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电子系统设计 功率放大器 9 1功率放大器 9 1 1功率放大器的特点及工作状态分类一 特点 1 给负载提供足够大的功率 2 大信号工作 3 分析方法以图解法为主 4 非线性失真矛盾突出 5 提高效率成为重要的关注点 6 功率器件的安全问题必须考虑 二 工作状态分类根据直流工作点的位置不同 放大器的工作状态可分为A类 甲类 B类 乙类 C类 丙类 等 如图9 1所示 图 a 中 工作点Q较高 ICQ大 信号在360 内变化 管子均导通 称之为A类工作状态 图 b 中 工作点Q选在截止点 管子只有半周导通 另外半周截止 称之为B类工作状态 而图 c 中 工作点Q选在截止点下面 信号导通角小于180 称之为C类工作状态 图9 1放大器的工作状态分类 a A类 导通角为360 b B类 导通角为180 c C类 导通角 180 图9 1放大器的工作状态分类 a A类 导通角为360 b B类 导通角为180 c C类 导通角 180 图9 1放大器的工作状态分类 a A类 导通角为360 b B类 导通角为180 c C类 导通角 180 分析结果表明 A类工作时非线性失真虽小 但效率太低 且没有收到信号时 电源仍供给功率 ICQ 0 这些功率将转化为无用的管耗 B类工作时非线性失真虽大 波形只有半周 但效率却很高 只要我们在电路结构上加以弥补 非线性失真是可以减小的 所以 在功率放大器中大多采用B类工作 C类工作主要用于高频功率放大器中 这里不予讨论 9 1 2甲类 A类 功率放大器一 电路功率放大器的负载是各种各样的 若负载RL很小 则负载线很陡 电流摆幅大 而电压摆幅小 所得交流功率与电压 电流振幅乘积有关 所以不可能使功率最大 反之 若RL很大 则电压摆幅大 电流摆幅小 功率也不可能大 如图9 2 a 所示 图中 变压器初级接到功率管集电极回路 次级接负载RL 若变压比为n 则初级等效交流负载R L为 式中 n N1 N2 若RL太小 则要求R L RL n 1 变压器为降压变压器 反之 若RL太大 而要求R L RL n 1 则采用升压变压器 已知RL和最佳R L 即可确定变压比n的值 图9 2中RB为偏置电阻 其值决定了Q点的ICQ及IBQ 如果变压器是理想的 则直流工作点电压UCEQ UCC 直流负载线为一垂直线 而交流负载线通过Q点 其斜率为 1 R L 如图9 2 b 所示 9 1 图9 2甲类功放电路及交 直流负载线 a 电路 b 交 直流负载线 图9 2甲类功放电路及交 直流负载线 a 电路 b 交 直流负载线 二 功率与效率的计算1 电源供出功率PE 可见 PE是一个固定不变的值 与信号的有无或大小均无关 2 负载得到的交流功率PL设变压器效率 T 1 则PL PRL PR L 即 9 3 式中UC和IC分别为集电极交流电压和电流的振幅 信号越大 UC IC越大 输出功率也将增大 在最佳负载和工作点的情况下 最大交流振幅为 9 4 3 管子功耗PC当信号为零时 PL 0 PCm PE 电源功率全部变为管耗 而当信号增大时 部分电源直流功率转换为有用的交流功率 管耗反而下降 此时 最大输出功率PLm为 9 5 9 6 4 转换能量的效率 9 7 当信号最强 UCm UCC ICm ICQ时 效率达到最高 9 8 可见 A类放大器无信号时 效率为零 而信号最强时最大效率也只有50 这是A类放大器的致命弱点 也是晶体管功率放大器极少采用A类放大器的原因 9 1 3互补跟随乙类 B类 功率放大器一 双电源互补跟随乙类功率放大器 OTL电路 1 电路此类功率放大器的电路如图9 3所示 其电路形式和集成运放的输出级是相同的 其中二极管是为克服交越失真而设置的 ICO为前置级放大器有源集电极负载电流源 该电路由VD1 VD2和V1 V2构成跨导线性环 是电流模电路 根据第八章的分析 当负载电流IL ICO时 输出管V1 V2均工作在B类 它们轮流导 通以给负载提供电流 图9 3互补跟随乙类功率放大器 OTL电路 2 功率与效率的计算在B类工作时 静态工作点Q接近截止点 V1 V2都是半周导通 其电流iC1 或iC2 为半波正弦 画出该电路的负载线和工作点位置如图9 4所示 根据图9 4的波形 我们可以计算该电路的功率和效率 图9 4互补跟随乙类功放负载线及工作点 a 单管负载线 b 双管负载线 图9 4互补跟随乙类功放负载线及工作点 a 单管负载线 b 双管负载线 1 输出交流功率PLV1 V2为半周工作 但负载电流却是完整的正弦波 令 称之为电压利用系数 那么式 9 9 可改写为 9 9 9 10 信号越大 Uo增大 电压利用率也增大 若忽略集电极饱和电压 则最大 1 故最大输出功率PLm为 9 11 2 电源提供的功率当信号为零时 工作点接近于截止点 ICQ 0 电源不提供功率 而随着信号的增大 iC1增大 电源提供的功率也将随之增大 这点与A类功放有本质的差别 PE UCC iC1的直流分量 UEE iC2的直流分量 当信号最大时 Uom UCC 所以电源输出的最大功率为 9 13 9 12 3 每管转换能量的效率 9 14 当信号最大 1时 效率达到最高 可见 B类工作的效率远比A类的高 4 每个管子损耗PC 可见 每个管子的损耗PC是输出信号振幅的函数 将PC对Uo求导 可得出最大管耗PCm 令 得出 当时 每管的损耗最大 那么 我们可以得出一个重要结论 即PCm与最大输出功率的关系为 9 18 式 9 18 提供了选择功率管功耗的依据 例如 负载要求的最大功率PLm 10W 那么只要选一个功耗PCm大于0 2PLm 2W的功率管就行了 3 选择功率管为保证晶体功率管的安全和输出功率的要求 电源及输出功率管参数的选择原则如下 1 已知PLm及RL 选UCC 则 9 19 2 已知PLm 选择管子允许的最大功耗PCM 管子允许的最大功耗 9 20 3 管子的击穿电压U BR CEO 当信号最大时 一管趋于饱和 而另一管趋于截止 截止管承受的最大反压为UCC UEE 2UCC 所以 4 管子允许的最大电流ICM 9 21 9 22 二 单电源互补跟随乙类功率放大器单电源互补跟随乙类功率放大器电路如图9 5所示 由图可见 静态时 a点电位 那么电容C的直流电位也为UCC 2 当V1导通 V2截止时 V1给负载RL提供电流 而当V1截止 V2导通时 电容C充当V2的电源 只要C足够大 在信号变化一周内 电容电压可以保持基本恒定UCC 2 负载得到的交流电压振幅的最大值为 图9 5单电源互补跟随乙类功放电路 故 该电路负载得到的最大交流功率PLm为 为保证功率放大器良好的低频响应 电容C必须满足 9 23 9 24 式中fL为放大器所要求的下限频率 有关放大器的其它指标 请读者自行分析 三 复合管及准互补乙类功率放大器 OCL电路 在功率放大器中 输出功率大 输出电流也大 如要求输出功率PLm 10W 负载电阻为10 那么 功率管的电流峰值ICm 1 414A 若功率管的 30 则要求基极驱动电流IBm 41 1mA 前级晶体管放大器或运算放大器 若输不出这样大的电流来驱动后级功率管 则需要引入复合管 复合管又称达林顿电路 复合管的总 值为 9 25 等效 值的增大 意味着前级供给的电流可以减少 组成复合管的原则有以下几点 1 电流流向要一致 2 各极电压必须保证所有管子工作在放大区 即保证e结正偏 c结反偏 3 因为复合管的基极电流iB等于第一个管子的iB1 所以复合管的性质取决于第一个晶体管的性质 若第一个管子为PNP 则复合管也为PNP 反之为NPN 正确的复合管连接方式有四种 如图9 6所示 图9 6复合管的组成 a 等效为NPN管 b 等效为PNP管 c 等效为PNP管 d 等效为NPN管 图9 6复合管的组成 a 等效为NPN管 b 等效为PNP管 c 等效为PNP管 d 等效为NPN管 图9 6复合管的组成 a 等效为NPN管 b 等效为PNP管 c 等效为PNP管 d 等效为NPN管 图9 6复合管的组成 a 等效为NPN管 b 等效为PNP管 c 等效为PNP管 d 等效为NPN管 互补乙类功率放大器要求输出管V1 NPN 和V2 PNP 性能对称匹配 所以 用复合管构成V1和V2管时 希望输出管都用NPN管 因为NPN管的性能一般比PNP管好 用复合管组成的互补跟随乙类功放如图9 7所示 其中NPN管采用图9 6 a 电路 PNP管采用图9 6 c 电路 这样 承受大电流的管子均用大功率NPN管 此类电路称之为准互补乙类功率放大器 简称OCL电路 图中R1和R2是为了分流反向饱和电流而加的电阻 目的是提高功放的温度稳定性 图9 7准互补乙类功率放大器电路 9 1 4集成功率放大器一 集成功率放大器1 SHM1150 型双极晶体管与MOS管混合的音频集成功率放大器集成化是功率放大器的发展必然 目前集成功率放大器大都工作在音频段 集成功率放大器的型号很多 在此仅举例说明之 图9 8 a 给出集成音频功率放大器SHM1150 型的内部简化电路图 这是一个由双极型晶体管和VMOS组成的功率放大器 允许电源电压为 12V 50V 电路最大输出功率可达150W 使用十分方便 其外部接线如图9 8 b 所示 图9 8SHM1150 型BiMOS集成功率放大器 a 内部电路 b 外部接线图 由图9 8 a 可见 输入级为带恒流源的双极型晶体管差分放大器 V1 V2