大电路功率放大电路.ppt

第3章多级放大电路差分放大电路功率放大电路 返回目录 3 1多级放大电路3 2差分放大电路的分析3 3功率放大电路 返回目录 3 1多级放大电路 3 1 1多级放大电路组成及耦合方式 3 1 2阻容耦合多级放大电路 3 1 3直接耦合多级放大电路 返回首页 2耦合形式 3 1 1多级放大电路的组成及耦合方式 1组成 1组成 第一级 第二级 第n 1级 第n级 RL 输入级 中间级 输出级 末级 前置级 放大电压 放大功率 耦合 两单级放大电路间的连接 耦合电路 实现两单级放大电路间连接的电路 对耦合电路的要求 耦合电路能保证各级有合适的静态工作点 耦合电路能保证不引起失真 尽量减小信号在耦合电路上的损失 2耦合形式 多级放大电路的连接 产生了单元电路间的级联问题 即耦合问题 放大电路的级间耦合必须要保证信号的传输 并且必须保证各级的静态工作点正确 耦合电路采用直接连接或电阻连接 不采用电抗性元件 级间采用电容或变压器耦合 电抗性元件耦合 只能传输交流信号 但漂移信号和低频信号不能通过 直接耦合电路可传输低频甚至直流信号 因而缓慢变化的漂移信号也可以通过直接耦合放大电路 直接耦合 电抗性元件耦合 根据输入信号的性质 就可决定级间耦合电路的形式 c 变压器耦合 a 阻容耦合 b 直接耦合 三种耦合电路 阻容耦合的特点 各级静态工作点不互相影响 不能集成 不能传送直流 变化缓慢的信号 变压器耦合的特点 不能传送直流 变化缓慢或高频信号 另变压器需用有色金属和磁性材料 体积大 成本高 传递电压的同时 还可进行电压 电流和阻抗变换 各级静态工作点不互相影响 不能集成 直接耦合的特点 各级静态工作点互相影响 产生零点漂移 可放大直流和变化缓慢的信号 便于集成 零点漂移 零点漂移 是三极管的静态工作点随时间而逐渐偏离原有静态值的现象 产生零点漂移的主要原因是温度的影响 所以有时也用温度漂移或时间漂移来表示 工作点参数的变化往往由相应的指标来衡量 一般将在一定时间内 或一定温度变化范围内的输出级工作点的变化值除以放大倍数 即将输出级的漂移值归算到输入级来表示的 例如 V C或 V min 返回 阻容耦合多级放大电路的结构特点 两极之间用电容耦合 前级的输出电压是通过耦合电容C和后级的输入电阻耦合到后级的 故叫阻容耦合 3 1 2阻容耦合多级放大电路 阻容耦合多级放大电路的分析 静态分析 两级电路分别分析 相当于分析两个单级电路 动态分析 总电压放大电路的放大倍数 总输入电阻 总输出电阻 在求分立元件多级放大电路的动态参数时可将电路作两种等效 一是将后一级的输入电阻作为前一级的负载考虑 即将第二级的输入电阻等效为第一级的负载电阻RL1 ri2 第1种等效 将后一级与前一级开路 计算前一级的开路电压放大倍数和输出电阻 并将其作为信号源内阻加以考虑 共同作用到后一级的输入端 第2种等效 例 电路如图 问第一级的交流负载电阻是多少 第二级的信号源内阻是多少 设 1 2 50 rbe1 rbe2 1 2k 求两个管子的总的电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 PNP管的微变等效电路与NPN管的完全相同 第一级的交流负载电阻就等于第二级的输入电阻 ri2 RB3 RB4 rbe2 657 第二级的信号源电阻就等于第一级的输出电阻 ro1 Rc1 3 3k 例 电路如图 设 1 2 50 1 计算各级静态工作点 设VBE 0 6V 2 画微变等效电路 3 求两个管子的总的电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 解 1 静态分析 动态分析 返回 3 1 3直接耦合放大电路 1直接耦合放大电路存在的问题及其解决办法2直接耦合放大电路的分析 1 直接耦合放大电路存在的问题及其解决办法 前级与后级静态工作点相互影响 第一级 VCE1 VBE2 0 6V Q1接近饱和区 第二级 IB2很大 Q2进入了饱和区 且深度饱和 所以 两管均不能正常工作 解决办法 在第二级加射极电阻 RE会使第二级集电极的静态电位提高 使级数受限 RE会使第二级放大倍数下降 用稳压管代替电阻 其交流电阻小 直流电阻大 PNP和NPN管交替使用 实现电平移动 可解决级数受限的问题 零点漂移是直接耦合放大电路存在的主要问题 3采用差动放大电路 解决办法 1采用恒温措施 采用调制和解调的方法 用阻容耦合多级放大电路来放大直流信号或低频信号 2直接耦合两级放大电路的分析 静态分析 画出vi 0时的直流等效电路 解方程组可求得VCE1和IB2 动态分析方法与阻容耦合相同 例 1 2 100 1 求静态工作点 2 动态分析 先计算三极管的输入电阻 电压放大倍数 ri rbe1 RB1 RB2 3 1 51 20 3 1 14 4 2 55k ro Rc2 4 3k 返回 3恒流源差动放大电路 3 2差动放大电路 返回 1原理电路 2典型的差动放大电路 长尾电路 两半电路完全对称有两个输入端 两个输出端 1 结构特点 1原理电路 2 对零点漂移的抑制作用 T VO VO1 VO2 0 对零点漂移有抑制作用 差放对零漂的抑制动画 3 对信号的作用 输入信号加在1端和2端有三种输入方式 差模信号输入 vi1 vi2 即vi1和vi2为大小相等 相位相反的一对信号 vi2 0 vi1 0 vo vo1 vo2 0 差模电压放大倍数 差模电压放大倍数等于单管电压放大倍数 说明用了两倍的电路并没有提高电压放大倍数 vi1 vi2 即vi1和vi2为大小相等 相位相同的一对信号 vi2 0 vi1 0 vo vo1 vo2 0 共模电压放大倍数 对共模电压放大倍数抑制 4 对共模信号输入 5 比较输入信号 vi1 vi2 共模信号 差模信号 差模信号共模信号动画 6 共模抑制比 理想 KCMRR 7 原理电路存在的问题 静态没有调零每个管子的漂移没有被抑制 返回 2 典型的差动放大电路 长尾电路 1 增加元件的作用 对共模信号有很强的负反馈作用 对差模信号短路 调零电位器 使vi 0时vo 0 共模反馈电阻 能区别对待共模和差模信号 提供RE上的直流压降 保证VE 0 2 长尾电路的分析 差分放大电路的输入方式 信号的输入方式 若信号加到1端和2端之间 称为双端输入 信号仅从一个输入端和地之间加入 另一端接地 称为单端输入 差分放大电路有两个输出端 一个是集电极C1 另一个是集电极C2 从C1 3端 和C2 4端 之间输出称为双端输出 差分放大电路的输出方式 同相输入端 输出信号一定时 输入信号与输出信号极性相同的那个输入端 反之 为反之为反相输入端 仅从集电极C1或C2对地输出 另一端开路 称为单端输出 动画 3 差动放大电路的静态计算 由IB的计算式可知 RE对一半差分电路而言 只有2RE才能获得相同的电压降 双端输出时 画出半边电路的直流等效电路 思考 接入负载后 静态工作点有无变化 T2管的静态工作点与T1管的相同 单端输出时 画半边电路的直流等效电路 可求出VC1 4 差模放大电路的差模动态计算 差分放大电路的差模工作状态分为四种 1 双端输入 双端输出 双 双 2 双端输入 单端输出 双 单 3 单端输入 双端输出 单 双 4 单端输入 单端输出 单 单 主要讨论的问题有 差模电压放大倍数差模输入电阻输出电阻 这种方式适用于双端输入 输出均不接地的情况 双端输入双端输出 差模输入电阻 输出电阻 差模电压放大倍数 差模输入电阻 差模电压放大倍数 输出电阻 半边电路的微变等效电路 差模信号输入时 RE上的交流信号抵消 虽然RE上没并联电容 但对交流信号仍短路 差模电压放大倍数 单管的电压放大倍数 RB影响电压放大倍数负载分到每个管子为RL 2 双端输入单端输出 这种方式适用于将差模信号转换为单端输出的信号 双端输入单端输出因只利用了一个集电极输出的变化量 所以它的差模电压放大倍数是双端输出的二分之一 输出电阻 差模电压放大倍数 差模输入电阻 1RL对静态工作点有影响 2差模电压放大倍数 单管的电压放大倍数的一半 3Ad可正可负 若信号从3端输出 则1端为反相输入端 2端为同相输入端 若信号从4端输出 则2端为反相输入端 1端为同相输入端 4单端输出时 只靠射极电阻RE来抑制零漂 两管零漂互相补偿的作用消失 故其零漂较大 共模电压放大倍数较大 单端输入双端输出 单端输入信号可以转换为双端输入 这种方式用于将单端信号转换成双端差分信号 可用于输出负载不接地的情况 vi1 vi2 vi 2 单端输入双端输出与双端输入双端输出结果一样 单端输入单端输出 单端输入单端输出与双端输入单端输出一样 返回 3恒流源差动放大电路 1问题的提出 提高共模抑制比 有两个途径 一是增大差模电压放大倍数 一是减小共模电压放大倍数 为了提高共模抑制比应加大Re 但Re加大后 为保证工作点不变 必须提高负电源 这是不经济的 能否找到一个器件交流电阻大 直流电阻小 直流电阻 交流电阻 用恒流源T3来代替RE 恒流源动态电阻大 可提高共模抑制比 同时恒流源的管压降只有几伏 可不必提高负电源之值 这种电路称为恒流源差分放大电路 电路如图 利用三极管CE两端的恒流特性代替RE 电路分析 静态分析 从T3开始 动态分析与长尾电路一样 即增加的元件不影响动态参数 返回 3 3 1概述3 3 2变压器耦合功率放大电路3 3 3无输出变压器乙类互补功率放大电路 OTL电路 3 3 4无输出电容乙类互补功率放大电路 OCL电路 3 3 5复合管3 3 6功放电路的分析计算 3 3功率放大电路 返回 2 效率要高 放大电路输出给负载的功率是由直流电源提供的 若效率不高 则能量浪费 管子温度升高 减短管子的寿命 放大电路的效率用 表示 为 POMAX PE 其中POMAX为最大输出功率 等于输出电压和输出电流有效值的乘积 PE为电源提供的功率 多级放大电路的末级是功率放大电路 功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路 该电路应达到的基本要求 一 基本要求 1 为了获得尽可能大的输出功率 必须使输出信号电压和电流都要大 三极管工作在极限状态 要选用功率管 放大电路的输出电阻与负载匹配 3 3 1概述 4 要考虑管子的散热 3 尽量减小非线性失真 二 功放的工作状态 三极管根据导通时间可分为如下三个状态 甲类 三极管360 导电 甲乙类 三极管180 360 导电乙类 三极管180 导电 甲乙类180 360 导电 乙类180 导电 图4 01三极管的工作状态 甲类360 导电 2 乙类 甲乙类 静态工作点设在截止区或在交流负载线的下半部分 信号出现了部分失真 1 甲类 静态工作点大致在交流负载线的中点 甲类放大的效率不高 理论上不超过25 无论有无信号输入 电源都提供功率PE VCCIC 要提高效率 减小电源提供的功率 即Q下移 功率放大电路必须考虑效率问题 为了降低静态时的工作电流 三极管从甲类工作状态改为乙类或甲乙类工作状态 此时虽降低了静态工作电流 但又产生了失真问题 如果不能解决乙类状态下的失真问题 乙类工作状态在功率放大电路中就不能采用 推挽电路和互补对称电路较好地解决了乙类工作状态下的失真问题 返回 动画 3 3 2变压器耦合功率放大电路 RL选择很重要 实际RL都偏小要得到合适RL 就需要进行阻抗匹配 变压器可实现 通过调N1 N2来选出最佳的RL 工作在甲类效率低 变压器体积大 低频响应差 不能集成 返回 3 3 3无输出变压器乙类互补功率放大电路 OTL电路 利用射极输出器实现阻抗匹配2乙类互补功率放大电路 OTL电路 1利用射极输出器实现阻抗匹配 可通过选取 来得到最优负载 2乙类互补功率放大电路 OTL 乙类互补功率放大电路如图所示 它由一对NPN PNP特性相同的互补三极管组成 这种电路也称为OTL互补功率放大电路 1 电路组成 2 工作原理 动态时 当输入信号处于正半周时 T1导通 T2截止 ie1流过负载 产生vo 同时对电容充电 当输入信号为负半周时 T1截止 T2导通 电容放电 产生电流ie2通过负载RL 按图中方向由下到上 与假设正方向相反 VB VA 静态时 VB VA VCC 2 T1 T2截止 即处于乙类工作状态 电容两端的电压为VCC 2 于是两个三极管一个正半周 一个负半周轮流导电 在负载上将正半周和负半周合成在一起 得到一个完整的不失真波形 动画17 4OTL电路 严格说 输入信号很小时 达不到三极管的开启电压 三极管不导电 因此在正 负半周交替过零处会出现一些非线性失真 这个失真称为交越失真 如图所示 交越失真 如何克服交越失真呢 动画17 1交越失真 动画17 3交越失真实验波形 为解决交越失真 可给三极管稍稍加一点偏置 使之工作在甲乙类 此时的互补功率放大电路如图所示 a 利用二极管提供偏置电压 b 利用三极管恒压源提供偏置 返回 动画 3 3 4无输出电容乙类互补功率放大电路 OCL电路 OTL电路存在的问题是 电路中的大电容 无法放大变化缓慢的信号 另外也无法集成 引出无输出电容乙类互补功率放大电路 OCL电路 动画17 1OCL电路 返回 3 3 5复合管 复合管的特点 复合管的 是个管 1 2的乘积 复合管的类型与第一管的类型相同 复合管的输入电阻大 约为单管输入电阻的 倍 第一个管子用小功率管 第二个管子用大功率管 则配对时 只需配第一个同类型的大功率管 使用复合管时 要注意的问题是 第二个管子的输入电流应与第一个管子的输出电流一致 返回 3 3 6功放电路的分析计算 1OTL电路的分析计算 1 计算输出功率PO和最大不失真输出功率POM VO和IO为输出电压和输出电流的有效值 最大不失真输出功率POM 最大不失真输出电压波形 返回 2 计算电源提供的功率PE 最大不失真输出时 3 效率 最大不失真输出时 2OCL电路的分析计算 1 计算输出功率PO和最大不失真输出功率POM VO和IO为输出电压和输出电流的有效值 最大不失真输出电压波形 最大不失真输出功率POM 2 计算电源提供的功率PE 最大不失真输出时 3 效率 最大不失真输出时 例 在OTL和OCL电路中 VCC均为15V RL 10 VCES 1V 分别求两电路最大不失真输出时的最大输出功率 电源提供的功率 效率 解 在OTL电路中 最大不失真输出时最大输出功率为 电源提供的功率和效率为 在OCL电路中 最大不失真输出时最大输出功率为 电源提供的功率和效率为 返回 第3章结束 返回