5 功率放大电路

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,5.1 功率放大电路的一般问题,5.2 乙类双电源互补对称功率放大电路,5.3 甲乙类互补对称功率放大电路,*5.4 集成功率放大器,*5.5 功率器件,第五章 功率放大电路,1,第五章 功率放大电路,教学内容：,本章以分析功率放大电路的输出功率、,效率和非线性失真之间的矛盾为主线，逐步,提出解决矛盾的措施。在电路方面，以互补,对称功率放大电路为重点进行较详细的分析,与计算。,教学要求：,本章需要重点掌握典型功放电路最大输出功率、效率、管耗的分析计算和功放管选择。,2,功率放大电路,是一种以输出较大功率为目的的放大电路。它一般直接驱动负载，带负载能力强。,功率放大电路主要要求获得一定的不失真的输出功率，通常在大信号状态下工作。,1.,功率放大电路,定义,5.1 功率放大电路的一般问题,5.1.1 功率放大电路的特点及主要研究对象,3,2功率放大电路与电压放大电路的区别,（1）本质相同,电压放大电路或电流放大电路主要用于增强电压幅度或电流幅度。,功率放大电路主要输出较大的功率。,但无论哪种放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电流和功率，从能量控制的观点来看，,放大电路实质上都是,能量转换电路,。因此，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。称呼上的区别只不过是强调的输出量不同而已。,4,（2）任务不同,电压放大电路主要任务是使,负载得到不失真的电压信号,。输出的功率并不一定大。在小信号状态下工作。,功率放大电路主要任务是,使负载得到不失真（或失真较小）的输出功率,。在大信号状态下工作。,（3）指标不同,电压放大电路主要指标是,电压增益、输入和输出阻抗,功率放大电路主要指标是,功率、效率、非线性失真,不同：,（4）研究方法不同,电压放大电路：图解法、等效电路法,功率放大电路：图解法,5,3.功率放大电路的特殊问题,（1）,功率要大,（2）,效率要高,（3）,失真要小,（4）,散热要好,为了获得大的功率输出,要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度,管子往往在接近极限运用状态下工作.,效率是负载得到的信号功率与电源供给功率的比值。它代表了电路将电源直流能量转换为输出交流能量的能力.,功率放大电路是在大信号下工作,所以不可避免地会产生非线性失真,这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。,功率放大电路中,大量的功率消耗在集电结上,使结温和管壳温度升高.为了使管子输出足够大的功率,散热要好。,6,4放大电路的工作状态分类,（1）甲类放大 (A,类,),功率管的导电角,= 2,整个周期有电流；,失真小，但效率低。,（2）乙类放大(B类),功率管的导电角,=,一半时间无电流；,效率高，但有交越失真。,7,（3）甲乙类放大,(AB类),此时功率管的导电角满足：, 2,。,少半时间无电流；,效率高，可以消除交越失真,。,*（4）丙类放大,(C类),功率管的导电角小于半个周期，即,0 0，T,1,就开始导电，则在一周期内T,1,导电时间约为半周期。,随着,v,i,的增大，工作点沿着负载线上移，则,i,o,= i,C1,增大，,v,o,也增大，当工作点上移到图中A点时，U,CE1,=V,CES,，已到输出特性的饱和区，此时输出电压达到最大不失真幅值 V,omax,。根据上述图解分析，可得输出电压的幅值为V,om,= I,om,R,L,= V,CC,- V,CE1,其最大值为V,ommax,= V,CC,- V,CES,。T,2,管的工作情况和T,1,相似，只是在信号的负半周导电。,16,A,B,两管的工作情况：,为了便于分析两管的工作情况，将T,2,的特性曲线倒置在T,1,的右下方，并令二者在Q点，即V,CE,= V,CC,处重合，形成T,1,和T,2,的所谓合成曲线。这时负载线通过V,CC,点形成一条斜线，其斜率为 -1/R,L,。,显然:,允许的i,o,的最大变化范围为:2I,om,，,v,o,的变化范围为: 2V,om,=2I,om,R,L,=2(V,CC,-V,CES,)。,若忽略管子的饱和压降V,CES,，则,V,ommax, 2V,CC,。,根据以上分析，可求出工作在乙类的互补对称电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率和效率。,17,2. 性能指标分析计算,(设输出电压幅值为,V,om,时),1) 输出功率,最大输出功率,18,2),管耗,单个管子在半个周期内的管耗,两管管耗,19,3),直流电源提供的功率,P,V,直流电源供给的功率P,V,包括负载得到的信号功率和T,1,、T,2,消耗的功率两部分。,20,4),效率,效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。,一般情况下效率：,21,5.2.3 功率三极管BJT的选择,1.最大允许管耗与最大输出功率的关系,22,2.,功率BJT的选择,在功率放大电路中，为了输出较大的信号功率，管子承受的电压要高，通过的电流要大，功率管损坏的可能性也就比较大，所以功率管的参数选择不容忽视。选择时一般应考虑BJT的三个极限参数，即集电极最大允许功率损耗P,CM,，集电极最大允许电流I,CM,和集电极-发射极间的反向击穿电压V,(BR)CEO,。,由前面知识点的分析可知，若想得到最大输出功率，又要使功率BJT安全工作，,BJT的参数必须满足下列条件：,（,1）,每只BJT的最大管耗,P,T1max,0.2 P,omax,（2）,通过BJT的最大集电极电流为,I,CM,V,CC,/ R,L,（3）,考虑到当T,2,导通时，-,v,CE2,=V,CES, 0 ，此时v,CE1,具有最大值，且等于2V,CC,.,应选用反向击穿电压,| V,(BR)CEO,| 2V,CC,的管子。,注意：在实际选择管子时，其极限参数还要留有充分的余地。,23,例题（课本中例.）,功放电路如下图所示，设V,CC,12V，R,L,，BJT的极限参数为I,CM,=2A， 。试求：,（1）最大输出功率P,om,值，并检验所给三极管能否安全工作？,（2）放大电路在 时的输出功率P,O,值。,24,解：,（1）求P,om，,并检验三极管的安全工作情况,由,得：,又因为：,可得：所求数值均分别小于所选三极管极限参数，故三极管 能安全工作。,25,（2）放大电路在 时的输出功率P,O,值。,由式,可得,将V,om,代入式,得：,26,例已知输入为正弦信号，,L,，,.,，要求最大输出功率为，试在三极管饱和压降可以忽略的情况下，求下列各值,（）正负电源的最小值（取整数）,（）根据V,CC,最小值，求三极管的I,CM,和V,(BR)CEO,最小值,（）当输出功率为最大时，输入电压有效值和两个电阻上损耗的功率,27,解：由电路分析，电阻对功率放大器各参数有影响,（）,而,取,（）,28,（）,半波整流正弦电流有效值：,两个电阻上的损耗功率,P,R,29,一、乙类互补对称功率放大电路的交越失真,理想情况下，乙类互补对称电路的输出没有失真。,实际电路中，由于没有直流偏置，只有当输入信号,v,i,大于管子的门坎电压（NPN硅管约为0.6V，PNP锗管约为0.2V）时，管子才能导通。,当输入信号,v,i,低于这个数值时，T,1,和T,2,都截止，,i,c1,和,i,c2,基本为零，负载R,L,上无电流通过，出现一段死区。这种现象称为,交越失真。,5.3 甲乙类互补对称功率放大电路,5.3.1甲乙类双电源互补对称电路,30,交越失真,31,二、 甲乙类双电源互补对称电路,1. 基本电路,为了克服乙类互补对称电路的交越失真，需要给电路设置偏置，使之工作在甲乙类状态。,T,3,组成前置放大级，给功放级提供足够的偏置电流。T,1,和T,2,组成互补对称输出级。静态时，在D,1,、D,2,上产生的压降为T,1,、T,2,提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状态，工作在甲乙类。这样，即使,v,i,很小，也可线性地进行放大。,上述偏置方法的缺点：偏置电压不易调整，改进方法可采用V,BE,扩展电路。,利用二极管进行偏置的互补对称电路,32,2. V,BE,扩展电路,流入T,4,的基极电流远小于流过R,1,、R,2,的电流，则由图可求出：,V,CE4,=V,BE4,(R,1,+R,2,)/R,2,由于V,BE4,基本为一固定值(硅管约0.60.7V)，只要适当调节R,1,、R,2,的比值，就可改变T,1,、T,2,的偏压V,CE4,值。,V,CE4,就是T,1,、T,2,的偏置电压这种电路称为BE扩展电路,33,1. 电路组成,T,3,组成前置放大级，,T,2,和T,1,组成互补对称电路输出级,5.3.2 甲乙类单电源互补对称电路,OTL(Outout Transformerless),34,2. 工作原理,T,3,组成前置放大级，T,2,和T,1,组成互补对称电路输出级。,v,i,=0时，调节R,1,、R,2,，就可使I,C3,、V,B2,和V,B1,达到所需大小，给T,2,和T,1,提供一个合适的偏置，从而使K点电位V,K,= V,C,= V,CC,/2 。,v,i,0时，在信号的负半周，T,1,导电，有电流通过负载R,L,，同时向C充电；,v,i,0时，,在信号的正半周，T,2,导电，则已充电的电容C起着双电源互补对称电路中电源 V,CC,的作用，通过负载R,L,放电。只要选择时间常数R,L,C足够大(比信号的最长周期还大得多)，就可以认为用电容C和一个电源V,CC,可代替原来的+ V,CC,和 - V,CC,两个电源的作用。,35,静态时，通常K点电位V,K,= V,C,= V,CC,/ 2。为了提高电路工作点的稳定性能，常将 K 点通过电阻分压(R,1,R,2,)与前置放大电路的输入端相连，以引入负反馈。其最终结果是使V,K,趋于稳定。R,1、,R,2,引入了交流负反馈，改善了性能指标。,在上图中，假定由于温度的变化使V,K,，则,V,K,V,B3, ,B3, ,C3, ,V,C3,V,K,电路中电容C的作用：,a.假定信号的,负半周,期中: T,1,+, T,2,-, C充电。,b.在信号的正,半,周期中: T,1,-, T,2,+,V,CC,断开， C放电。,36,3.单电源互补对称电路存在的问题,单电源互补对称电路解决了工作点的偏置和稳定问题。,采用一个电源的互补对称电路的偏置-OTL(outout transformerless),T,3,37,存在的问题:,输出电压幅值达不到V,om,= V,CC,/2。,现分析如下：,当v,i,为负半周时，T,1,导电，因而,i,B1,增加，由于R,c3,上的压降和V,BE1,的存在，当K点电位向+V,CC,接近时，T,1,的基流将受限制而不能增加很多，因而也就限制了T,1,输向负载的电流，使R,L,两端得不到足够的电压变化量，致使V,om,明显小于V,CC,/2。,38,4.自举电路,39,当,v,i,=0时,v,D,= V,D,= V,CC,-I,c3,R,3,而,v,K,= V,K,= V,CC,/2,因此电容C,3,两端电压被充电到,v,C3,= V,CC,/2 - I,c3,R,3,。,当时间常数R,3,C,3,足够大时,v,C3,(电容C,3,两端电压)将基本为常数(,v,C3,V,C3,),不随,v,i,而改变。,当,v,i,为负时,T,1,导电,V,K,将由V,CC,/2向更正方向变化,考虑到,v,D,=,v,C3,+ V,K,= V,C3,+ V,K,.,显然,随着K点电位升高,D点电位,v,D,也自动升高。因而,即使输出电压幅度升得很高,也有足够的电流,i,B1,使T,1,充分导电。,这种工作方式称为自举，意思是电路本身把,v,D,提高了。,原理：,40,这里介绍一个实用的OCL准互补功放电路。其中主要环节有 ：,(1) 恒流源式差动放大输入级（,T,1,、,T,2,、,T,3,）；,(2) 偏置电路（,R,1,、,D,1,、,D,2,）；,(3) 恒流源负载（,T,5,）；,(4) OCL准互补功放输出级（,T,7,、,T,8,、,T,9,、,T,10,）；,(5) 负反馈电路（,R,f,、,C,1,、,R,b,2,构成交流电压串联负反馈）；,(6) 共射放大级（,T,4,）；,(7) 校正环节（,C,5,、,R,4,）；,(8),U,BE,倍增电路（,T,6,、,R,2,、,R,3,）；,(9) 调整,输出级工作点元件（,R,e,7,、,R,c,8,、,R,e,9,、,R,e,10,）。,将其集成起来，就成为集成功放电路。,*5.4 集成功率放大器,实用功率放大器举例,41,+24V,u,i,R,L,T,7,T,8,R,C,8,-24V,R,2,R,3,T,6,R,c,1,T,1,T,2,R,b,1,R,b,2,C,1,R,f,R,1,D,1,D,2,T,3,R,e,3,T,4,R,e,4,C,2,T,5,R,e,5,C,3,C,4,T,9,T,10,R,e,10,R,e,7,R,e,9,C,5,R,4,BX,差动放大级,反馈级,偏置电路,共射放大级,U,BE,倍增,电路,恒流源,负载,准互补功放级,保险管,负载,实用的OCL准互补功放电路：,42,集成功放 LM384管脚说明:,14,-,电源端（,V,cc,）,3、4、5、7 -,接地端（ GND）,10、11、12 -,接地端（GND）,2、6 -,输入端,（一般2脚接地）,8 -,输出端,（经500,电容接负载）,),1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,1 -,接旁路电容（5,）,9、13 -,空脚（NC）,43,集成功放 LM384 外部电路典型接法：,500,-,+,0.1,2.7,8,14,6,2,1,5,+,V,cc,v,i,8,调节音量,电源滤波电容,外接旁路电容,低通滤波,去除高频噪声,输入信号,输出耦合大电容,举例：习题5.4.1 P223,44,1功率放大器的特点：工作在大信号状态下，输出电压和输出电流都很大。要求是在允许的失真条件下，尽可能提高输出功率和效率。,2为了提高效率，在功率放大器中，BJT常工作在乙类和甲乙类状态下，并用互补对称结构使其基本不失真。与甲类功率放大电路相比，乙类互补对称功率放大电路的主要优点是效率高，在理想情况下，其最大效率约为78.5%。,3互补对称功率放大器的几种主要结构：,OCL（双电源）乙类,甲乙类。,OTL（单电源）乙类,甲乙类。,4.,为保证BJT安全工作，双电源互补对称电路工作在乙类时，器件的极限参数必须满足：,P,CM,P,T1m,0.2 Pom,，,|V,(BR)CEO,|2V,CC,，,I,CM,V,CC,/R,L,。,本章小结,45,5.,由于BJT输入特性存在死区电压，工作在乙类的互补对称电路将出现交越失真，克服交越失真的方法是采用甲乙类(接近乙类)互补对称电路。通常可利用二极管或V,BE,扩大电路进行偏置。,6.,在单电源互补对称电路中，计算输出功率、效率、管耗和电源供给的功率，可借用双电源互补对称电路的计算公式，但要用V,CC,/2代替原公式中的V,CC,。,7随着半导体工艺、技术的不断发展，输出功率几十瓦以上的集成放大器已经得到了广泛的应用。功率VMOS管的出现，也给功率放大器的发展带来了新的生机。,46,1.,功率放大电路的主要特点和要解决的主要问题是什么？,2.,哪种组态的放大电路作为功率放大电路较合适？为什么？,3.,提高功率放大电路效率的思路是什么？,4.,单从效率的角度来考虑，哪种工作方式的功放效率最高？,5.,乙类工作方式存在的突出矛盾是什么？,6.,互补对称功放电路是如何解决效率与失真这对矛盾的？,思考题,47,9.,乙类互补对称功放的效率在理想情况下可达到多少？,13.,功率器件在实际使用中应注意哪些问题？,10.,单电源互补对称功放是如何工作的？,11.,单电源互补对称功放中的自举电路是用来解决什么问题的？其原理是什么？,12.,单电源互补对称功放的输出功率、管耗、电源供给的功率和效率的计算与双电源的计算有何不同？,7.,什么是交越失真？其产生的原因是什么？如何克服？,8.,乙类互补对称功放的分析计算：P,o,、P,om,、P,T1,、P,T2,、P,v,、,、P,T1m,及其与P,om,的关系。,48,例:,(北京邮电大学1999年研究生入学试题),OTL互补对称功放，设电容 C足够大，三极管的饱和电压降V,CES,=1V,问：,(1)按功放分类电路中T,1,、T,2,的工作方式为那种；,(2)电阻R,1,和D,1,、D,2,的作用；,(3)电位器R,W,的作用；,(4)试求负载R,L,上得到的最大不失真输出功率,P,om,、P,V,、 和P,T1m,;,(5)试求管子的,极限参数:集电极最大允许功率损耗P,CM,，集电极最大允许电流I,CM,和集电极-发射极间的反向击穿电压V,(BR)CEO,。,49,解,:,(4),（5）当一个管子处于饱和状态,，,另一个管子c、e间承受的电压接近2V,CC,，所以：,50,讨论：,本题要求掌握双电源互补对称电路在极限状态下 P,om,、P,V,和 的计算。要注意题中所用的公式是在极限条件下推导的，实际功放电路可工作于极限状态也可工作在非极限状态，所以要注意公式的应用条件，切勿死套公式。,51,例: (北方交通大学2000年研究生入学试题),若要设计一个输出功率为10W的乙类功率放大,器，则应选择P,CM,至少为,_W,的功率管两只。,解：,乙类功率放大器最大管耗与电路的最大输出功率的关系是: P,T1m,= 0.2 P,om,要求输出功率为10W,要用两个额定管耗大于2W的管子。,52,例: (北京理工大学1997年研究生入学试题) 功放电路中，已知运算放大器 A 具有理,想特性，其最大输出电压幅度为 10V,最大输,出电流为10mA,|V,BE,|=0.7V,输入电压,u,i,=U,im,sin,t.,(1)为获得最大输出功率，三极管的只至少,应为多少；,(2)电路的最大输出功率P,om,(忽略三极管的,饱和压降和交越失真)；,(3)该电路的电压放大倍数,53,解：如图所示电路为运放驱动的OCL功率放,大器。,(1)已知运放最大输出为10V，所以R,L,最大,电压 U,om,= 10 - 0.7 = 9.3V,54,又知最大输出电流为10mA，所以,(3),电路是电压并联负反馈，,55,例: 某集成电路的输出极如图所示。,(1)分析T,4,和R,1,、R,2,的功能；,(2)T,5,、T,6,和R,3,、R,4,的工作原理。,56,解:,(1)R,1,、R,2,和 T,4,组成V,BE,扩大电路，在静态时为功放管 T,2,、T,3,提供小电流偏置，以便较好的克服交越失真；另外当 V,BE4,随温度变化时，具有温度补偿的作用。,(2)电流通过T,5,R,3,和T,6,R,4,分别对T,2,和T,3,实现过流保护。当正向输出电流,e2,超过额定值时,R,3,上的压降促使T,5,正向偏置，T,5,由截止转为导通，旁路了驱动级向T,2,提供的基极电流，达到过流保护的目的；同理，当负向电流超过额定值时，T,6,R,4,将对T,3,起限流保护作用。,57,例: 某功率放大电路如图所示，设T,4,、T,5,的饱和压降及静态时的管耗忽略不计，试求：,（1）当输入电压有效值,U,i,=0.5V时，电路的输出,功率P,o,及输出级的效率；,（2）当U,i,为多大时，电,路可获得最大输出功率,P,om,，并计算P,om,值。,58,解：,本例电路由差动放大器，甲乙类OCL放大器和电压串联负反馈组成。,（1）,电路闭环放大倍数,（2）,59,小结：,在计算功率放大电路时要注意功率放大,电路的结构形式很多，如有互补对称电路和,变压器耦合的功率放大电路；互补电路由可,分为单电源和双电源互补对称电路；变压器,耦合的功放电路又可分单管电路和推挽电路，,因此要根据不同的电路结构应用相应的公式。,在应用公式时还要注意功放电路是工作在极,限状态还是在非极限状态。如本例中，P,o,P,om,。,60,