模擬電子線路 第三章 功率放大電路

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1、模擬電子線路 第三章 功率放大電路 第一節(jié) 學習要求 第二節(jié) 功率放大電路的一般問題 第三節(jié) 乙類雙電源互補對稱功率放大電路 第四節(jié) 甲乙類互補對稱功率放大器 第一節(jié) 學習要求： 1．了解功率放大電路的主要特點及其分類； 2．熟悉常用功放電路的工作原理及最大輸出功率和效率 的計算； 3．了解集成功率放大電路及其應(yīng)用。 本章的重點： OCL、OTL 功率放大器 本章的難點： 功率放大電路主要參數(shù)分析與計算 第二節(jié)　功率放大電路的一般問題 　　功放以獲得輸出功率為直接目的。它的一個基本問題就是在電源一定的條件下能輸出多大的信號功率。功率放大器既然要有較大

2、的輸出功率，當然也要求電源供給更大的注入功率。因此，功放的另一基本問題是工作效率問題。即有多少注入功率能轉(zhuǎn)換成信號功率。另外， 功放在大信號下的失真，大功率運行時的熱穩(wěn)定性等問題也是需要研究和解決的。 一、功率放大電路的特點、基本概念和類型 1、特點： (1) 輸出功率大 (2) 效率高 (3) 大信號工作狀態(tài) (4) 功率BJT的散熱 2、功率放大電路的類型 (1) 甲類功率放大器 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 特點： · 工作點Q處于放大區(qū)，基本在負載線的中間，見圖5.1。 · 在輸入信號的整個周期內(nèi)，三極管都有電流

3、通過。 · 導通角為360度。 缺點： 　　效率較低，即使在理想情況下，效率只能達到50%。 　　 　　由于有ICQ的存在，無論有沒有信號，電源始終不斷地輸送功率。當沒有信號輸入時，這些功率全部消耗在晶體管和電阻上，并轉(zhuǎn)化為熱量形式耗散出去；當有信號輸入時，其中一部分轉(zhuǎn)化為有用的輸出功率。 作用： 　　通常用于小信號電壓放大器；也可以用于小功率的功率放大器。 (2) 乙類功率放大器 　 　 特點： · 工作點Q處于截止區(qū)。 · 半個周期內(nèi)有電流流過三極管，導通角為180度。 · 由于ICQ=0，使得沒有信號時，管耗很小，從而效率提高?！? 缺點：

4、 　　波形被切掉一半，嚴重失真，如圖5.2所示。 作用： 　　用于功率放大。 (3) 甲乙類功率放大器 　 特點： · 工作點Q處于放大區(qū)偏下。 · 大半個周期內(nèi)有電流流過三極管，導通角大于180度而小于360度。 · 由于存在較小的ICQ，所以效率較乙類低，較甲類高。 　　　　 缺點： 　　 波形被切掉一部分，嚴重失真，如圖5.3所示。 作用： 　　 用于功率放大。 返回 第三節(jié)　乙類雙電源互補對稱功率放大電路 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 一、電路組成　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　在圖5.4所示電路中，兩晶體

5、管分別為NPN管和PNP管，由于它們的特性相近，故稱為互補對稱管。 　　靜態(tài)時，兩管的ICQ=0；有輸入信號時，兩管輪流導通，相互補充 。既避免了輸出波形的嚴重失真，又提高了電路的效率。 　　由于兩管互補對方的不足，工作性能對稱， 所以這種電路通常稱為互補對稱電路。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　 　　 二、分析計算 1. 輸出特性曲線的合成 　　　　　 　　因為輸出信號是兩管共同作用的結(jié)果， 所以將T1、T2合成一個能反映輸出信號和通過負載的電流的特性曲線。合成時考慮到： 　?。?）vi=0時,VCEQ1=Vcc ， -VCEQ2=Vcc

6、， 因此 Q1=Q2 。 　?。?）由流過RL的電流方向知ic1與ic2方向相反。即兩個縱坐標軸相反。 　?。?）特性的橫坐標應(yīng)符合：vCE1+vEC2=Vcc-(-Vcc)=2Vcc 　　 vCE1的原點與-vCE2=2Vcc點重合；-vCE2的原點與+vCE1=2Vcc點重合。 　　由以上三點，得兩管的合成曲線如圖5.6所示。這時負載線過Vcc點形成一條斜線，其斜率為-/RL。顯然，允許的iC的最大變化范圍為2ICm，vCE的變化范圍為2（VCC-VCES）=2Vcem=2IcmRL。如果忽略BJT的飽和壓降VCES，Vcem=IcmRL≈VCC。 2. 計算輸出

7、功率Po 　　在輸入正弦信號幅度足夠的前提下，即能驅(qū)使工作點沿負載線在截止點與臨界飽和點之間移動。如圖5.6所示波形。 輸出功率用輸出電壓有效值V0和輸出電流I0的乘積來表示。設(shè)輸出電壓的幅值為Vom，則　 　　 　　這恰好是圖5.6中△ABQ的面積。因為Iom=Vom/RL，所以 　　 　　圖5.5中的T1 、T2可以看成工作在射極輸出器狀態(tài)，AV≈1。當輸入信號足夠大，使Vim=Vom= Vcem= VCC- VCES ≈VCC和Iom=Icm時，可獲得最大的輸出功率　　 　　 　　由上述對Po的討論可知，要提供放大器的輸出功率，可以增大電源電壓VCC或降低負載阻抗RL

8、。 但必須正確選擇功率三極管的參數(shù)和施加必要的散熱條件，以保證其安全工作。 3.BJT的管耗PT 4、電源提供的功率 　 5、效率η 　 三、功率BJT的選擇 1、最大管耗和最大輸出功率的關(guān)系 　 上式表明：當Vom" 0.6VCC時，BJT具有最大的管耗， 　 因此，功率三極管的選擇應(yīng)滿足以下條件： 　 例題：P220，5.2.3 已知：vi為正弦波，RL=8W， VCES=0，Pom=9W 求 （1）±VCC的最小值， 　 （2）BJT的ICM、 　 （3）Pom=9W時的Pv ?。?）BJT的PCM 　（5）vi的有效值　

9、 解(1) 　(2)BJT的ICM＞ Iom 　 返回 第四節(jié)　甲乙類互補對稱功率放大器 　　圖5.5所示電路具有電路簡單，效率高等特點，廣泛用于直流電機和電磁閥控制系統(tǒng)中。 但由于BJT的ICQ=0, 因此在輸入信號幅度較小時，不可避免地要產(chǎn)生非線性失真 --交越失真，如圖5.7所示?！? 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　產(chǎn)生交越失真的原因：功率三極管處于零偏置狀態(tài)，即：VBE1+　VBE2=0 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　解決辦法：為消除交越失真，可以給每個三極管一個很小的靜態(tài)

10、電流，這樣既能減少交越失真， 又不至于使功率和效率有太大影響。就是說，讓功率三極管在甲乙類狀態(tài)下工作。增大VBE1+VBE2。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 一、甲乙類雙電源互補對稱電路（OCL）　 1. 基本電路 　　甲乙類雙電源互補對稱電路如圖5.8所示。其中圖5.8（a）所示的偏置電路是克服交越失真的一種方法。由圖可見， T3組成前置放大級(注意,圖中末畫出T3的偏置電路),T1和T2組成互補輸出級。靜態(tài)時,在D1、D2上產(chǎn)生的壓降為T1、 T2提供了一個適當?shù)钠珘?使之處于微導通狀態(tài)。由于電路對稱，靜態(tài)時ic1=ic2,iL=0, vo=0。有信號時

11、，由于電路工作在甲乙類, 即使vI很小(D1和D2的交流電阻也小)， 基本上可線性地進行放大。 　　上述偏置方法的缺點是，其偏置電壓不易調(diào)整。而在圖 5.8（b）中， 流人T4的基極電流遠小于流過 R1、 R2的電流， 則由圖可求出VCE4=VBE4(R1+R2)/R2，因此，利用T4管的VBE4基本為一固定值(硅管約為0.6~0.7V)，只要適當調(diào)節(jié)R1、R2的比值,就可改變T1、T2的偏壓值。這種方法，在集成電路中經(jīng)常用到。 2. 特點： 　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　圖5.9是用NPN管驅(qū)動的OCL電路，其特點與圖5.8所示電路一樣。　　　　　　　　　

12、　　　　　　　　　　　　　　　 　　 　?。?） 靜態(tài)時RL上無電流 ； 　?。?） D1、D2（或R，或R、D）供給T1、T2兩管一定的正偏壓，使兩管處于微導通狀態(tài) ； 　?。?） RC是T3的集電極負載電阻， A、B兩點的直流電位差始終為1.4V左右，但交流電壓的變化量相等； 　?。?）電路要求T1、T2的特性對稱； 　?。?）需要使用對稱的雙電源。 二、甲乙類雙電源互補對稱電路（OTL）　 　　　 1、基本電路 　　圖5.10是采用一個電源的互補對稱原理電路， 圖中由T3組成前置放大級，T1和T2組成互補對稱電路輸出級。靜態(tài)時，一般只要R1、R

13、2有適當?shù)臄?shù)值，就可使IC3、VB2和V1達到所需大小，給T1和T2提供一個合適的偏置，從而使K點電位VK=VCC/2。 　　當有信號vi時， 在信號的負半周， T1導電，有電流通過負載RL,同時向C充電；在信號的正半周，T2導電，則己充電的電容C起著圖5.8中電源-VCC的作用，通過負載RL放電，如圖5.11所示。 只要選擇時間常數(shù)RLC足夠大(比信號的最長周期還大得多)， 就可以認為用電容C和一個電源VCC可代替原來的+VCC和-VCC兩個電源的作用。 　 2. 電路特點　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　?。?） 靜態(tài)時RL上無電流 ； 　?。?） D1、D

14、2（或R，或R、D）供給T1、T2兩管一定的正偏壓，使兩管處于微導通狀態(tài) ，即工作于甲乙類狀態(tài)； 　?。?） RC3是T3的集電極負載電阻，b1、b2兩點的直流電位差始終為1.4V左右，但交流電壓的變化量相等； 　?。?）僅需使用單電源，但增加了電容器C,C的選擇要滿足? =RLC足夠大（比vi的最大周期還要大得多），使VC=0.5VCC； 　　（5）T3的偏置電壓取自K點,具有自動穩(wěn)定Q點的作用，調(diào)節(jié)R2可以調(diào)整VK。 　　　　 3. 靜態(tài)工作點的調(diào)整　　　　　　　　　　　　　 　　電路如圖5.12所示。 　 （1） VC=0.5VCC 的調(diào)整 　　用電

15、壓表測量K點對地的電壓，調(diào)整R2使VK=0.5VCC。 （2）靜態(tài)電流IC1、IC2的調(diào)整 　　首先將RW的阻值調(diào)到最小，接通電源后， 在輸入端加入正弦信號用示波器測量負載RL兩端的電壓波形， 然后調(diào)整RW，輸出波形的交越失真剛好消失為止。 4、存在的問題及解決辦法 （1）存在問題 　　上述情況是理想的。實際上，圖5.10的輸出電壓幅值達不到Vom= Vom/2，這是因為當vi為負半周時，T1導電，因而iB1增加，由于RC3上的壓降和VBE1的存在，當K點電位向+VCC接近時，T1的基流將受限制而不能增加很多，因而也就限制了T1輸向負載的電流，使RL兩端得不到足夠的電壓變

16、化量，致使Vom明顯小于VCC/2。 （2）改進辦法 　　如果把圖5.10中D點電位升高， 使VD＞+VCC， 例如將圖中D點與+VCC的連線切斷，VD由另一電源供給，則問題即可以得到解決。通常的辦法是在電路中引人R3、C3等元件組成的所謂自舉電路，如圖5.13所示。 （3）自舉電路的作用 靜態(tài)時　 　　當R3C3足夠大時，VC3不隨vi變化，可認為基本不變。這樣，當vi為負時，T1導電， vK將由VCC/2向更正方向變化， 考慮到vD=vC3+vK= VC3+vK，顯然，隨著K點電位升高，D點電位vD也自動升高。 因而，即使輸出電壓幅度升得很高，也有足夠的電流iB1，使

17、T1充分導電。這種工作方式稱為自舉，意思是電路本身把vD提高了。 5、幾點說明 　?。?）由于T1、T2的工作電壓均為0.5Vcc，因而PO、PT、PV等的計算，只須將乙類互補電路指標計算中的Vcc代之以0.5Vcc即可。 　　（2）由于互補對稱電路中的晶體管都采用共集電極的接法， 所以輸入電壓必須稍 大于輸出電壓。為此，輸入信號需經(jīng)1- 2 級電壓放大后，再用來驅(qū)動互補對稱功率放大器。 　?。?）應(yīng)采取復合管解決功率互補管的配對問題。 異型管的大功率配對比同型管的大功率配對困難。為此，常用一對同型號的大功率管和一對異型號的互補的小功率管來構(gòu)成一對復合管取代互補對稱管 。 　　復合管的連接形式如5.14~5.16所示， 　　 　 　 　 　 　　其等效電流放大系數(shù)和輸入阻抗可以表示為： 　　　　　　 　　（4）必要時注意增加功率管保護電路。 返回