低频功率放大器

低频功率放大器 第 5章 427 目 录 概述 428 其它形式的功放电路简介 467 互补推挽功率放大器 436 功率放大器的保护电路 462 功放实际线路举例 477 428 述 率放大器的主要指标 率放大器的分类 429 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。 功率放大器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。 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。 430 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 %o 1 0 0率放大器在线性区能够向负载提供的 最大 交流功率。 工作在线性区 ； 1）输出功率 注意： 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回路和偏置电路等直流功率之和。 2） 效率 率放大器的主要指标 431 率放大器的主要指标 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。 432 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。 率放大器的主要指标 433 率放大器的分类 180导通角 90导通角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 （ 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 （ 工作状态 在输入信号的半个周期内晶体管 导通。 434 18 090 （ 3） 甲乙类 （ 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（ 工作状态 晶体管导通的时间小于半个周期。 90率放大器的分类 435 C E u （ 5） 丁类 （ 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： 丁丙乙甲乙甲 率放大器的分类 436 补推挽功率放大器 类推挽功率放大器的工作原理 类推挽功率放大器的分析计算 类推挽功率放大器的非线性失真 437 补推挽功率放大器 引言：甲类单管功放简介 ( 212c e m C C C E So c m c e 1 1 12 2 22U U - I U = =U C Q C I 设变压器为理想的 E S 0U 2o m a P =R 2 Q C C c m C U I 50om a xU%P 需要强调指出的是，对于甲类功率， 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。 时 当 补推挽功率放大器 439 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 静态 集电极电流为零，所以一 个周期内晶体管的平均功耗小。 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？ 440 （ 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。 1 乙类推挽功率放大器的工作原理 441 注：以下的分析中不考虑发射结导通门限电压。 0 Q 21两管集电极电流为零 类推挽功率放大器的工作原理 442 0导通， 截止 与 组成射极跟随器 在 上得到上半周波形 1类推挽功率放大器的工作原理 443 电路 0导通， 截止 与 组成射极跟随器 在 上得到下半周波形 类推挽功率放大器的工作原理 444 类推挽功率放大器的工作原理 445 C E Q 1 C E Q 2 C U 两管的 类推挽功率放大器的分析计算 组合特性曲线 组合特性曲线 由于功放电路工作在大 信号状态下，必须采用图 解法分析。为了便于分析， 将 性曲线的下方，它们的静 态工作点重合。 21 静态集电极电流为零 446 个晶体管的输出功率为 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。 类推挽功率放大器的分析计算 22C C C E S C L()112 2 2U U U R e m /定义电压利用系数 时当 1Lo m a 47 类推挽功率放大器的分析计算 例 5互补推挽功放电路如图所示，己知 5 C E S 1 L 10R 求输出功率。 解： 22C C C E ) ( 1 5 1 ) 9 . 8 1 0 448 每个集电极的电流为半个周期的非正弦波。 。均值(为每管集电极的电流平 直流电流）0I)d( 200 21 a x 时，当 U 22 见，输入信号越大，即 越大， 需要提供的直流电源供给功率 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。 00 m i n 2. 电源供给晶体管的直流功率 类推挽功率放大器的分析计算 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）。 449 c 集电极功耗 ：每管的集电极损耗。 22212c U o()P P P2224能否认为输入信号越大 越大），管耗就越大呢？ (2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。 类推挽功率放大器的分析计算 450 类推挽功率放大器的分析计算 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。 0dd m a xo m a xc m a x 0222 时，C M 2 和 的关系曲线 c4时，效率最高当 1%c m a x 5784.222 可见，乙类推挽功放的集电极效率与电压利用系数 成正比 。 类推挽功率放大器的分析计算 452 B R ) C E O 处于截止状态的晶体管的 之间承受的反压 C C C C C E S()U U U 时当 0 ， 导通， 截止 ，情况一样。 2 ， 导通， 截止 ， 1 类推挽功率放大器的分析计算 453 指功放管导通时，流过管子的最大电流。 为确保晶体管安全工作，所选管子必须同时满足 上述的三个条件。 结论： 类推挽功率放大器的分析计算 454 类推挽功率放大器的分析计算 例 5设计一互补推挽功率放大器，要求 解： L 8R 1 5 采用 15如何选择晶体管？ 要求每只晶体管必须满足以下参数： C M 2 0 . 2 1 5 3 C E O 2 2 1 5 3 0 C M C C L/ 1 5 / 8 1 . 8 7 5 R 455 类推挽功率放大器的非线性失真 u U ti i m c o s 设 )c o s ( n)c o s ()c o s ( nn 221101 20 1 222E 2 c m 1 c m 2 c mc o s ( ) c o s ( ) I c o s ( ) I t I t n t n 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。 21 )c o s ()c o s ( 311 322 称的电路可以消除偶次谐波成分。 456 C E S N C E S P C E U 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 有输出，因此输 出信号会出现明显的失真。 是 类推挽功率放大器的非线性失真 457 u U C U 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。 类推挽功率放大器的非线性失真 458 加入合适的偏置电压。 （ 3） 消除交越失真的方法 类推挽功率放大器的非线性失真 459 实际电路 1 类推挽功率放大器的非线性失真 显然，在该电路中，正向偏 压是由 和 的正向电压提供。 1 2 D 1 B E 3 D 2U U U U；460 实际电路 2： 实际电路 3： 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。 1类推挽功率放大器的非线性失真 正向偏压是利用二极管 （由三极管 、 接线 而得）。 412 )( 32 令2211 且)(12 恰当选择电阻 以忽略不计，则 调整 可获得某一倍数 因此该电路又称为 类推挽功率放大器的非线性失真 462 率放大器的保护电路 功放管的管耗与散热 护电路 463 放管的管耗与散热 热功率： c： 管子在给负载输送功率的同时，本身所消耗的功率 。 功放管的管耗是通过热传导的形式以散热的方式消耗掉的。 热传导： 热能从高温点向低温点传送的现象。 对于功放管而言 表示管子的结温 功放管的管耗与散热 m 0C)()( 525 则当环境温度和热阻一定时，功放管的最高结温对应集电 极的最大允许功耗。 。C)( 25制管耗即可以有效地保护功放管，因此只要限制流过 集电极地电流，就可以限制管耗。 （ 1） 二极管保护电路 最大输出电流为 a x / 正常时 ， 正向电流过大 ， 去了一部 分基极电流，因此限制了输出电流。 护电路 466 护电路 （ 2） 三极管保护电路 常 时， 向电流过 大， 为导通，分去了一部分基极电流，因 此限制了输出电流。 467 它形式的功放电路 电源供电的互补推挽电路 互补推挽功率放大器 效应管功率放大器 468 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。 0 Q 当电容 C 的容量很大时，对 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。 469 2. 实际电路结构 电路中只采用了 一组电源供电； 作在甲类状态。 互补推挽功放， 失真 ， 路 使加到 的激励信号相等。 2和负载相接 。 电源供电的互补推挽电路 470 02 ./3. 工作原理 调整 使 2/由于 因此 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 ， 相当于直流电源电压。 电源供电的互补推挽电路 471 P 2221 B R ) C E O 224. 性能指标 该电路的性能指标计算 等同于 是此时 的等效电源电压为 。 图示的单电源供电的互补推挽功率放大器称为 路。 电源供电的互补推挽电路 472 互补推挽功率放大器 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 （ 2） 等效为 （ 3） 连接原则： 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、 b、 473 作在甲类 工作状态。 复合管的方式构 成 复合管的方式构 成 注： 以不具互补性，互补 作用是由 互补推挽功率放大器 474 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（ 在 外 延层上掺杂扩散形成 层， 以此为源极区并在其上引出源极 (；最后利用光刻技术刻蚀出 纵向的 整个表面氧化生 成 在 层金属层形成栅极（ N效应管功率放大器 N直导电型的 N. 效应管功率放大器 (1)垂直导电，充分利用了硅片面积，可提高输出电流； (2) 器件的耐压得以提高； (3)器件的工作频率及开关速度大大提高； (4)器件具有良好的线性特性； (5)有利于器件大功率工作。 476 2. 效应管功率放大器 特点： 电路简单，非线性失真小，具有自保护功能。 结 型管 组成自偏式共源放大 器，作为激励级为功放提供大信 号输入。 构成单管共源 功放， 和 构成电阻分压式偏置 电路提供静态的栅源偏压 1 Q D 输出信号通过 、 反馈回输入端，构成电压串联负反馈，以 稳定输出电压提高输入电阻，改善放大器性能。 7R 3 2 77 电压通用型低频集成功放 放线路实际举例