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第九章功率放大电路 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 一 引言 功率放大电路的特点及主要研究对象 功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路 因此 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 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 没有 都是能量转换 直流电源的直流电能转化为信号控制的交流电能 电压放大电路使负载得到尽可能大的不失真的电压信号 功率放大获得尽可能大的不失真输出功率 2 功率放大电路的特点 要求输出功率尽可能大 输出信号电压和电流大 使放大管工作在极限状态 因此必须保证放大管的安全工作 要求效率高 效率 负载得到的有用信号功率与电源提供的直流功率之比 要求非线性失真小 由于功率放大电路是大信号运用 接近晶体管的截止区和饱和区 容易产生非线性失真 可见 输出功率与非线性失真是功率放大电路的一对主要矛盾 功放管的散热 有相当大的功率消耗在管子上 引起温升 三极管根据正弦信号整个周期内的导通情况 可分为四个工作状态 乙类 导通角等于180 甲类 一个周期内均导通 甲乙类 导通角大于180 丙类 导通角小于180 3 功率放大电路的分类 甲类放大 三极管360 导电 输入信号在整个周期内都有电流流过放大器件 电压放大器一般工作在甲类 电源始终不断输送功率 在没有交流信号输入时 也意味着没有交流信号输出 没有信号输出功率 电源提供的功率全部消耗在管子 电阻 上 管耗 并转化为热量散发出去 当有信号输入时 其中有一部分转化为有用的信号输出功率 甲类放大的效率不高 理论上不超过50 乙类放大 三极管180 导电 功率放大电路必须考虑效率问题 静态电流是造成管耗的主要原因 为了降低静态时的工作电流 三极管从甲类工作状态改为乙类工作状态 一周期内只有半个周期iC 0 没有输入信号时 信号输出功率为零 电源供给的功率为零 管耗为零 信号增大 电源供给的功率增大 输出功率增大 但输出出现了严重的失真 甲乙类放大 导通角大于180 一周期内有半个周期以上iC 0 降低了静态工作电流 电压放大电路BJT工作在甲类 乙类和甲乙类放大主要用于功率放大电路 甲乙类和乙类放大虽降低了静态工作电流 但又产生了失真问题 如果不能解决乙类状态下的失真问题 乙类工作状态在功率放大电路中就不能采用 推挽电路或互补对称电路较好地解决了乙类工作状态下的失真问题 1 性能指标 输出功率和效率 若已知Vom 则可得Pom 最大输出功率与电源损耗的平均功率之比为效率 2 分析方法 因大信号作用 故应采用图解法 3 晶体管的选用 根据极限参数选择晶体管 在功放中 晶体管集电极或发射极电流的最大值接近最大集电极电流ICM 管压降的最大值接近c e反向击穿电压V BR CEO 集电极消耗功率的最大值接近集电极最大耗散功率PCM 称为工作在极限状态 4 研究的问题 有效值 射极输出器的输出电阻低 带负载能力强 但做功放不适合 射极输出器能否做功率放大 射极输出器效率的估算 设RL RE vo t vo ib Q ic vce VCC 若忽略晶体管的饱和压降和截止区 输出信号vo的峰值最大只能为 vCE 直流负载线 交流负载线 VCEQ 0 5VCC 静态工作点 为得到较大的输出信号 假设将射极输出器的静态工作点 Q 设置在负载线的中部 令信号波形正负半周均不失真 如下图所示 1 直流电源输出的功率 2 最大负载功率 3 最大效率 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 会引起截止失真 二 传统的推挽功率放大电路 乙类功率放大器 1 电路结构 变压器耦合 T1 输入变压器 T2 输出变压器 VT1和VT2 对称放大管 2 工作原理 当vI为正半周时 VT1工作在放大区 VT2工作在截止区 推 当vI为负半周时 VT1工作在截止区 VT2工作在放大区 挽 最后在两管的集电极合成一个完整的正弦波 再通过T2耦合到负载RL上 3 图解分析 4 传统的乙类推挽功率放大电路的缺点 输入 输出变压器的体积大 重 因为是变压器耦合 故频带窄 存在交越失真和不对称失真 电路采用反馈时 易自激振荡 三 OTL乙类互补对称电路 1 电路结构 VT1和VT2分别由NPN和PNP管组成 然后共同对RL组成射极输出器 电路只有一个电源 NPN管由VCC供电 PNP管由电容C供电 R1和R2分别为两管的偏置电阻 2 工作原理 静态时 合理选取R1 R2 使两管均微通 其发射极电位为VCC 2 大电容C已充满电 VC也为VCC 2 当vI为正半周时 VT1放大 VT2截止 其正半周的信号通过VT1管 C到达负载 VT1的供电电压为 VCC VC VCC VCC 2 VCC 2 当vI为负半周时 VT1截止 VT2放大 其负半周的信号通过VT2管和电容C到达负载 VT2的供电电压为 VC VCC 2 VT1和VT2各负责输入信号半周波形的放大 所以在负载上iRL iC1 iC2 合成了一个完整的正弦波 3 讨论 VT1导电是靠VCC供电 VT2导电是靠C供电 所以C必须非常大 否则在负半周会供电不足产生失真 此电路不使用变压器 用电容C来耦合 所以称为 OTL电路 此电路由两管轮流工作 互补对称输出 各处理正弦信号的180度 故又称为 乙类互补对称电路 4 图解分析 将两管的输出特性曲线合并 VT2是PNP管 所以VCE2取负值 静态时 所以 静态工作点Q在中点处 负载线的斜率由RL来确定 输入电压在正半周时 VT1导电 工作点从Q沿斜线向左上方运动 最大集流为Icm1 输入电压在负半周时 VT2导电 工作点从Q沿斜线向右下方运动 最大集流为Icm2 假设VT1 VT2特性曲线对称 三极管集电极电压的最大值为 OTL乙类互补对称电路的最大输出功率Pom 将前式代入上式 若Vces在0 3V左右时 则可以忽略 直流电源VCC消耗的功率PV PV等于VCC 2与半个周期内三极管集电极电流平均值的乘积 由于 所以 OTL乙类互补对称电路的最大效率 m 电路实际上的效率比上值要低 因为电源提供的功率有一部分转化为集电极的功耗 使管子发热产生了温升 5 OTL乙类互补对称电路的优 缺点 优点效率高 理想情况下最在可达到78 5 在静态时 ic1 ic2为0 即 静态功耗为0 缺点在输入信号为0附近的区域内 VT1和VT2都不导通 因此会出现交越失真 所以上电路若不改进 则没有实用的价值 6 交越失真现象 产生交越失真的原因 在输入信号正半周或者负半周的起始段 VT1 VT2都处在截止状态 所以这一段输出信号出现了失真 我们称此现象为交越失真 克服交越失真的方法 在两个互补管的基极引入R VD1和VD2支路 保证电路在静态时或起始段 VT1和VT2都处在导通状态 这样就克服了两管都截止的情况 保证了输出信号不出现了失真 二 OTL甲乙类互补对称电路 1 电路结构 在VT1和VT2的基极接入R和VD1 VD2 静态时 2 工作原理 由R和VD1 VD2在两个三极管的基极上产生一个偏压 使VT1和VT2微微导通 所以uI 0时 VT1和VT2有一个小小的集流 但是 iL 0 当vI为正半周时 ic1逐渐增大 VT1在放大区工作 ic2逐渐减小 VT2进入截止区 当vI为负半周时 ic2逐渐增大 VT2在放大区工作 ic1逐渐减小 VT1进入截止区 在vI的整个周期内 负载RL上得到了比较理想的正弦波 减小了交越失真 此电路的参数计算 可以近似用乙类互补电路的公式计算 3 讨论 此电路的交越失真小 效率也不错 故应用非常广泛 缺点是 电容体积大 不易集成化 低频效果差 不适用高档音响设备 四 OCL互补对称电路 一 电路结构 1 彻底实现了直接耦合 2 采用了两路电源 用 VCC替代了OTL电路中的VC 分别为VT1和VT2供电 二 工作原理 工作原理与OTL电路基本相同 但供电方式不同 1 静态时 所以 静态工作点Q在中点处 负载线的斜率仍由RL来确定 2 三极管集电极电压的最大值为 3 OCL互补对称电路的最大输出功率Pom 将前式代入上式 若Uces在0 3V左右时 可以忽略 比OTL电路的Pom大 这是靠两套电源获得的 4 直流电源VCC消耗的功率PV PV等于VCC与半个周期内三极管集电极电流平均值的乘积 由于 所以 电源消耗的功率也比OTL电路大得多 5 OCL互补对称电路的最大效率 m 电路实际上的效率比上值要低 因为电源提供的功率有一部分转化为集电极的功耗 使管子发热产生了温升 OCL与OTL电路的最大效率 m相同 三 OCL互补对称电路的优 缺点 优点兼顾了OTL电路的所有优点 并省去了C 便于集成化 改善了低频响应 缺点由于负载直接与射极相连 一旦三极管损坏 VCC形成的大电流将直接流过负载 若时间稍长必定会造成负载烧毁 在实用电路中常采用熔断保险丝与负载串联或启用二极管 三极管保护电路 四 讨论1 甲类放大时 静态电流大 因此效率也就低 约在30 左右 2 乙类放大时 静态功耗等于0 因此效率高 约在78 左右 3 OCL的功率是OTL的4倍 但需要两套电源 五 注意由于共集电极电路只能放大电流而不能放大电压 所以上面的电路必须用电压幅度足够大的信号驱动 换句话说 输入和输出电压