《低频功率放大器》PPT课件.ppt

第 5 章,低频功率放大器,458,5.1 概述,5.1.1 功率放大器的主要指标,5.1.2 功率放大器的分类,459,5.1.1 功率放大器的主要指标,功率放大：以输出功率为重点 ，驱动负载。,电压放大：不失真地增大输出信号电压幅度，以驱动功放。,功率放大实质上也是能量转换电路，它的主要特点 就是工作在大信号状态下。,1.预备知识,电压放大和功率放大有不同的特点及指标要求，在多级 放大器中，电压放大器处于前置级和中间级，而功率放大处 在末级（也可能包括末前级），以驱动负载。,460,效率：放大器的输出信号功率 与直流电源供给功率 之比。,2. 主要指标,功率放大器在线性区能够向负载提供的最大交流功率。,a. 工作在线性区；,（1）输出功率,注意：,b. 提供的最大交流功率（管子充分利用或称尽限运用）。,：直流电源供给集电极和偏置电路等直流功率之和。,晶体管集电极效率 ：输出功率Po与电源供给集电极的直流功率 之比。,（2）功率放大器的效率和晶体管集电极效率,461,2.主要指标,直流电源供给功率 一部分变成了有用的输出信号， 剩余的部分主要变成了晶体管的管耗 ，即：,（3）非线性失真,由于功放工作在大信号状态下，所以很容易导致输出 信号产生非线性失真。要求功放产生的非线性失真尽可能小。,结论：,功率放大器的任务是: 在确保晶体管安全运用情况下， 获得尽可能大的输出功率，尽可能高的效率和尽可能小的 非线性失真。,462,5.1.2 功率放大器的分类,功率放大器根据功放管的导通时间的长短进行分类。,（1）甲类（A类）工作状态,在输入信号的整个周期内晶体管 都是导通的。,（2）乙类（B类）工作状态,在输入信号的半个周期内晶体管 导通。,463,5.1.2 功率放大器的分类,（3）甲乙类（AB类）工作状态,是介于甲类和乙类之间的工作状态，晶体管导通的时间大于 半个周期，但小于一个周期。,（4）丙类（C类）工作状态,晶体管导通的时间小于半个周期。,464,5.1.2 功率放大器的分类,（5）丁类（D类）工作状态,此时，晶体管处于开关状态，即在输入信号的半个周期内 饱和导通；在另外半个周期内，晶体管截止。,饱和导通：,五类功放的效率满足下式：,465,5.2 互补推挽功率放大器,引言：甲类单管功放简介,设变压器为理想的,需要强调指出的是，对于甲类功率，PU是一常数，与输入信号 的大小无关。即使输入信号为零，直流电源还照样提供直流功率， 因此效率很低。,466,5.2 互补推挽功率放大器,5.2.1 乙类推挽功率放大器的工作原理,5.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算,5.2.3 乙类推挽功率放大器的非线性失真,467,采用乙类的原因：由于晶体管只在半个周期内 导通，因此晶体管的集电极静态电流 ，所以 一个周期内晶体管的平均功耗小。,5.2.1乙类推挽功率放大器的工作原理,显然，集电极电流产生了严重的非线性失真,选用两只特性完全相同 的异型晶体管 ，轮流工作在 乙类状态。,如何解决非线性失真和高效率的矛盾？,从而在负载上获得完整的输出波形。,468,1.电路结构,（1） 和 是一对对称的异型晶体管；,（2） 和 分别与负载组成射极跟随器；,（3）采用 两组电源供电。,两管交替工作，一只在输入 信号正半周导通，另一只在负半 周导通，犹如一推一挽，在负载 上合成完整的波形。,469,2.工作原理,注：以下的分析中不考虑门限电压。,电路,两管基极的静态电位为零,两管均截止,470,2.工作原理,电路,导通， 截止,与 组成射极跟随器,在 上得到上半周波形,输入信号在正半周的情况,471,2. 工作原理,电路,导通， 截止,与 组成射极跟随器,在 上得到下半周波形,输入信号在负半周的情况,472,2. 工作原理,473,5.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算,组合特性曲线,1.组合特性曲线,由于功放电路工作在大 信号状态下，不能采用微变 等效电路分析，必须采用图 解法分析。为了便于分析， 将VT1的特性曲线倒置在VT2 特性曲线的下方，它们的静 态工作点重合。,474,工作原理分析,475,2.输出功率,不考虑uCES时，输出功率是 AQO的面积，此时输出功 率最大。,两个晶体管的输出功率为：,定义电压利用系数,即忽略晶体管的饱和压降,结论：,通常所指的输出功率 是指在线 性区得到的最大输出功率。如一功率放大器输出功率为10W，就是这 个意思。实际输出功率与激励信号的大小有关。,476,3.直流电源供给晶体管集电极的直流功率,直流电源供给晶体管集电极的直流功率是由两个电源供 给的，由于每个晶体管只导通半周期，故流过每个集电极的 电流为半个周期的非正弦波。,可见，输入信号越大，即越大， 需要提供的直流电源供给功率PU就越大； 反之，输入信号越小，需要提供的直流 电压功率就越小。当输入信号为零时， 直流电源不需要提供功率。,这说明电源供给的直 流功率不是恒定不变的， 而是根据输入信号大小而 变化。因此乙类功放的效 率高（与甲类进行比较）。,477,4.集电极效率,cmax称为理论极限效率。,可见，乙类推挽功放的集电极效率与电压利用系数成正比。,478,5.对晶体管的要求,（1）集电极功耗Pc ：每管的集电极损耗。,通过管耗的表达式可以画出 和的关系曲线,能否认为输入信号越大 越大），管耗就越大呢？,上式均是对两管而言的，而集 电极功耗是对每一管子而言的。,管耗也与有关。,在选管时，为了保证晶体管安 全工作，可以以此作为选管依据。,479,5. 对晶体管的要求,处于截止状态的晶体管的c极和e极 之间承受的反压,（3）集电极最大允许电流,指功放管导通时，流过管子的最大电流。,（2）反向击穿电压,结论：,为确保晶体管安全工作，必须同时满足上面的三个条件。,图示的双电源供电的互补推挽功率放大器称为 OCL（Output Capacitor Less)电路。,， 导通， 截止，情况一样。,480,例51 一双电源互补对称电路如图所示，设已知UCC=12V, RL=16,输入信号为正弦波，求（1）忽略饱和压降时，负 载得到的最大输出功率Pomax；(2)每个管子的PCM至少为多 少？(3)每个管子的耐压为多少？,解：,(2) 每管允许承受的管耗：,故要求管子允许的最大管耗为：,(3) 每管的耐压为：,481,例52 电路如图所示，电源电压UCC20V，RL8， 试计算当输入信号为正弦信号，且有效值为10V时，电路的 输出功率、管耗、直流电源供给功率和效率。,解：,导通时，VT1和VT2均构成共集电路，因此,输出功率：,每管实际承受的管耗：,482,直流电源供给的功率：,应当指出，由于输入信号偏小，这时电路未处于充分 利用或尽限运用，输出功率未达到线性区最大输出功率， 故效率偏低。,483,5.2.3 乙类推挽功率放大器的非线性失真,1.推挽电路对偶次谐波的抑制,推挽电路中，若两管的特性完全一致，则其电压、 电流波形也完全对称。,可见，对称的电路可以消除偶次谐波成分。,484,2.交越失真及消除方法,理想传输特性（不考虑门限电压）,（1）传输特性,在实际传输特性中，必须考虑三极 管发射结的门限电压值。,可以看出，当输入信号的绝对值 小于0.7V时，没有输出，因此输出 信号会出现明显的失真。,是NPN管的集电极饱和电压,传输特性的斜率为什么为1？,485,2.交越失真及消除方法,交越失真,实际传输特性及输出电压波形如图所示：,（2）交越失真,交越失真是指发生 在信号穿越过零点时产 生的失真。,486,2.交越失真及消除方法,由图看出，交越失真是由晶体管发射 结门限电压引起的，因此，若能给两个晶 体管发射结加入适当的正向偏置电压, 使 每个管子导通时间略超过T/2，以克服两管发 射结死区电压的影响，就可以消除交越失真。,原理电路,（3）消除交越失真的方法,a.改为甲乙类工作状态,交越失真,该图是原理电路，实际上，在集 成电路中，正向偏置不会直接采用电 压源的方式，可以用电阻、二极 管和三极管等元器件来提供。,图中，给两个晶体管加入了同样 的正偏电压 ，由于此时晶体管的 导通时间已大于半个周期，因此此时 的工作状态是甲乙类工作状态。但由于 其工作状态十分接近于乙类，故仍可按 乙类的功放进行分析。,487,2.交越失真及消除方法,实际电路1：,实际电路2：,显然，在该电路中，正向偏压是 由 和 的正向电压提供。,电容 是保证在交流时，加在 和 基极的输入信号是相同的。,在该电路中， 是放大级， 和 构成互补推挽功放， 正向偏压是利用流过 的直流 电流 在 上产生的压降提供的。,488,2.交越失真及消除方法,实际电路3：,恰当选择电阻R1、R2，使IB1 可以忽略不计，则,调整R1、R2比值，即可获得某一倍数 UBE 的 UBB，因此该电路又称为UBE倍增电路。,在该电路中， 是放大级， 和 、 组成恒压源电 路，为 和 提供正向偏 压，以消除交越失真。,489,2.交越失真及消除方法,b.使用负反馈电路,在功率放大器前引入一级 电压放大器（在本图中引入了 集成运放），并构成电压串联负 反馈。,设死区电压为0.7V， 则引入负反馈后，死区电压 为0.7V/A0。A0为集成运放 开环增益。,R1是用来限制放大器A的输出电流，但同时RL又是靠R1上 的电流来驱动的。,490,小 结,乙类工作状态的矛盾,互补推挽功放,电路结构,工作原理,电流波形图,组合特性曲线,性能指标,非线性失真,工作原理,性能指标计算,极限参数选择,交越失真,消除方法,491,5.3 其它形式的功放电路,5.3.1 单电源供电的互补推挽电路,5.3.2 准互补推挽功率放大器,5.3.3 桥式平衡功率放大器,5.3.4 集成功放电路,5.3.5 丁类音频功率放大器,492,5.3.1 单电源供电的互补推挽电路,1.原理电路,双电源供电的互补推挽电路需要两组正负电源，有时使用 不便，因此提出了单电源供电电路。,当电容C的容量很大时，对C的充放 电时间远大于信号的半个周期。因此， 当两管轮流导通时，电容两端电压基本 不变。,493,5.3.1 单电源供电的互补推挽电路,2.实际电路结构,电路中只采用 了一组电源供电； VT1是放大级，工 作在甲类状态。,VT2和VT3构成 互补推挽功放，R4 用来消除交越失真， C3用来旁路R4，使 加到VT2、VT3的基 极的激励信号相等。,VT2和VT3的输出通过电容C2和负载相接。,494,5.3.1 单电源供电的互补推挽电路,3.工作原理,调整VT1的静态工作点，使,由于C2的容量很大，因此C2充放电的时间常数远大于信号的 半个周期，所以两管轮流导通时，电容两端的电压基本不变 恒等于UCC/2，相当于直流电源电压，于是对VT2、VT3每管 工作时的直流电源电压均为UCC/2。,495,5.3.1 单电源供电的互补推挽电路,4.性能指标,该电路的性能指标计算 等同于OCL电路，只是此时 的等效电源电压为UCC/2。,图示的单电源供电的互补推挽功率放大器称为 OTL(Output Transformer Less)电路。,496,5.3.2 准互补推挽功率放大器,复合管类型以第一个晶体管为准； 应保证两管的基极电流能流通； 第一管的C、E不能和第二管的B、E接在一起。,1.复合管,将两只或两只以上的晶体管按照一定的原则连接在一起， 以实现一定的目的。,（1）等效为NPN管,（2）等效为PNP管,（3）连接原则：,497,5.3.2 准互补推挽功率放大器,2.准互补推挽电路,VT5作为放大管，工作在甲类 工作状态。,VT1、VT3 以复合管的方式构 成NPN管。,VT2、VT4 以复合管的方式构 成PNP管。,注：VT3和VT4是同型管子，所以不具互补性，互补 作用是由VT1和VT2实现的。,Re1和Rc2的作用是为了减小 复合管的穿透电流。,498,5.3.3 桥式平衡功率放大器（BTL电路),该功率放大器是为了解决输出 功率和电源电压之间的矛盾而提出 的。,该电路最大的特点就是“推”和 “挽”可以同时工作，因此实现了单 电压下的大功率输出。,忽略饱和压降时，负载 的输出电压 幅度为 。,忽略饱和压降时，负载 的输出电压 幅度为 。,负载一定时，BTL电路的输出功率可达到OTL 电路的四倍。,499,5.3.4 集成功放电路,(1) LM380内部电路,LM380是单电源供电的集成功放。,500,5.3.4 集成功放电路,(2) LM380外接引脚,501,5.3.5丁类音频功率放大器,MOS管的出现和数字技术的发展,丁类音频功放,提高放大器的效率 及系统稳定性等,502,1.PWM开关功率放大器工作原理,PWM：脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation),组成框图：,（1）PWM信号的产生,脉宽调制器将音频模拟信号转换为脉冲宽度正比于 其输入信号瞬时幅度的信号,503,1.PWM开关功率放大器工作原理,(2) 开关功率放大器,开关管VT1和VT2轮流导通，以 开关方式工作，即工作于可变电阻 区和截止区两种状态。,工作于可变电阻区：,开关管导通电阻,由于在可变电阻区时，流过管子的电流可以很大，但漏 源间的电压很小，因此开关管的导通电阻很小，故效率很高。,(3) 低通滤波器,只要取样频率足够高，就越容易滤除PWM信号中的谐波 分量，恢复出音频信号，但取样频率也不宜过高，应满足,504,2.实际电路,单片无需滤波器的D类音频功率放大器TPA2005D1,差分输入状态,505,5.4 功率器件、散热及保护电路,5.4.1 功率器件,5.4.2 功放管的管耗与散热,5.4.3 保护电路,506,在 型硅衬底上生长出一层 外延层， 区共同构成漏区， 在其上引出漏极（d极）；在 外 延层上掺杂扩散形成P层及 层， 以此为源极区并在其上引出源极 (s极)；最后利用光刻技术刻蚀出 纵向的V型槽，在整个表面氧化生 成SiO2层，并在V型槽表面蒸发一 层金属层形成栅极（g极）。,5.4.1 功率器件,（1）功率MOSF