类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载特点：甲类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的中点。在工作过程中，晶体管始终处在导通状态。线的中点。在工作过程中，晶体管始终处在导通状态。这种电路这种电路功率损耗较大，效率较低功率损耗较大，效率较低，最高只能达到，最高只能达到50。(b)乙类乙类0uCiCE特点：乙类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载特点：乙类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的线的截止点截止点，晶体管仅在输入信号的半个周期导通。这，晶体管仅在输入信号的半个周期导通。这种种电路功率损耗减到最少，使效率大大提高。电路功率损耗减到最少，使效率大大提高。波形严重失波形严重失真。真。(c)甲乙类甲乙类uiC0CE特特点点：甲甲乙乙类类功功率率放放大大电电路路的的静静态态工工作作点点介介于于甲甲类类和和乙乙类类之之间间，晶晶体体管管有有不不大大的的静静态态偏偏流流。其其失失真真情情况况和和效效率率介介于于甲类和乙类之间。甲类和乙类之间。静态静态IC 0，一般功放常采用。一般功放常采用。互补对称电路是集成功率放大电路输出级的基本互补对称电路是集成功率放大电路输出级的基本形式。当它通过容量较大的电容与负载耦合时，由形式。当它通过容量较大的电容与负载耦合时，由于省去了变压器而被称为无输出变压器于省去了变压器而被称为无输出变压器(Output Output TransformerlessTransformerless)电路，简称电路，简称OTL电路。若互补对称电路。若互补对称电路直接与负载相连，输出电容也省去，就成为无电路直接与负载相连，输出电容也省去，就成为无输出电容输出电容(Output CapacitorlessOutput Capacitorless)电路，简称电路，简称OCL电电路。路。OTL电路采用单电源供电，电路采用单电源供电，OCL电路采用双电源电路采用双电源供电。供电。作为模拟集成电路的输出级，一般总希作为模拟集成电路的输出级，一般总希望望带负载能力强一些带负载能力强一些，也就是要求电路的，也就是要求电路的输出电阻要小输出电阻要小一些。解决的办法是一些。解决的办法是采用射采用射极输出器。（共集放大电路）极输出器。（共集放大电路）互补输出电路互补输出电路 在理想状态下，两者在负载上应合在理想状态下，两者在负载上应合成完整波形。电路中，成完整波形。电路中，T1和和T2互为补互为补充，故称为互补输出电路。充，故称为互补输出电路。图解分析图解分析OCL电路电路.avi 若若T1和和T2都是硅管，则当都是硅管，则当|ui|0.5V时，两管都几乎不导通，有一个时，两管都几乎不导通，有一个“死区死区”。输入正弦波时，输出波形。输入正弦波时，输出波形出现如图所示的失真，这种失真称为出现如图所示的失真，这种失真称为交越失真。交越失真。交越失真以及克服.avi 解决的办法是提高解决的办法是提高Q点，使管子处于临界导通点，使管子处于临界导通状态。如图是用二极管实现偏置的实例。这里，利状态。如图是用二极管实现偏置的实例。这里，利用二极管正向导通时的恒压降特性（约用二极管正向导通时的恒压降特性（约0.60.7V），），不但给不但给T1、T2适当的偏置电压，又使信号适当的偏置电压，又使信号ui几乎无损几乎无损失地传递到失地传递到T2基极，从而基极，从而克服了交越失真。克服了交越失真。用二极管实现偏置的互补输出电路用二极管实现偏置的互补输出电路 动态时，设动态时，设动态时，设动态时，设u ui i 加入正弦信号。加入正弦信号。加入正弦信号。加入正弦信号。正半周正半周正半周正半周T T2 2 截止，截止，截止，截止，T T1 1基极电位进基极电位进基极电位进基极电位进一步提高，进入良好的导通状一步提高，进入良好的导通状一步提高，进入良好的导通状一步提高，进入良好的导通状态。负半周态。负半周态。负半周态。负半周T T1 1截止，截止，截止，截止，T T2 2基极电基极电基极电基极电位进一步降低，进入良好的导位进一步降低，进入良好的导位进一步降低，进入良好的导位进一步降低，进入良好的导通状态。通状态。通状态。通状态。互补输出电路实际上是互补输出电路实际上是无输出电容的功率放无输出电容的功率放大电路大电路，又称又称OCL电路（电路（OCL：OutputCapacitorless），），它是目前使用它是目前使用最广泛的功率放大最广泛的功率放大电路之一。电路之一。互补功率放大电路的输出功率及效率互补功率放大电路的输出功率及效率1功率放大电路的主要技术指标功率放大电路的主要技术指标 衡量功率放大电路性能的主要技术指标为最大衡量功率放大电路性能的主要技术指标为最大输出功率和转换效率。输出功率和转换效率。（1）最大输出功率）最大输出功率Pom 功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。功率。在输入为正弦波且输出基本不失真的条在输入为正弦波且输出基本不失真的条件下件下，输出功率是交流功率，表达式为，输出功率是交流功率，表达式为PoIoUo式中：式中：Io和和Uo均为交流有效值。最大输出功率均为交流有效值。最大输出功率Pom是是在电路参数确定的情况下负载上可能获得的最大交流在电路参数确定的情况下负载上可能获得的最大交流功率。功率。（2）转换效率 功率放大电路的交流输出功率与电源所提供的平功率放大电路的交流输出功率与电源所提供的平均功率之比称为转换效率。均功率之比称为转换效率。电源提供的功率是直流功电源提供的功率是直流功率，其值等于电源输出电流平均值与其电压乘积。率，其值等于电源输出电流平均值与其电压乘积。通常功放输出的功率大，电源消耗的直流功率也就多。通常功放输出的功率大，电源消耗的直流功率也就多。因此，在一定的输出功率下，减小直流电源的功耗，因此，在一定的输出功率下，减小直流电源的功耗，就可以提高电路的效率。就可以提高电路的效率。2分析计算分析计算 功率放大电路的主要任务是向负载提供较大功率放大电路的主要任务是向负载提供较大的不失真的信号功率，这就要求输出信号的电压的不失真的信号功率，这就要求输出信号的电压和电流的幅值均较大，故管子工作在和电流的幅值均较大，故管子工作在极限应用极限应用状态。状态。所以在分析功放电路时，所以在分析功放电路时，不能采用小信不能采用小信号的微变等效电路法，而应采用图解法。号的微变等效电路法，而应采用图解法。OCL电路的图解分析电路的图解分析 根据以上分析，不难求出根据以上分析，不难求出OCL电路的输出功率、电路的输出功率、直流电源提供的平均功率和效率。直流电源提供的平均功率和效率。（1）输出功率）输出功率其中其中（2）直流电源供给的平均功率）直流电源供给的平均功率电源电源VCC提供的平均功率为提供的平均功率为 其中其中iC是通过电源的电流。在图的电路中，通过是通过电源的电流。在图的电路中，通过电源电源+VCC的电流为的电流为iC1。从图中看出从图中看出所以，电源所以，电源+VCC提供的平均功率为提供的平均功率为 电源（电源（VCC）所提供的平均功率所提供的平均功率PV应与应与PV+相相等。因此，两个电源提供的总平均功率为等。因此，两个电源提供的总平均功率为（3）转换效率）转换效率将以上两个表达式代入上式，得将以上两个表达式代入上式，得 如果输入信号幅值足够大，则如果输入信号幅值足够大，则Uom可达到最可达到最大值大值VCCUCES，而信号基本上不失真，则而信号基本上不失真，则（1）输出功率为最大不失真输出功率为）输出功率为最大不失真输出功率为（2）直流电源提供的最大平均功率为）直流电源提供的最大平均功率为（3）转换效率为）转换效率为 在在理想情况理想情况下，若忽略功率管的饱和压降下，若忽略功率管的饱和压降UCES，则最大输出电压幅值则最大输出电压幅值Uom=VCC，则则（1）最大不失真输出功率为）最大不失真输出功率为（2）直流电源供给的功率为）直流电源供给的功率为（3）转换效率为）转换效率为 应当指出，大功率管的饱和压降约为应当指出，大功率管的饱和压降约为23V，所以所以一般情况下不能忽略饱和压降。一般情况下不能忽略饱和压降。晶体管的选择晶体管的选择 因为功率放大电路的输出电压和输出电因为功率放大电路的输出电压和输出电流幅值均很大，在选择功放管时要特别注意流幅值均很大，在选择功放管时要特别注意集电极最大允许电流、最大管压降和最大耗集电极最大允许电流、最大管压降和最大耗散功率等极限参数的选择，以确保管子安全散功率等极限参数的选择，以确保管子安全工作。工作。功率三极管的选择功率三极管的选择 在互补功率放大电路中，晶体管的选择必须满足下在互补功率放大电路中，晶体管的选择必须满足下列条件：列条件：（1）对于每只晶体管，必须满足）对于每只晶体管，必须满足PCM0.2(Pom)。（2）两只功放管中处于截止状态的管子将承受较）两只功放管中处于截止状态的管子将承受较大的管压降，其值为（大的管压降，其值为（2VCCUCES），），在实际使用在实际使用时，应考虑留有一定的余量，所以可以选择时，应考虑留有一定的余量，所以可以选择U(BR)CEO2VCC。（3）通过晶体管的最大集电极）通过晶体管的最大集电极电流为电流为，所以选择 功放电路如图所示，设功放电路如图所示，设VCC=12V，RL=8，晶体管的极限晶体管的极限参数为参数为ICM=2A，U(BR)CEO=30V，|UCES|=2V，PCM=5W。试求：试求：（1）最大输出功率）最大输出功率Pom值，并检验所给晶体管是否能安全工作值，并检验所给晶体管是否能安全工作？（？（2）放大电路在）放大电路在=0.6时的输出功率时的输出功率PO的值。的值。解：（1）由公式得 所求的Icm、UCEm和PT1m均分别小于极限参数ICM、|V(BR)CEO|和PCM，故晶体管能安全工作。（2）由公式得 OTLOTL电路电路电路电路(1)(1)特点特点特点特点T1、T2的特性一致；的特性一致；一个一个NPN型、一个型、一个PNP型型两管均接成射极输出器；两管均接成射极输出器；输出端有大电容；输出端有大电容；单电源供电。单电源供电。(2)(2)静态时静态时静态时静态时(ui=0),IC1 0，IC2 0OTL原理电路原理电路电容两端的电压电容两端的电压电容两端的电压电容两端的电压RLuIT1T2+UCCCAuo+-+-RLuiT1T2Auo+-+-(3)(3)动态动态动态动态时时时时 设输入端在设输入端在UCC/2 直流基础上加入正弦信号。直流基础上加入正弦信号。T T1 1导通导通导通导通、T T2 2截止截止截止截止；同时给电容充电同时给电容充电同时给电容充电同时给电容充电T T2 2导通导通导通导通、T T1 1截止截止截止截止；电容放电，相当于电源电容放电，相当于电源电容放电，相当于电源电容放电，相当于电源 若输出电容足够大，其上电压基本保持不变，若输出电容足够大，其上电压基本保持不变，则负载上得到的交流信号正负半周对称。则负载上得到的交流信号正负半周对称。ic1ic2交流通路交流通路uo输入交流信号输入交流信号输入交流信号输入交流信号u ui i的正半周的正半周的正半周的正半周输入交流信号输入交流信号输入交流信号输入交流信号u ui i的负半周的负半周的负半周的负半周(4)(4)交越失真交越失真交越失真交越失真 当输入信号当输入信号ui为正弦波时，为正弦波时，输出信号在过零前后出现的输出信号在过零前后出现的失真称为交越失真。失真称为交越失真。交越失真产生的原因交越失真产生的原因交越失真产生的原因交越失真产生的原因 由于晶体管特性存在非线性，由于晶体管特性存在非线性，ui 死区电压晶体管导通不好。死区电压晶体管导通不好。交越失真交越失真采用各种电路以产生有不大的偏流，使静态工作采用各种电路以产生有不大的偏流，使静态工作采用各种电路以产生有不大的偏流，使静态工作采用各种电路以产生有不大的偏流，使静态工作点稍高于截止点，即工作于甲乙类状态。点稍高于截止点，即工作于甲乙类状态。点稍高于截止点，即工作于甲乙类状态。点稍高于截止点，即工作于甲乙类状态。克服交越失真的措施克服交越失真的措施克服交越失真的措施克服交越失真的措施ui tO Ouo tO OR1RLuIT1T2+UCCCAuo+-+-R2D1D2 动态时，设动态时，设动态时，设动态时，设u ui i 加入加入加入加入正弦信号。正半周正弦信号。正半周正弦信号。正半周正弦信号。正半周T T2 2 截止，截止，截止，截止，T T1 1基极电位进基极电位进基极电位进基极电位进一步提高，进入良好一步提高，进入良好一步提高，进入良好一步提高，进入良好的导通状态。负半周的导通状态。负半周的导通状态。负半周的导通状态。负半周T T1 1截止，截止，截止，截止，T T2 2基极电位基极电位基极电位基极电位进一步降低，进入良进一步降低，进入良进一步降低，进入良进一步降低，进入良好的导通状态。好的导通状态。好的导通状态。好的导通状态。静态时静态时T1、T2 两管发射结电压分别为二极管两管发射结电压分别为二极管D1、D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态。的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态。(5)(5)克服交越失真的克服交越失真的克服交越失真的克服交越失真的电路电路电路电路 实际的功率放大电路实际的功率放大电路2LM386的外形和引脚图 LM386的外形和引脚图3LM386的一种接线图 LM386的接线图 集成功率放大器集成功率放大器 使喇叭相当使喇叭相当于纯电阻负载于纯电阻负载去耦，防止去耦，防止低频自激低频自激消振，防止消振，防止高频自激高频自激集成功放集成功放LM386接线图接线图特点特点特点特点:工作可靠、工作可靠、工作可靠、工作可靠、使用方便。使用方便。使用方便。使用方便。只需在器件只需在器件只需在器件只需在器件外部适当连外部适当连外部适当连外部适当连线，即可向线，即可向线，即可向线，即可向负载提供一负载提供一负载提供一负载提供一定的功率。定的功率。定的功率。定的功率。+.3 32 2ui。+_+4 47 75 58 8+UCCLM386+uo+_结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！42