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第8章功率放大电路 武汉理工大学信息工程学院电子技术基础课程组 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 本章主要内容 基本概念 三极管的甲类 乙类和甲乙类工作状态 交越失真 2 PO 输出功率 POM 最大输出功率 3 PV 电源供给的功率 PO PT 本章主要讲述功率放大电路的基本原理和基本分析方法 要求重点掌握以下内容 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 本章主要内容 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 8 1功率放大电路的一般问题 一 什么是功率放大电路 能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路 简称功放 二者无本质的区别 都是能量的控制与转换 二 功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别吗 不同之处在哪里 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 不同之处在于 各自追求的指标不同 电压放大电路 功率放大电路 主要要求使负载得到不失真的电压信号 其输出功率并不一定很大 通常为小信号放大电路 主要要求获得尽可能大的不失真 或失真较小 输出功率和转换效率 通常是在大信号状态下工作 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 三 功率放大电路的特点 要求同时输出较大的电压和电流 管子工作在接近极限状态 一般直接驱动负载 带载能力要强 四 功率放大电路中的特殊问题 输出功率要大 效率要高 输出功率 电源提供的功率 越大 效率越高 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 非线性失真要小 管耗较大 要考虑散热问题 功放管的保护问题 由于功放管处于大信号下工作 故分析功率放大电路时通常采用图解法 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 四 功率放大电路提高效率的主要途径 问题1 分析 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 甲类放大电路的特点 称为甲类放大电路 在整个周期内都有电流流过放大器件 即在一周期内iC 0 甲类放大电路的缺点 管耗大 故电压放大电路不适宜作为功率放大电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 分析 问题2 应尽量减小静态功耗 使IBQ ICQ Q点 iC波形产生失真 称为甲乙类放大电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 为得到高效率 先不管iC波形的失真 继续使Q点降低至极限情况 落到横轴上 称为乙类放大电路 乙类放大电路的特点 在一个周期内只有半个周期iC 0 max 78 5 缺点 波形失真严重 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 甲乙类放大电路的特点 称为甲乙类放大电路 在一个周期内有半个周期以上iC 0 甲乙类放大电路的缺点 iC波形会产生失真 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 功率放大电路中电源的功率除了提供给负载外 其余的消耗在什么地方 消耗在管耗上 提高功放效率的根本途径是减小功放管的功耗 功放中的功放管采用哪种工作状态最合适 采用甲乙类工作状态最合适 因为甲类效率太低 丙类失真太大 乙类会产生交越失真 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 一 结构 互补对称 电路中采用两个双极性三极管 NPN PNP各一支 两管特性一致 组成互补对称式射极输出器 8 2乙类双电源互补对称功率放大电路 OCL OutputCapacitorless 无输出电容器 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 二 工作原理 设ui为正弦波 先单独分析一下T1和T2 前提 忽略b e间压降 即 视VBE 0 是射极输出 为电压跟随器 T1 T2 ui 0时 T1导通 ui 0时 T1不导通 ui 0时 T2导通 ui 0时 T2不导通 二者可以互补输出 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 静态时 ui 0V 综合分析该互补输出电路 ic1 ic2均 0 乙类工作状态 uo 0V 没有电流 故没有消耗 从而解决了静态功耗的问题 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 动态时 ui 0V T1导通 T2截止 iL ic1 综合分析该互补输出电路 iC1 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 动态时 ui 0V T1截止 T2导通 ui 0V T1导通 T2截止 iL ic1 iL ic2 T1 T2两个管子交替承担放大任务 在负载上得到完整的正弦波 综合分析该互补输出电路 iC2 组成 推挽式电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 三 组合特性分析 图解法 负载上的最大不失真电压Vom 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 最大不失真输出功率Pom 输出功率Po 四 电路参数计算 设Vom为输出电压的最大值 即幅值 则有效值Vo为 则 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 一个管子的管耗 管耗PT 两管管耗 设输出电压为 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 求最大管耗PTM 用求极限的方法求解 对Vom求导 令导数为0 因 时具有最大管耗 即 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 该公式用来求最大管耗 而已求得 则 体现的是最大管耗和最大输出功率之间的关系 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 电源供给的最大功率 直流电源供给的功率PV 当 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 效率 最高效率 max 可见效率与负载RL无关 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 五 选功率BJT管的原则 最大允许管耗PCM必须大于PT1m 0 2Pom 应选用 V BR CEO 2VCC 通过BJT的最大集电极电流为VCC RL 所选BJT的ICM一般不宜低于此值 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 乙类互补对称放大电路的输入输出波形图 死区电压 考虑实际电路中VBE 0 Si 约0 6VGe 约0 2V 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 8 3甲乙类互补对称功率放大电路 一 甲乙类双电源互补对称电路 OCL互补对称电路 OutputCapacitorless 解决方法 设法建立合适的Q点 使两只三极管T1和T2均工作在临界导通或称微导通状态 因此想到利用二极管进行偏置 从而可以克服交越失真 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 分析工作原理 静态时 即vi 0 T3必导通 看直流通路 从 VCC经Re3 T3 D1 D2 RC3到 VCC形成一个通路 则 T1和T2均处于微导通状态 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 两管分别有一个微小的基极电流IB1和IB2 导致两管集电极分别有微小的电流IC1和IC2 从而建立了一个在输出特性曲线上较低的Q点 电路处于甲乙类工作状态 分析工作原理 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 动态时 设vi VmSin t vi 0 即正半周时 T1导通 T2截止 T1基极电位进一步提高 进入良好的导通状态 T2导通 T1截止 T2基极电位进一步降低 进入良好的导通状态 Vi 0 即负半周时 B1和B2可近似视为一点 分析工作原理 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 T1和T2管在vi作用下输入特性中的图解分析 可见 两只管子的导通时间都比输入信号的半个周期长 即在信号电压很小时 两只管子同时导通 因而它们工作在甲乙类状态 输入信号 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 改进电路 将D1 D2的位置换成一个三极管T4 只考虑改进部分 而VBE4固定 Si 0 6 0 7V 故调整R1与R2的比值就可改变T1与T2间偏置电压 电路缺点 双电源 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 二 甲乙类单电源互补对称电路 单电源供电 输出大电容代替原来负电源供电 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 分析工作原理 静态时 即vi 0 合理设置R1 R2有适当的数值 可使K点电位VK VC VCC 2 T3导通 D1 D2导通 T1 T2微导通 二 甲乙类单电源互补对称电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 IB3 VB3 VB2 VB1 VK IC3 为了提高电路工作点的稳定性能 引入一负反馈 若温度变化使VK 则有 VK VB3 IB3 IC3 VC3 VB2 VK 使VK趋于稳定 二 甲乙类单电源互补对称电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 动态时 设vi VmSin t T1导通 T2截止 有电流通过RL向C充电 T1截止 T2导通 已充电的C通过RL放电 电容起到了负电源的作用 vi 0 即正半周时 vi 0 即负半周时 二 甲乙类单电源互补对称电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 电路参数的计算 前面计算各参数的公式中的VCC都要用VCC 2来代替方可 电路的优点 解决了互补对称电路工作点的偏置和稳定问题 实现单电源供电 二 甲乙类单电源互补对称电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 电路存在的问题 实际电路很难达到理想的输出电压幅值Vom VCC 2 而明显小于VCC 2 分析现象原因 二 甲乙类单电源互补对称电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 三 自举电路 了解即可 把图中D点与VCC得连线断开 串进去一个电阻R3 进而引入一个R3C3支路 为自举电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 三 自举电路 了解即可 故C3被充电后 其两端电压为 静态时 即vi 0 而 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 三 自举电路 由于C3很大 两端电压基本不变 使C3上端电位随输出电压升高而升高 保证输出幅度达到VCC 2 动态时 设vi VmSin t 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 归纳一下本章的线索 电压放大电路 甲类放大电路 引出了乙类 甲乙类放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路 甲乙类双电源互补对称功率放大电路 可利用二极管或vBE扩大电路进行偏置 甲乙类单电源互补对称功率放大电路 自举电路 本章小结 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 说明 1 功率放大电路是在大信号下工作 通常采用