模拟电器 物理教学课件 第九章 功率放大器

1 第九章第九章 功功率放大器率放大器模拟电路模拟电路 第九章第九章 功率放大器功率放大器9.1 功率放大电路概述功率放大电路概述9.2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路9.3 实际功放电路实际功放电路9.4 集成功率放大器集成功率放大器9.5 变压器耦合式功放电路变压器耦合式功放电路例例1： 扩音系统扩音系统执行机构执行机构功率放大器的作用：功率放大器的作用： 用作放大电路的用作放大电路的输出级输出级，以，以驱驱动动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、 仪表仪表指针偏转等。指针偏转等。 9.1 功率放大电路概述功率放大电路概述功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取例例2：温度控制温度控制R1-R3:标准电阻标准电阻Ua : 基准电压基准电压Rt :热敏电阻热敏电阻A：电压放大器：电压放大器RtTUOT 温度调节温度调节过程过程UbUO1R1aR2uoUsc+R3Rt 功功 放放b温控室温控室A+-uo1加热元件加热元件分析功放电路应注意的问题分析功放电路应注意的问题(1) 功放电路中电流、电压要求都比较大，功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管的极必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。 ICMPCMUCEMIcuce(2) 电流、电压信号比较大，必须注意防止电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。波形失真。(3) 电源提供的能量尽可能转换给负载，减少电源提供的能量尽可能转换给负载，减少 晶体管及线路上的损失。即注意提高电路晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（的效率（ ）。）。Pomax : 负载上得到的交流信号功率。负载上得到的交流信号功率。PE ： 电源提供的直流功率。电源提供的直流功率。%100maxEoPP不合适，因不合适，因为效率太低为效率太低 。 uotuo射极输出器输出电阻低，带负载射极输出器输出电阻低，带负载能力强，可以用做功率放大器吗能力强，可以用做功率放大器吗？问题讨论问题讨论:ibRbuoUSCuiRE估算射极输出器的效率估算射极输出器的效率 ：QicuceUSCESCRU(设设RL=RE)为使输出信号的幅值尽可能大为使输出信号的幅值尽可能大(要保证不失真要保证不失真)，静，静态工作点（态工作点（Q）设置较高（靠近负载线的中部）。）设置较高（靠近负载线的中部）。若忽略晶体管的饱和若忽略晶体管的饱和压降和截止区，输出压降和截止区，输出信号信号uo的峰值最大只的峰值最大只能为：能为：uo的取的取值范围值范围QIcuCEUSCESCRU直流负直流负载线载线交流负交流负载线载线UCEQ = 0.5USC 静态工作点：静态工作点：LSCESCCQRURUI5 . 05 . 0SComUU5 . 0maxTCSCEdtiUTP01LSCLSCLomORURURUP825 . 02222maxmax%25maxmaxEOPP放大电路的输出没有失真的工作方式称为放大电路的输出没有失真的工作方式称为甲类放大甲类放大。)sin(tIIiIicmCQcCQCLSCCQSCTCSCTCSCERUIUdtiTUdtiUTP212001. 直流电源输出的功率直流电源输出的功率2. 最大负载功率最大负载功率3. 最大效率最大效率(RL=RE时时)如何解决效率低的问题？如何解决效率低的问题？办法：办法：降低降低Q点。点。既降低既降低Q点又不会引起截止失真的办法：点又不会引起截止失真的办法：采用采用推挽输出电路，推挽输出电路，或或互补对称射极输互补对称射极输出器。出器。缺点：缺点：但又会引起截止失真。但又会引起截止失真。9.2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路 互补对称功放的类型互补对称功放的类型 无输出变压器形式无输出变压器形式 （ OTL电路）电路）无输出电容形式无输出电容形式 （ OCL电路）电路）OTL: Output TransformerLessOCL: Output CapacitorLess互补对称：互补对称：电路中采用两支晶体管，电路中采用两支晶体管，NPN、 PNP各一支；两管特性一致。各一支；两管特性一致。类型：类型：9.2.1 无输出电容的互补对称功放电路无输出电容的互补对称功放电路一、工作原理（设一、工作原理（设ui为正弦波）为正弦波）电路的结构特点：电路的结构特点：ui-USCT1T2uo+USCRLiL1. 由由NPN型、型、PNP型三极型三极管构成两个对称的射极管构成两个对称的射极输出器对接而成。输出器对接而成。2. 双电源供电。双电源供电。3. 输入输出端不加隔直电输入输出端不加隔直电容。容。ic1ic2动态分析：动态分析：ui 0VT1截止，截止，T2导通导通ui 0VT1导通，导通，T2截止截止iL= ic1 ;ui-USCT1T2uo+USCRLiLiL=ic2T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方两个晶体管都只在半个周期内工作的方式，称为式，称为乙类放大乙类放大。因此，不需要隔直电容。因此，不需要隔直电容。静态分析：静态分析：ui = 0V T1、T2均不工作均不工作 uo = 0V乙类放大的输入输出波形关系乙类放大的输入输出波形关系:ui-USCT1T2uo+USCRLiL交越失真交越失真死区电压死区电压uiuouou o tttt交越失真：交越失真：输入信号输入信号 ui在过零在过零前后，输出信号出现的失真便前后，输出信号出现的失真便为交越失真。为交越失真。ui-USCT1T2uo+USCRLiL(1) 静态电流静态电流 ICQ、IBQ等于零；等于零；(2) 每管导通时间等于半个周期每管导通时间等于半个周期 ； (3) 存在交越失真。存在交越失真。 乙类放大的特点：乙类放大的特点：二、最大输出功率及效率的计算二、最大输出功率及效率的计算假设假设 ui 为正弦波且幅度足够大，为正弦波且幅度足够大，T1、T2导通时均能饱和，此时输出导通时均能饱和，此时输出达到最大值。达到最大值。ULmax负载上得到的最大功率为：负载上得到的最大功率为：iL-USCRLuiT1T2UL+USC若忽略晶体管的饱和若忽略晶体管的饱和压降，压降，则负载（则负载（RL)上的电上的电压和电流的最大幅值分别压和电流的最大幅值分别为：为：LSCLmSCLmRUIUUmaxmaxLSCLSCSCoRURUUP21222max电源提供的直流平均功率计算：电源提供的直流平均功率计算： 每个电源中的电流为半个正弦波，其平均值为每个电源中的电流为半个正弦波，其平均值为:两个电源提供的总功率为：两个电源提供的总功率为：USC1 =USC2 =USC01)(sin21LSCLSCavRUttdRUILSCavavRUII12LSCLSCSCEEERURUUPPP22122 tic1LSCRU%5 .7842222maxLSCLSCEoRURUPP效率为：效率为：LSCLSCSCEEERURUUPPP22122LSCLSCSCoRURUUP21222max三、电路的改进三、电路的改进1. 克服交越失真克服交越失真交越失真产生的原因：交越失真产生的原因： 在于晶体管特性存在在于晶体管特性存在非线性，非线性，ui IB，则，则221RRRUUBE3. 电路中增加复合管电路中增加复合管增加复合管的目的是：增加复合管的目的是：扩大电流的驱动能力。扩大电流的驱动能力。复合管的构成方式：复合管的构成方式：cbeT1T2ibicbecibic方式一：方式一：bcccbcbebbciiiiiiiiiii)1 (,)1 (,1212122211211becibic 1 2晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。方式二：方式二：cbeT1T2ibic复合管构成方式很多。不论哪种等效方式，等效复合管构成方式很多。不论哪种等效方式，等效后晶体管的性能确定均如下：后晶体管的性能确定均如下：改进后的改进后的OCL准互补输出功放电路：准互补输出功放电路： T1：电压推动级电压推动级 T1、R1、R2： UBE倍增电路倍增电路 T3、T4、T5、T6： 复合管构成的输出级复合管构成的输出级准互补准互补 输出级中的输出级中的T4、T6均为均为NPN型晶体管，两者特性容易对称。型晶体管，两者特性容易对称。+USC-USCR1R2RLuiT1T2T3T4T5T6-UEE+UCCERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第第4 4级：互补对称射极跟随器级：互补对称射极跟随器差动放大器差动放大器第第2级级第第1级：级：差动放大器差动放大器第第3级：级：单管放大器单管放大器集成运放内部的功率放大器集成运放内部的功率放大器9.2.2 无输出变压器的互补对称功放电路无输出变压器的互补对称功放电路一、特点一、特点1. 单电源供电；单电源供电；2. 输出加有大电容。输出加有大电容。二、静态分析二、静态分析则则 T1、T2 特性对称，特性对称，,2SCAUU2SCCUU2SCiUu 令：令：0.5USCRLuiT1T2+USCCAUL+-UC三、动态分析三、动态分析设输入端在设输入端在 0.5USC 直流电平直流电平基础上加入正弦信号。基础上加入正弦信号。若输出电容足够大，若输出电容足够大， UC基本基本保持在保持在0.5USC ，负载上得到的，负载上得到的交流信号正负半周对称，但存交流信号正负半周对称，但存在交越失真。在交越失真。ic1ic2交越失真交越失真RLuiT1T2+USCCAUL+-时，时，T1导通、导通、T2截止；截止；2SCiUu 时，时，2SCiUu T1截止、截止、 T2导通。导通。0.5USCuit四、输出功率及效率四、输出功率及效率若忽略交越失真的影响，且若忽略交越失真的影响，且 ui 幅度足够大。则：幅度足够大。则：LSCLmSCLmRUIUU22maxmax、LSCLmLmLRUIUP8222maxmaxmaxLSCavSCERUIUP22)(sin2210ttdRUILSCav%5 .784maxELPPuLULmaxui2SCUtt实用实用OTL互补输出功放电路互补输出功放电路调节调节R,使静态使静态UAQ=0.5USCD1 、 D2使使b1和和b2之间的之间的电位差等于电位差等于2个二极管正个二极管正向压降，克服交越失真。向压降，克服交越失真。Re1 、 Re2：电阻值：电阻值12 ，射极负反馈电阻，也起射极负反馈电阻，也起限流保护作用。限流保护作用。D1D2ui+USCRLT1T2T3CRBRe1Re2b1b2A9.3 实际功放电路实际功放电路这里介绍一个实用的这里介绍一个实用的OCL准互补功放电路。其准互补功放电路。其中主要环节有中主要环节有 ： (1) 恒流源式差动放大输入级（恒流源式差动放大输入级（T1、T2、T3）；）；(2) 偏置电路（偏置电路（R1、D1、D2）；）；(3) 恒流源负载（恒流源负载（T5）；）；(4) OCL准互补功放输出级（准互补功放输出级（T7、T8、T9、 T10）；）；(5) 负反馈电路（负反馈电路（Rf、C1、Rb2构成交流电压串联负反构成交流电压串联负反馈）；馈）； (6) 共射放大级（共射放大级（T4）；）；(7) 校正环节（校正环节（C5、R4）；）；(8) UBE倍增电路（倍增电路（T6、R2、R3）；）；(9) 调整调整输出级工作点元件输出级工作点元件（Re7、Rc8、Re9、Re10）。）。+24VuiRLT7T8RC8-24VR2R3T6Rc1T1T2Rb1Rb2C1RfR1D1D2T3Re3T4Re4C2T5Re5C3C4T9T10Re10Re7Re9C5R4BX差动放大级差动放大级反馈级反馈级偏置电路偏置电路共射放大级共射放大级UBE倍增倍增电路电路恒流源恒流源负载负载准互补功放级准互补功放级保险管保险管负载负载实用的实用的OCL准互补功放电路：准互补功放电路：输出功率的估算：输出功率的估算：输出电压的最大值约为输出电压的最大值约为 19.7V，设负载，设负载 RL= 8 则最大输出功率为：则最大输出功率为：实际输出功率约为实际输出功率约为 20W。注：注：该实用功放电路的详细分析计算请参考该实用功放电路的详细分析计算请参考模拟电子技术基础模拟电子技术基础（童诗白主编）。（童诗白主编）。W3 .248127 .192maxP9.4 集成功率放大器集成功率放大器特点：特点：工作可靠、使用方便。只需在器件外部适工作可靠、使用方便。只需在器件外部适当连线，即可向负载提供一定的功率。当连线，即可向负载提供一定的功率。集成功放集成功放LM384：生产厂家：生产厂家：美国半导体器件公司美国半导体器件公司电路形式：电路形式：OTL输出功率：输出功率：8 负载上可得到负载上可得到5W功率功率电源电压：电源电压：最大为最大为28V 集成功放集成功放 LM384管脚说明管脚说明:14 - 电源端（电源端（ Vcc）3、4、5、7 - 接地端（接地端（ GND）10、11、12 - 接地端（接地端（GND）2、6 - 输入端输入端 （一般（一般2脚接地）脚接地） 8 - 输出端输出端 （经（经500 电容接负载）电容接负载）)12345 678910111213141 - 接旁路电容（接旁路电容（5 ）9、13 - 空脚（空脚（NC）集成功放集成功放 LM384 外部电路典型接法：外部电路典型接法：500 -+ 0.1 2.7 8146215 Vccui8 调节音量调节音量电源滤波电容电源滤波电容外接旁路电容外接旁路电容低通滤波低通滤波,去除高频噪声去除高频噪声输入信号输入信号输出耦合大电容输出耦合大电容利用变压器的阻抗变换功能，可实现功放电路和负利用变压器的阻抗变换功能，可实现功放电路和负载间的匹配，以弥补其它类型功放电路的不足。载间的匹配，以弥补其它类型功放电路的不足。一、特点一、特点例：例：OCL电路中电路中，若若 RL=80 、需要输出功率需要输出功率 PO=50W。根据公式根据公式 LSCoRUP22max 得电源电压：得电源电压：V9025080SCU90V的电压的电压对电子电路显然不合适。对电子电路显然不合适。利用变压器阻抗变换关系利用变压器阻抗变换关系( RL = K2 RL)，把阻抗变，把阻抗变小，便可解决以上问题。小，便可解决以上问题。9.5 变压器耦合式功放电路变压器耦合式功放电路 （变阻抗）（变阻抗）1i1u2u2iLR1N2N变压器原、副边阻抗关系变压器原、副边阻抗关系LLRKR222IURL从原边等效：从原边等效：22222211KRKIUKIKUIURLL结论：结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以变比的平方。乘以变比的平方。 二、乙类变压器耦合式推挽功率放大器二、乙类变压器耦合式推挽功率放大器1.1.原理电路原理电路uiT2T1RL+-USCiLN2N1N1放大器：放大器：由两个共射极放大器组成，两个三极管由两个共射极放大器组成，两个三极管的射极接在一起。的射极接在一起。输入变压器：输入变压器：将输入信号分成两个大小相等相位相反将输入信号分成两个大小相等相位相反的信号，分别送两个放大器的基极，使的信号，分别送两个放大器的基极，使 T1、T2 轮流导通。轮流导通。输出变压器：输出变压器：将两个集电极输出信号合为一个信号，将两个集电极输出信号合为一个信号，耦合到副边输出给负载。耦合到副边输出给负载。uiT2T1RL+-USCiLN2N1N1uiT2T1RL+-USCiLN2N1N12. 动、静态分析动、静态分析静态分析：静态分析：ui = 0 ， T1、T2 均截止，均截止，iL = 0 。变压器线圈对于直流相当于短路。变压器线圈对于直流相当于短路。uiT2T1RL+-USCiLN2N1N1动态分析：动态分析： ui 0 时：时： T1导通、导通、T2 截止，截止，ic1 经变压器耦合给经变压器耦合给负载，负载，iL的方向由的方向由 ic1决定。决定。 若若ui 为正弦信号，则为正弦信号，则 iL近似为正弦波。近似为正弦波。 ui 0 时：时： T2导通、导通、T1截止，截止，ic2 经变压器耦合经变压器耦合给负载，给负载，iL的方向由的方向由 ic2决定。决定。ic2ic1T1、T2都只在半个周期内工作，存在都只在半个周期内工作，存在交越失真交越失真。3. 输出功率及效率输出功率及效率分析方法和前述互补对称功放电路类似，请分析方法和前述互补对称功放电路类似，请自行分析。这里的负载为变压器原边等效负自行分析。这里的负载为变压器原边等效负载载 RL。uiT2T1RL+-USCiLN2N1N1LLRNNR221三、甲乙类变压器耦合式推挽功率放大器三、甲乙类变压器耦合式推挽功率放大器Rb1、 Rb2、 Re 的作用：的作用：克服交越失真。克服交越失真。USCT1T2RLiLuiReRb2Rb1两个三极管都构成静态工作点稳定的共射极放大两个三极管都构成静态工作点稳定的共射极放大器。其静态工作点都设在刚刚超过截止区，器。其静态工作点都设在刚刚超过截止区， IB很很小，小，IC 也很小，从而降低了直流功耗。也很小，从而降低了直流功耗。直流通道直流通道变压器线圈变压器线圈对于直流相对于直流相当于短路：当于短路：USCT1T2ReRb2Rb146 第九章第九章 结束结束模拟电路模拟电路