模拟电子技术第九章

第 九 章 功 率 放 大 电 路9.1功率放大电路概述9.2互补功率放大电路9.3功率放大电路的安全运行9.4集成功率放大电路 本 章 重 点 和 考 点 ：重 点 掌 握 功 放 的 最 大 输 出 电 压 、最 大 输 出 功 率 和 效 率 的 计 算 。 本 章 讨 论 的 问 题 ：1.功 率 放 大 是 放 大 功 率 吗 ？ 电 压 放 大 电 路 和 功 率 放 大 电 路 有 什 么 区 别 ？2.什 么 是 晶 体 管 的 甲 类 、 乙 类 和 甲 乙 类 工 作 状 态 ？3.晶 体 管 的 最 大 耗 散 功 率 是 否 是 电 路 的 最 大 输 出 功 率 ？ 晶 体 管 的 耗 散 功 率 最 大 时 ， 电 路 的 输 出 功 率 是 最 大 吗 ？4.互 补 式 功 放 电 路 的 输 出 功 率 是 否 为 单 管 功 放 电 路 的二 倍 ？ 本 章 讨 论 的 问 题 ：5.在 已 知 电 源 电 压 相 同 且 负 载 电 阻 也 相 同 的 情 况 下 ， 如 何 估 算 出 最 大 输 出 功 率 ？6.在 已 知 电 源 电 压 相 同 且 负 载 电 阻 也 相 同 的 情 况 下 ， 对 于 不 同 电 路 形 式 的 功 放 ， 最 大 输 出 功 率 都 相 同 吗 ？ 它 们 与 电 路 中 晶 体 管 的 工 作 状 态 有 关 吗 ？7.功 放 管 和 小 功 率 放 大 电 路 中 晶 体 管 的 选 择 有 何 不 同 ？ 如 何 选 择 ？ 9.1功率放大电路概述能 够 向 负 载 提 供 足 够 信 号 功 率 的 放 大 电 路 称 为功 率 放 大 电 路 ， 简 称 功 放 。功 放 既 不 是 单 纯 追 求 输 出 高 电 压 ， 也 不 是 单 纯追 求 输 出 大 电 流 ， 而 是 追 求 在 电 源 电 压 确 定 的情 况 下 ， 输 出 尽 可 能 大 的 功 率 。功 放 电 路 的 要 求 ： Pomax 大 ， 三 极 管 极 限 工 作 = P omax / PV 要 高失 真 要 小 9.1.1 功 率 放 大 电 路 的 特 点一 、 主 要 技 术 指 标1.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 。 是交 流 功 率 ， 表 达 式 为 Po IoUo。最 大 输 出 功 率 是 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2.转 换 效 率 功 率 放 大 电 路 的 最 大 输 出 功 率 与 电 源 提 供 的 直 流 功 率 之比 。 直 流 功 率 等 于 电 源 输 出 电 流 平 均 值 及 电 压 之 积 。 二 、 功 率 放 大 电 路 中 的 晶 体 管在 功 率 放 大 电 路 中 ， 为 使 输 出 功 率 尽 可 能 大 ， 要 求晶 体 管 工 作 在 极 限 应 用 状 态 。选 择 功 放 管 时 ， 要 注 意 极 限 参 数 的 选 择 ， 还 要 注 意 其 散热 条 件 ， 使 用 时 必 须 安 装 合 适 的 散 热 片 和 各 种 保 护 措 施 。晶 体 管 集 电 极 电 流 最 大 时 接 近 ICM晶 体 管 管 压 降 最 大 时 接 近 U（ BR） CEO晶 体 管 耗 散 功 率 最 大 时 接 近 PCM三 、 功 率 放 大 电 路 的 分 析 方 法采 用 图 解 法 9.1.2 功 率 放 大 电 路 的 组 成 一 、 为 什 么 共 射 放 大 电 路 不 宜 用 作 功 率 放 大 电 路图 9.1.1 (a)共 射 放 大 电 路 图 9.1.1输 出 功 率 和 效 率 的 图 解 分 析直 流 电 源 提 供 的 直 流 功 率 为 ICQ VCC即 图 中 矩 形 ABCO的 面 积 。集 电 极 电 阻 RC的 功 率 损 耗 为 I2CQRC 即 图 中 矩 形 QBCD的 面 积 。晶 体 管 集 电 极 耗 散 功 率 为 ICQ UCEQ即 图 中 矩 形 AQDO的 面 积 。1.无 输 入 信 号 作 用 时 图 9.1.1输 出 功 率 和 效 率 的 图 解 分 析2.在 输 入 信 号 为 正 弦 波 时 ，若 集 电 极 电 流 也 为 正 弦 波直 流 电 源 提 供 的 直 流 功 率 不 变负 载 电 阻 RL上 所 获 得 的 功 率 PO仅 为 P/Om的 一 部 分 。R/L(=RC/RL)上 获 得 的 最 大交 流 功 率 P/Om为 )(21)2( 20 LCQCQLCQm RIIRIP 即 图 中 三 角 形 QDE的 面 积共 射 放 大 电 路 输 出 功 率 小 ， 效 率 低 （ 25 ） ， 不 宜 作 功 放 。 二 、 变 压 器 耦 合 功 率 放 大 电 路传 统 的 功 放 为 变 压 器 耦 合 式 电 路电 源 提 供 的 功 率 为 P V ICQ VCC ， 全 部 消 耗 在 管 子 上 。则 可 作 出 交 流 负 载 线 RL等 效 到 原 边 的 电 阻 为 LL RNNR 221)( 变 压 器 原 边 线 圈 电 阻可 忽 略 不 计 ， 直 流 负载 线 垂 直 于 横 轴 且 过(VCC ， 0)。 CCCQCCCQm VIVIP 21220 在 理 想 变 压 器 的 情 况 下 ， 最 大 输 出 功 率 为即 三 角 形 QAB的 面 积在 输 入 信 号 为 正 弦 波 时 ， 若 集 电 极 电 流 也 为 正 弦 波直 流 电 源 提 供 的 功 率 不 变电 路 的 最 大 效 率 为 : Pom / PV =50 实 用 的 变 压 器 功 率 放 大 电 路希 望 输 入 信 号 为 零 时 ， 电 源 不 提 供 功 率 ， 输 入 信 号愈 大 ， 负 载 获 得 的 功 率 也 愈 大 ， 电 源 提 供 的 功 率 也随 之 增 大 ， 从 而 提 高 效 率 。变 压 器 耦 合 乙 类 推 挽 功 率 放 大 电 路 图 9.13(a)变 压 器 耦 合 乙 类 推 挽 功 率 放 大 电 路同 类 型 管 子 在 电 路 中 交替 导 通 的 方 式 称 为 “ 推挽 ” 工 作 方 式 。无 输 入 信 号 ， 二 管 截 止有 输 入 信 号 ， 二 管 交 替导 通 功 率 放 大 电 路 的 分 类在 放 大 电 路 中 ， 若 输 入 信 号 为 正 弦 波 时 ， 根 据 晶 体 管在 信 号 整 个 周 期 内 导 通 情 况 分 类甲 类 ( 2 )tiCO Icm 2ICQ tiCO Icm 2ICQ 乙 类 ( ) tiCO IcmICQ 2甲 乙 类 ( 0时 ， T1和 T4导 通 ， T 2和 T3 截 止 ， 负 载 上 获 得 正半 周 电 压 ；当 ui 0 T1 导 通 T2 截 止iC1 io = iE1 = iC1, uO = iC1RLui 0 T2 导 通 T1 截 止iC1 io = iE2 = iC2, uO = iC2RLui = 0 T1 、 T2 截 止9.2 互 补 功 率 放 大 电 路目 前 使 用 最 广 泛 的 功 放 是 OTL电 路 和 OCL电 路若 考 虑 三 极 管 的 开 启 电 压 ， 输 出 波 形 将 产 生 交 越 失 真 。动 画 avi17-3.avi 二 、 消 除 交 越 失 真 的 OCL电 路 的 工 作 原 理tiC0 ICQ1ICQ2消 除 交 越 失 真 思 路 ： 图 9.2.2消 除 交 越 失 真 的 OCL电 路RLRD1D2 T1T2+VCC+ui +uoVCCV5uiui = 0， 给 T1、 T2 提 供 静 态 电 压U B1、 B2 UD1 UD2 UR2UB1、 B2略 大 于 T1管 发 射 结 和 T2管 发 射 结 开 启 电 压 之 和 ， 两 管均 处 于 微 导 通 状 态 ， 即 都 有 一 个 微 小 的 基 极 电 流 ， 分 别 为IB1和 IB2 。 静 态 时 应 调 节 ， 使 为 0,即 为 0。动 画 avi17-2.avi 当 ui = 0 时 ， T1、 T2 微 导 通 。当 ui 0 ( 至 )， T1 微 导 通 充 分 导 通 微 导 通 ；T2 微 导 通 截 止 微 导 通 。当 ui 0 ( 至 )， T2 微 导 通 充 分 导 通 微 导 通 ； T1 微 导 通 截 止 微 导 通 。当 输 入 信 号 为 正 弦 交 流 电 时 图 9.2.3 T 1和 T2 管 在 ui作 用 下 输 入特 性 中 的 图 解 分 析二 管 导 通 的 时 间 都 比 输 入 信 号 的半 个 周 期 更 长 ， 功 放 电 路 工 作 在甲 乙 类 状 态 。 9.2.2 OCL电 路 的 输 出 功 率 及 效 率当 输 入 电 压 足 够 大 ， 且 又 不 产 生 饱 和 失 真 的 图 解 分 析 图 9.2.4 OCL电 路 的 图 解 分 析图 中 I区 为 T1管 的 输 出 特 性 ，II区 为 T2管 的 输 出 特 性 ；二 只 管 子 的 静 态 电 流 很 小 ，可 认 为 Q点 在 横 轴 上 。Uop = VCC UCES最 大 输 出 电 压 幅 值最 大 不 失 真 输 出 电 压 的 有 效 值2UVU CESCCO m 动 画 avi17-1.avi 最 大 输 出 功 率 L 2CESCCLO2O R2 UVRUP ）（ mm电 源 VCC提 供 的 电 流 ti sinR UV L CESCCC 电 源 在 负 载 获 得 最 大 交 流 功 率 时 所 消 耗 的 平 均 功 率 等于 其 平 均 电 流 与 电 源 电 压 之 积 。 0 CCL CESCCV VsinRUV1P tdt L CESCCCCV R UVV2P ）（ 转 换 效 率 CC CESCCVO VUV4PP m理 想 情 况 下 ， UCES可 忽 略 ； 但 大 功 率 管 UCES较 大 ， 不 能 忽 略 复 习 ：1.功 放 电 路 的 性 能 指 标 ： 最 大 输 出 电 压 、 最 大 输 出 功 率 和 效 率 2.功 放 电 路 的 分 类 ： 甲 类 、 乙 类 、 甲 乙 类 、 丙 类 和 丁 类 变 压 器 耦 合 、 OTL、 OCL和 BTL3.OCL功 放 的 性 能 指 标 ： 2UVU CESCCO mUop = VCC UCES L 2CESCCLO2O R2 UVRUP ）（ mm L CESCCCCV R UVV2P ）（ CC CESCCVO VUV4PP m 9.2.3 OCL电 路 中 晶 体 管 的 选 择一 、 最 大 管 压 降UCEmax=2VCC 二 、 集 电 极 最 大 电 流 L CES1CCEmaxCmax RUV II LCCCmax RVI三 、 集 电 极 最 大 功 耗 ）（ 4UUVR1 sinRU)sinUV(2121P OM2OMCCL 0 0 LOMOMCCT ttdttdiu CCE 如 何 求 PT的 最 大 功 率 ？RLRD1D2 T1T2+VCC+ui +uoVCCV5ui )(V6.0V2U0 CCCCOM 输 出 电 压 峰 值， 可 以 求 得 ，令 OMTdUdP m0L2 CC2maxT P2.0RVP 晶 体 管 集 电 极 最 大 功 耗 仅 为 最 大 输 出 功 率 的 五 分 之 一 。在 查 阅 手 册 选 择 晶 体 管 时 ， 应 使 极 限 参 数UCEO 2VCC I CM VCC/RLPCM 0.2Pom 例 9.2.1 在 图 9.2.2所 示 电 路 中 已 知 VCC 15V， 输 入 电 压为 正 弦 波 ， 晶 体 管 的 饱 和 管 压 降 UCES 3V， 电 压 放 大 倍 数约 为 1， 负 载 电 阻 RL 4欧 ，（ 1） 求 解 负 载 上 可 能 获 得 的 最 大 功率 和 效 率（ 2） 若 输 入 电 压 最 大 有 效 值 为 8V，则 负 载 上 能 够 获 得 的 最 大 功 率 为 多 少 。解 （ 1） W mm 18R2 UVRUP L 2CESCCLO2O ）（ 628.0VUV4PP CC CESCCVO m（ 2） 因 为 UOUi， 所 以 UOm8V。 最 大 输 出 功 率Wmm 1648RUP 2 LO2O RLRD1D2 T1T2+VCC+ui +uoVCCV5ui 9.4 集 成 功 率 放 大 电 路OTL、 OCL和 BTL电 路 均 有 各 种 不 同 电 压 增 益 多 种 型 号的 集 成 电 路 。 只 需 外 接 少 量 元 件 ， 就 可 成 为 实 用 电 路 。9.4.1 集 成 功 率 放 大 电 路 分 析LM386是 一 种 音 频 集 成 功 放 ， 具 有 功 耗 小 ， 电 压 增 益可 调 节 ， 电 源 电 压 范 围 大 ， 外 接 元 件 少 和 总 谐 波 失 真小 等 优 点 ， 广 泛 应 用 于 录 音 机 和 收 音 机 之 中 。掌 握 集 成 功 放 的 电 路 组 成 ， 工 作 原 理 、 主 要 性 能 指 标 和典 型 运 用 。 一 、 LM386内 部 电 路 图 9.4.1 LM386内 部 电 路 原 理 图第 一 级 差 分 放 大 电 路（ 双 入 单 出 ）第 二 级 共 射 放 大 电 路（ 恒 流 源 作 有 源 负 载 ）第 三 级 OTL功 放 电 路输 出 端 应 外 接 输 出 电容 后 再 接 负 载 。电 阻 R 7从 输 出 端 连 接 到 T2的 发 射 极 形 成 反 馈 通 道 ， 并 与 R5和R6构 成 反 馈 网 络 ， 引 入 深 度 电 压 串 联 负 反 馈 。 二 、 LM386的 电 压 放 大 倍 数1.当 引 脚 1和 8之 间 开 路 时Uf=UR5+UR6 Ui/2 OiOf UURRR RRUUF 2765 65 202)1(2 65 765 7 RR RRR RUUA iOu2.当 引 脚 1和 8之 间 外 接 电 阻 R时 RRR RAu /2 65 7 3.当 引 脚 1和 8之 间 对 交 流 信 号 相 当 于 短 路 时2002 57 RRAu4.在 引 脚 1和 5之 间 外 接 电 阻 ， 也 可 改 变 电 路 的 电 压 放 大 倍 数 65 7 )/(2 RR RRAu 电 压 放 大 倍 数 可 以 调 节 ，调 节 范 围 为 20200。三 、 LM386引 脚 图 图 9.4.2 LM386的 外 形 和 引 脚9.4.2 集 成 功 率 放 大 电 路 的 主 要 性 能 指 标 （ 略 ） 9.4.3 集 成 功 率 放 大 电 路 的 应 用一 、 集 成 OTL电 路 的 应 用1.LM386外 接 元 件 最 少 的 用 法静 态 时 输 出 电 容 上 电 压 为VCC /2最 大 不 失 真 输 出 电 压 的 峰 峰 值 为 电 源 电 压 VCC WRVRVP LCCLCCOm 18)22/( 22 最 大 输 出 功 率 为 输 入 电 压 有 效 值 mVAVU uCCim 2832/2 2.LM386电 压 增 益最 大 的 用 法3.LM386的 一 般 用 法 图 9.4.4 LM386电 压 增 益 最 大 的 用 法 图 9.4.5 LM386的 一 般 用 法引 脚 1和 引 脚 8接 10uF电 解 电 容 器 ， 1和 8之间 交 流 短 路 。引 脚 1和 引 脚 5接 电 阻 ，也 可 改 变 电 压 放 大 倍数 。 二 、 集 成 OCL电 路 的 应 用TDA1521的 基 本 接 法TDA1521为 2通 道 OCL电 路 ， 可 作 为 立 体 声扩 音 机 左 、 右 两 个 声道 的 功 放 。最 大 输 出 功 率P om 12W最 大 不 失 真 输 出 电 压Uom 9.8V 三 、 集 成 BTL电 路 的 应 用TDA1556为 2通 道 BTL电 路 。 可 作 为 立 体 声 扩 音 机左 ， 右 两 个 声 道 的 功 放 。TDA1556的基 本 接 法