模电课件(第四章功率放大电路).ppt

第四章 功率放大电路,功率放大电路导论,4.1 功率放大电路的主要特点,4.2 互补对称式功率放大器,本章小结,4.3 采用复合管的功率放大电路,单元测验,4.4 集成功率放大电路,功率放大电路的主要任务就是用于放大电 路的输出级，向负载提供足够大的输出功率， 以驱动执行机构。如：使扬声器发声、继电器 动作、仪表指针偏转等。并要求功放电路的效 率非常高；输出信号的失真比较小。 由于功放电路处理的都是大信号，因此不 采用微变等效电路分析法，采用的是图解法进 行分析和求解。,功率放大电路导学,返回,4.1 功率放大电路的主要特点,一、 功率放大电路的用途,驱动显示仪表、音响、自动控制系统的执行部 件。以及需要大功率驱动的负载。(如下例所示),1、扩音系统,功率放大,电压放大,信号提取,执行机构,2、温度控制器,R1、R2、R3: 标准电阻,Ua : 基准电压,Rt : 热敏电阻,A ：放大器,Rt,T,T,Ub,控温过程,UO,UO1,二、对功率放大电路的要求,即：输出电压和电流都要有足够大的变化量。,1、要求有最大的输出功率,最大输出功率,最大输出电压的有效值,最大输出电流的有效值,2、要有较高的效率,输出的功率其实都是由VCC转换而来的，尤 其是在大功率的输出情况下，这个转换效率就 显得很重要。,效率,直流电源VCC提供的功率,放大电路提供给负载的功率,由上式可以导出功率放大电 路的最大效率为：,3、要有较小的失真,由于“功放”工作在大信号的场合，因此所 处理的信号在三极管特性曲线上将得到极至地发 挥。其器件的非线性特性则无法避免，我们只能 根据负载的要求来规定其允许的失真范围。,因为处理的是大信号，所以不能采用 微变等效电路来分析“功放”。一般常用 图解法分析“功放”静态和动态参数。,三、传统的推挽功率放大电路(乙类功率放大器),1、电路结构(变压器耦合)：,T1：输入变压器； T2：输出变压器； VT1和VT2： 对称放大管。,2、工作原理：, 当uI为正半周时： VT1工作在放大 区，VT2工作在 截止区。(推), 当uI为负半周时： VT1工作在截止 区，VT2工作在放大区。(挽), 最后在两管的集电极合成一个完整的正弦波，再 通过T2耦合到负载RL上。,3、图解分析：,4、 传统的乙类推挽功率放大电路的 缺点： 输入/输出变压器的体积大、重； 因为是变压器耦合，故频带窄； 存在交越失真和不对称失真； 电路采用反馈时，易自激振荡。,返回,4.2 互补对称式功率放大器,4.2.1 OTL互补对称电路,一、OTL乙类互补对称电路,1、电路结构：, VT1 和VT2 分别由 NPN和PNP管组成， 然后共同对RL组成 射极输出器。, 电路只有一个电源，NPN管由VCC供电，PNP管 由电容C供电。R1和R2分别为两管的偏置电阻。,2、工作原理：, 静态时： 合理选取R1、R2，使 两管均微通，其发射 极电位为VCC/2。大 电容C已充满电，UC 也为VCC/2。, 当uI为正半周时： VT1放大、VT2截止。 其正半周的信号通过VT1管、C到达负载。VT1的 供电电压为：VCC-UC=VCC-VCC/2=VCC/2。, 当uI为负半周时： VT1截止、VT2放大。 其负半周的信号通过 VT2管和电容C到达负 载。VT2的供电电压 为：UC= -VCC/2。, VT1和VT2各负责输 入信号半周波形的放 大。所以在负载上iRL=iC1-iC2，合成了一个完整的 正弦波。,3、讨论：, VT1导电是靠VCC 供电，VT2导电是 靠 C 供电。所以 C 必须非常大，否则 在负半周会供电不足产生失真。, 此电路不使用变压器，用电容 C 来耦 合，所以称为：OTL电路。, 此电路由两管轮流工作，互补对称输 出，各处理正弦信号的 180 度。故又 称为：乙类互补对称电路。,4、图解分析, 将两管的输出特性曲线合并，VT2是PNP管，所以 UCE2取负值。, 静态时：,所以：,静态工作点Q在中点处，负载线的斜率由RL来确定。, 输入电压在正半周时：VT1导电，工作点从Q沿斜 线向左上方运动。最大集流为Icm1。, 输入电压在负半周时：VT2导电，工作点从Q沿斜 线向右下方运动。最大集流为Icm2。, 假设VT1、VT2 特性曲线对称：, 三极管集电极电 压的最大值为：, OTL乙类互补对称电路的最大输出功率Pom,将前式 代入上式:（若Uces在0.3V左右时，则可以忽略）, 直流电源VCC消耗的功率PV,PV等于VCC/2与半个周期内三极管集电极电流平 均值的乘积。,由于：,所以：, OTL乙类互补对称电路的最大效率m,电路实际上的效率比上值要低。因为电源提供的 功率有一部分转化为集电极的功耗，使管子发热产生 了温升。, 每个三极管的最大功耗PTm,两个三极管的总功耗为最 大输出功率Pom的0.4倍。,5、OTL乙类互补对称电路的优、缺点,优 点 效率高，理想情况下最在可达 到78.5%，在静态时，ic1 、ic2 为0， 即：静态功耗为0。,缺 点 在输入信号为 0 附近的区域内， VT1 和VT2 都不导通，因此会出现 交越失真。所以上电路若不改进， 则没有实用的价值。,6、交越失真现象, 产生交越失真的原因,在输入信号正半周 或者负半周的起始段， VT1、VT2都处在截止 状态，所以这一段输出 信号出现了失真，我们 称此现象为交越失真。, 克服交越失真的方法,在两个互补管 的基极引入R、VD1 和VD2支路，保证 电路在静态时或起 始段，VT1和VT2 都处在导通状态， 这样就克服了两管 都截止的情况，保 证了输出信号不出 现了失真。,二、OTL甲乙类互补对称电路,1、电路结构：,在VT1和VT2的基极 接入R和VD1、VD2。, 静态时：,2、工作原理：,由R和VD1、VD2在 两个三极管的基极上产生 一个偏压，使VT1和VT2 微微导通。所以uI=0时， VT1 和VT2 有一个小小的集 流。但是，iL=0。, 当uI为正半周时：,ic1逐渐增大，VT1在 放大区工作， ic2逐渐减 小，VT2进入截止区。, 当uI为负半周时：,ic2逐渐增大，VT2在 放大区工作， ic1逐渐减 小，VT1进入截止区。, 在uI的整个周期内：,负载RL上得到了比较理想的正弦波，减小了交 越失真。,3、波形分析：,在这个互补对称放 大电路中，每管的导电 角(工作区)大于180 度， 小于 360 度，因此称为 甲乙类放大电路。,甲类放大电路，三 极管导电角360,乙类放大电路，三 极管导电角=180, 此电路的参数计算，可以近似用 乙类互补电路的公式计算；,4、讨论：, 此电路的交越失真小，效率也不 错，故应用非常广泛；, 缺点是：电容体积大，不易集成 化；低频效果差，不适用高档音 响设备。,4.2.2 OCL互补对称电路,一、电路结构：,1、彻底实现了直接耦合,2、采用了两路电源 (用 -VCC替代了OTL电 路中的UC)，分别为 VT1和VT2供电。,二、工作原理：,工作原理与OTL电路基本相同，但供电方式不同。,1、静态时：,所以：,静态工作点Q在中点处，负载线的斜率仍由RL来确定。,2、三极管集电极电 压的最大值为：,3、OCL互补对称电路的最大输出功率Pom,将前式 代入上式:（若Uces在0.3V左右时，可以忽略）,比OTL电路的Pom大，这是靠两套电源获得的。,4、直流电源VCC消耗的功率PV,PV等于VCC与半个周期内三极管集电极电流平 均值的乘积。,由于：,所以：,电源消耗的功率也比OTL电路大得多。,5、OCL互补对称电路的最大效率m,电路实际上的效率比上值要低。因为电源提供的 功率有一部分转化为集电极的功耗，使管子发热产生 了温升。OCL与OTL电路的最大效率m相同。,6、每个三极管的最大功耗PTm,两个三极管的总功耗为最大输出功率Pom的0.4倍。,三、 OCL互补对称电路的优、缺点,优 点 兼顾了OTL电路的所有优点， 并省去了C，便于集成化；改善了 低频响应。,缺 点 由于负载直接与射极相连，一 旦三极管损坏，VCC 形成的大电流 将直接流过负载，若时间稍长必定 会造成负载烧毁。 在实用电路中常采用熔断保险 丝与负载串联或启用二极管、三极 管保护电路。,例 用图解法：对比甲类、OTL乙类、OCL乙类的最大 输出功率。假设上电路的VCC和RL均相同，那么它 们的输出功率之间有何关系。,解1、 甲类电路：,解2、OTL乙类电路：,解3、OCL乙类电路：,四、讨论 1、图中的阴影面积就是Pom，这就是 功率三角形。 2、甲类放大时，静态电流大，因此 效率也就低，约在30%左右。 3、乙类放大时，静态功耗等于0，因 此效率高，约在78%左右。 4、OCL的功率是OTL的4倍，但需要 两套电源。,五、注意 由于共集电极电路只能放大 电流而不能放大电压，所以上面 的电路必须用电压幅度足够大的 信号驱动。换句话说：输入和输 出电压的幅度近似相等，但输出 信号的功率得到了放大。,例 下图两电路的VCC均为20V，负载电阻RL均为16 ， 三极管饱和压降 Uces 均为 2V，分别估算下面OTL 和OCL电路的最大输出功率Pom和最大效率m。,解：估算OTL电路的Pom,电源消耗的功率,最大效率,解：估算OCL电路的Pom,返回,电源消耗的功率,最大效率,4.3 采用复合管的功率放大电路,将三极管复合使用，不仅可以获 得很大的电流放大系数 ，提高了电 路的电压放大倍数Au，而且还可能提 高输入电阻。,一、三极管复合使用时的技术指标,三极管复合后，其关健技 术指标是：确定该复合管的电 流放大系数 和复合管的输入 电阻rbe。,由两个NPN型三极管组成的复合管,1、常见的NPN型复合管, 复合管的值,复合管值为：, 复合管的输入电阻rbe,复合管输入电阻为：,PNP型复合管的分析结果与NPN型复合管相同。,2、 复合管的正确组合方式, NPN型复合管(电流为二进一出),一个出口端为射极，两个进口端一个为基极， 另一个为集电极。, PNP型复合管(电流为一进二出),一个进口端为射极，两个出口端一个为基极， 另一个为集电极。, 复合管的组合原则, 前后级三极管的电流方 向要一致，以形成适当 的通路(NPN管要能一出 二进，PNP管要能一进 二出)。, 要能保证前后级三极管 的每个PN结都能获得正 确的偏置(发射结正偏， 收集结反偏)。,3、 复合管的值和rbe, 同类型复合管, 不同类型复合管,二、采用复合管组成的功率输出级,1、复合管组成的互补对称电路,假若：1=50， 2=20 则总的 1000,缺点：NPN型管和PNP型管虽可以互补，但很难对称。,若负载峰值电流为： 2.12A (大型音响设备) ， 则复合管的驱动电流只 要2.12mA即可。,2、复合管组成的准互补对称电路,Re1，Rc2的作用是 为了调整复合管中VT3、 VT4的静态工作点而引 入的。,由于VT3、VT4的为 同类型三极管，因此电 路的对称性比前面的电 路好。,返回,4.4 集成功率放大电路,4.4.1 OTL音频功率放大电路,一、电路组成,共有三级放大,1、输入级：,VT1经C3输出,2、中间级：,VT2经R6 R7 R8 直接耦合输出,3、功放级：,VT3 VT4互补对 称输出(OTL)。,4、功能之一：,R6 R7 R8联到VT1VT2的基极防止了交越失真。因此可知功放级是甲乙类互补对称电路。,因是OTL电路，C6 上的电压可估算出来 为：VCC/2,热敏电阻R8 的温度系数是负值，它可以保证在温度增加时，VT3VT4的基流不随着温度的增加而增加。,5、功能之二：,R10 是一个电压并联负反馈，其作用是稳定中间级和功放级的静态工作点。,6、功能之三：,接入VT3和VT4射极的电阻R11 R12是起限流作用，防止瞬时电流太大烧坏负载。,7、功能之四：,电阻R14 是电压串联负反馈。它的作用是增大输入电阻，降低输出电阻。改善电路的带负载的能力。,8、功能之五：,小电容 C2 C4 是校正电容。它们的作用是利用负反馈产生的相位偏移，消除电路可能产生的自激振荡。,9、功能之六：,C7也是校正电容，是主极点校正。,二、主要技术 指标估算：,1、闭环电压 放大倍数：,2、最大输出 功率Pom：,OTL电路的供电电压为VCC/2,设：UCES=1V,UR11=0.5V,为了保证电路不失真，正常工作时的输出功率不要超出0.5W。,4.4.2 OCL高保真功率放大电路,一、电路组成,共有三级放大,1、输入级：,VT1 VT2 VT3组成恒流源差分放大电路。,差分电路是采用单端输入单端输出的方式。,VT4 VT5 组成共射极放大电路。,2、中间级：,VT4是NPN型硅管， VT5是有源负载。所以这一级可以获得很大的电压放大倍数。,由复合管VT7VT9和 VT8 VT10组成OCL互补对称放大电路 。,VT6给复合管提供了静态基流，防止交越失真。,3、功放级：,VT2和RF组成了电压串联负反馈，可提高输入电阻降低输电阻。减小失真，展宽频带，稳定静态工作点，增强了带负载的能力。,4、功能之一：,由于RL是感性负载，反馈信号有可能引起电路自激振荡，因此引入了C5和R2进行补偿。,5、功能之二：,C2 C3 C4是为了消出自激振荡而引入的消振电容。,6、功能之三：,二、主要技术 指标估算：,1、闭环电压 放大倍数：,2、最大输出 功率Pom：,OCL电路的供电电压为VCC,设：URe4=0.7V UEC4=1V UBE7=0.8V UBE9=0.8V URe9=1V,代入上式：,实用中输出功率不超过20W,返回,1、功率放大电路主要任务是要大功率、高效率、小失真。,2、常用的功率放大 电路主要有OTL 和OCL两种。,本章小结：,返回,单元测验,1、互补对称功放电路的放大作用是 。,正确,错误,B、对电压、电流均有放大作用,A、只对电压有放大作用,D、对电压、电流均无放大作用,C、只对电流有放大作用,错误,错误,2、在互补对称功率放大电路中，引起交越失真的 原因是 。,正确,错误,B、 晶体管值过大,A、 输入信号过大,C、 电源电压太高,D、 晶体管的非线性,错误,错误,3、已知某