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第七章功率放大电路 例 扩音系统 功率放大器的作用 用作放大电路的输出级 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 7 1功率放大电路 放大器方框图如下 一 功率放大电路的特点 2 功放电路中电流 电压要求都比较大 必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值 ICM U BR CEO PCM 1 输出功率Po尽可能大 3 电流 电压信号比较大 必须注意防止波形失真 4 电源提供的能量尽可能转换给负载 减少晶体管及线路上的损失 即注意提高电路的效率 Po 负载上得到的交流信号功率 PV 电源提供的直流功率 5 功放管散热和保护问题 6 在分析方法上 通常采用图解法 综上所述 对功率放大电路的要求是 在保证晶体管安全工作的条件下和允许失真的范围内 充分发挥其潜力 输出尽量允许大的功率 同时还要减小管子的损耗 以提高其效率 二 功率放大电路提高效率的主要途径 甲类放大 输入信号的整个周期内均有电流流过管子即管子在一周内都导通 甲乙类放大 管子在一个周期内有半个周期以上导通 乙类放大 管子在一个周期内只有半个周期导通 乙类放大 c 效率最高 甲乙类放大 b 效率其次 甲类放大 a 效率最低 例 如图所示的射极跟随器处于甲类工作状态 设VCC 6V RL 8 三极管的 40 ICEO UCES忽略不计 试求在充分激励下 该电路的最大不失真输出功率和效率 解 当静态工作点Q平分交流负载线时 该电路在充分激励下有最大的不失真输出电压 此时电路的输出功率也为最大 1 静态 静态工作点UCEQ VCC 2 6 2 3 V ICQ VCC UCEQ RL 3 8 0 375 A 电源供给功率PVQ VCC ICQ 6 0 375 2 25 W 三极管消耗功率PTQ UCEQ ICQ 3 0 375 1 125 W 负载RL上消耗的直流功率PRQ ICQ2 RL 0 3752 8 1 125 W 在充分激励下 Ucem VCC 2 Icm Ucem RL VCC 2RL 由此得 a 交流输出功率 即为 QED的面积 2 动态 b 管子消耗功率 即为 AQD的面积 c 电源供给功率 即为矩形ABCD的面积 d 效率 甲类功放有以下特点 1 整个周期内均有iC 0 3 电源始终不断地输送功率 静态时 这些功率全部消耗在管子和电阻上 动态时 其中一部分转化为有用的输出功率 信号愈大 输送给负载的功率愈多 4 输出功率较小 5 效率较低 2 信号失真小 如何解决效率低的问题 办法 降低Q点 既降低Q点又不会引起截止失真的办法 采用推挽输出电路 或互补对称射极输出器 缺点 但又会引起截止失真 OTL OutputTransformerLess OCL OutputCapacitorLess 互补对称 电路中采用两支晶体管 NPN PNP各一支 两管特性一致 类型 三 互补对称功率放大电路 乙类互补对称放大电路 1 电路组成 由一对NPN PNP特性相同的互补三极管组成 采用正 负双电源供电 也称为OCL互补功率放大电路 2 工作原理 两个三极管在信号一个正 负半周轮流导通 使负载得到一个完整的波形 为分析方便 如图曲线倒置成Q点重合 乙类互补对称电路图解分析 由图可知 Ucem的最大值为VCC UCE sat 如果忽略UCE sat 则 Ucem max VCC 负载斜率相等且都通过Q点 那么合成的负载线成图示的一条直线 1 输出功率Po 最大不失真输出功率为 2 直流电源供给功率PV 3 效率 4 管耗 总管耗 三极管的最大管耗 问 Uom PT1最大 PT1max 用PT1对Uom求导得出 PT1max发生在Uom 0 64VCC处 将Uom 0 64VCC代入PT1表达式 甲类放大器与乙类放大器的两点比较 A 甲类放大器中的电源供给功率PV与信号大小无关 而乙类放大器的电源供给功率PV随信号的大小而变 静态时 其值为零 信号增大时 其值随之增大 当Ucem最大亦即Po最大时 电源供给功率PV也达到最大 B 甲类放大时 静态管耗最大 而乙类工作时 静态管耗却为零 当Uom由小增大时 由于PT是Uom的二次函数 它们之间是非单调变化关系 当Uom 0 64VCC时 PT达到最大 5 选管条件 a PCM PT1max 0 2Pom b c ICM VCC RL 例7 2 1乙类OCL参数估算 设 计算 1 若输入信号有效值为10V 求电路的Po PV和效率及单管管耗 2 若 且输入幅值足够大 求负载可能得到的最大功率和效率 3 求每个管子的极限参数 4 若 且输入幅值足够大 求负载可能得到的最大功率和效率 解 1 3 极限参数 2 充分激励且 4 充分激励且 乙类互补对称电路存在的问题 实际测试波形 乙类放大的输入输出波形关系 缺点 死区电压 交越失真 输入信号ui在过零前后 输出信号出现的失真便为交越失真 1 静态电流ICQ IBQ等于零 2 每管导通时间等于半个周期 3 存在交越失真 乙类放大的特点 1 克服交越失真 交越失真产生的原因 在于晶体管特性存在非线性 ui uT时晶体管截止 四 甲乙类互补推挽电路 克服交越失真的措施 静态时T1 T2两管发射结电位分别为二极管D1 D2的正向导通压降 致使两管均处于微弱导通状态 电路中增加R1 D1 D2 R2支路 动态时设ui加入正弦信号 正半周 T2截止 T1基极电位进一步提高 进入良好的导通状态 负半周 T1截止 T2基极电位进一步降低 进入良好的导通状态 从而克服死区电压的影响 消除交越失真 甲乙类放大的波形关系 特点 存在较小的静态电流ICQ IBQ 每管导通时间大于半个周期 基本不失真 为更好地和T1 T2两发射结电位配合 克服交越失真 电路中的D1 D2两二极管可以用UBE电压倍增电路替代 2 UBE电压倍增电路 合理选择R1 R2大小 B1 B2间便可得到UBE任意倍数的电压 以满足不同电路克服交越失真的需要 图中B1 B2分别接T1 T2的基极 假设I IB 则 参数估算近似按乙类处理 五 基本单电源互补对称电路 OTL 电容C满足 C 5 10 2 fLRL 静态时要求K点电位UK UC VCC 2 特点 1 单电源供电 2 输出加有大电容 1 输出功率Po 2 直流电源供给功率PV 当时 3 效率 和管耗PT 总管耗 六 采用复合管的功率输出级 增加复合管的目的是 扩大电流的驱动能力 复合管的构成方式 1 2 晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定 方式二 复合管的几种接法 T1 电压推动级 T2 R1 R2 UBE倍增电路 T3 T4 T5 T6 复合管构成的输出级 准互补 输出级中的T4 T6均为NPN型晶体管 两者特性容易对称 改进后的OCL准互补输出功放电路 第八章直流稳压电源 电源变压器 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2 整流电路 滤波电路 稳压电路 整流电路 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3 滤波电路 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4 稳压电路 清除电网波动及负载变化的影响 保持输出电压uo的稳定 直流稳压电源的组成 3 输出电压平均值 Uo 1 输出电压波形 2 二极管上的平均电流 ID IL 1 单相半波整流电路 一 整流电路 2 单相全波整流电路 4 uo平均值Uo Uo 0 9U2 1 输出电压波形 2 二极管上承受的最高电压 3 二极管上的平均电流 3 单相桥式整流电路 桥式整流电路 u2正半周时电流通路 桥式整流电路 uO u2负半周时电流通路 iO 4 整流电路的主要参数 1 整流输出电压平均值 Uo 负载上的 平均 电流 2 整流二极管的平均电流ID 3 二极管截止时两端承受的最大反向电压 问 若D1开路 电路功能 若D1短路 电路如何 二 滤波电路 滤波电路的结构特点 电容与负载RL并联 或电感与负载RL串联 交流电压 脉动直流电压 直流电压 1 电容滤波 1 RL未接入时 整流电路为电容充电 充电结束 没有电容时的输出波形 2 RL接入 且RLC较大 时 uo a b c d 整流电路的输出电流iD 近似估算 Uo 1 1 1 2U2 b 流过二极管瞬时电流很大 整流管导电时间越短 iD的峰值电流越大 3 电容滤波电路的特点 a 输出电压Uo与放电时间常数RLC有关 结论 电容滤波电路适用于输出电压较高 负载电流较小且负载变动不大的场合 c 输出特性 外特性 2 电感滤波 三 稳压电路 串联型线性直流稳压电路 串联型线性直流稳压电路 一种实际的串联式稳压电路 当UI增加使Uo升高时 输出电压的确定和调节范围 选用差动放大器或运放构成的放大