功率放大电路的分类及特点分析

教学目的1、掌握互补功率放大电路的工作原理，熟悉实际功放 OCL电路2、掌握 LM386集成功放的工作原理、引脚图及其使用教学重点和难点1、互补功率放大电路的最大输出功率、转换效率和最大输出电压的计算2、LM386 集成功放的应用教学时数 4 学时教学内容第一节 功率放大电路概述一、功率放大电路的特点二、放大电路的组成第二节 互补功率放大电路一、OCL 电路的组成及工作原理二、OCL 电路的输出功率及效率 第三节 集成功率放大电路一、集成功率放大电路的分析 二、集成功率放大电路的主要性能指标三、集成功率放大电路的应用电子教案4 学时本章讨论的问题：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？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（45 分钟）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（直流）电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。功放电路的要求：1.Pomax 大，三极管极限工作；2.h = Pomax / PV 要高；3.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PoIoUo。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。3.最大输出电压 Uom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。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如何选择功放管？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1.无输入信号作用时：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。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R/L(=RC/RL)上获得的最大交流功率 P/Om 为图 9.1.1 小功率共射放大电路的输出功率和效率分析即图 9.1.1 中三角形 QDE 的面积负载电阻 RL 上所获得的功率 PO 仅为 POm 的一部分。3.结论：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1.电路2.工作原理：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(V CC ，0)。电源提供的功率为 PV ICQ VCC ，全部消耗在管子上。R L 等效到原边的电阻为则可作出交流负载线在理想变压器的情况下，最大输出功率为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：P V ICQ VCC 电路的最大效率为: P om / PV =50 3.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电路分析：无输入信号，二管截止有输入信号，二管交替导通重要概念：推挽同类型管子在电路中交替导通的方式称为“推挽”工作方式。)(21)(0 LCQLCQmRIIPLLN21)( CQCQmII0图 9.1.3重要概念：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三极管根据导通时间可分为如下四个状态，如图所示。三、无输出变压器的功率电路 Output Transformerless（OTL 电路） 用一个大容量电容取代了变压器(电容：几百 几千微法的电解电容器 )，如图 9.1.4。图 9.1.4 OTL 电路1.电路结构特点：单电源供电。T1 和 T2 特性对称2.工作原理分析：静态时：前级电路应使基极电位为 VCC/2，发射结电位为 VCC/2 ，故电容上的电压也VCC/2。工作时：T 1 和 T2 轮流导通，电路为射极跟随状态。3.OTL 乙类功放电路存在的问题：OTL 工作在乙类工作状态，会出现交越失真。4.问题：如何消除？ （9.2.1 解决）四、无输出电容的功率放大电路 Output Capacitorless（OCL 电路）1.电路图图 9.1.5 OCL 电路2. 电路结构特点：双电源供电,T 1 和 T2 特性对称 3.工作原理分析：静态时: T 1 和 T2 均截止，输出电压为零。工作时: T 1 和 T2 交替工作，正、负电源交替供电，输出与输入之间双向跟随。重要概念：互补不同类型的二只晶体管交替工作，且均组成射极输出形式的电路称为“互补”电路；二只管子的这种交替工作方式称为“互补”工作方式。五、桥式推挽功率放大电路 Balanced Transformerless（BTL 电路）1.电路结构特点：单电源供电，四只管子特性对称2.工作原理分析：静态时，四只晶体管均截止，输出电压为零。工作时，当 ui0 时 ，T 1 和 T4 导通，T 2 和T3 截止，负载上获得正半周电压；当 ui0 时 ，T 2 和 T3 导通，T 1 和 T4 截止，负载上获得负半周电压。因而负载上获得交流功率小结：1.功率放大电路是在电源电压确定的情况下，以输出最大不失真的信号功率各具有尽可能高的转换效率为组成原则，功放管常常工作在尽限应用状态。2.低频功放电路有变压器耦合乙类推换电路、OTL 电路、OCL 电路和 BTL 电路。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 BTL图 9.1.6 BTL 电路9.2 互补功率放大电路（90 分钟）目前使用最广泛的功放是 OTL 电路和 OCL 电路本节主要掌握：功放电路的组成原则掌握 OCL 的工作原理、特点。9.2.1OCL 电路的组成及工作原理一、电路组成1.电路结构特点：乙类互补功率放大电路如图 9.2.1 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 OCL 互补功率放大电路。图 9.2.1 乙类互补功率放大电路2.工作原理分析：当输入信号处于正半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时 NPN 型三极管导电，有电流通过负载 RL，按图中方向由上到下，与假设正方向相同。当输入信号处于负半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时 PNP 型三极管导电，有电流通过负载 RL，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。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。如图 9.2.2 所示。(a) 波形图(动画 17-1) (b) 交越失真(动画 17-2)图 9.2.2 乙类互补功率放大电路波形的合成严格说，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。3.如何消除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 9.2.3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图 9.2.3 甲乙类互补功率放大电路9.2.2OCL 电路的输出功率及效率1最大不失真输出功率 Pomax设互补功率放大电路为乙类工作状态，输入为正弦波。忽略三极管的饱和压降，负载上的最大不失真功率为L2CLESCL2CESomax )(/)(=RVRV2电源功率 PV直流电源提供的功率为半个正弦波的平均功率，信号越大，电流越大，电源功率也越大。 LomC 0LomC0omV2 )d(sin2)d(sin2=R tRVtII 显然 PV 近似与电源电压的平方成比例。3三极管的管耗 PT电源输入的直流功率，有一部分通过三极管转换为输出功率，剩余的部分则消耗在三极管上，形成三极管的管耗。显然L2omCoVT2=RV将 PT 画成曲线，如图 9.2.4 所示。显然，管耗与输出幅度有关，显然管耗与输出幅度有关，图 17.05 中画阴影线的部分即代表管耗，P T 与 Vom 成非线性关系，有一个最大值。可用 PT 对 Vom 求导的办法找出这个最大值。 PTmax 发生在 Vom=0.64VCC 处，将 Vom=0.64VCC代入 PT 表达式，可得 PTmax 为omaxoaxomaxL2CL2C L2CC2omT 4.0.8.064.5. )6.(.= PPRRV对一只三极管omaxT2.0P图 9.2.4 乙类互补功率放大电路的管耗4效率 当 Vom = VCC 时效率最大， =/4 =78.5。ComoComo 42 VIVIP9.2.3OCL 电路中晶体管的选择一、最大管压降 UCEmax=2VCC 二、集电极最大电流三、集电极最大功耗在查阅手册选择晶体管时，应使极限参数BUCEO2V CC ICMV CC/RL PCM0.2P om 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LCES1EmaxCRV I）（ 4UR1 sinRU)si(212POMCL00LOMOCT tdttdiuE（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）（2）因为 UOU i，所以 UOm8V 。最大输出功率小结：1.功放的输入信号幅值较大。分析时应采用图解法。（1）求出功放电路负载上可能获得的交流电压的幅值，（2）求出功放电路负载上可能获得的最大交流功率（3）求出电源提供的直流平均功率（4）求出转换效率2.OCL 电路为直接耦合功率电路，为了消除交越失真，应工作在甲乙类状态。9.4 集成功率放大电路（45 分钟）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。本节主要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。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。一、LM386 内部电路2.电路分析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 R7 从输出端连接到 T2 的发射极形成反Wm8RVPL2CESLO2）（ 6.04CV 图 9.4.1 LM386 内部电路原理图馈通道，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+UR6U i/2 2.当引脚 1 和 8 之间外接电阻 R 时3.当引脚 1 和 8 之间对交流信号相当于短路时4.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结论：电压放大倍数可以调节，调节范围为 20200。三、 LM386 引脚图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 电路如图 9.4.3静态时输出电容上电压为 VCC /2 最大不失真输出电压的