模拟电子电路 第九章功率电路及系统1.ppt

1,第9章功率电路及系统,2,91功率放大器,911功率放大器的特点及工作状态分类,一、特点,(1)给负载提供不失真的、足够大的功率。,(3)分析方法以图解法为主。,(2)大信号工作。,以提供给负载足够大的功率为主要目标的放大器。,3,(4)非线性失真与其他交流指标间的矛盾突出。,(5)提高效率成为重要的关注点。,在效率高、非线性失真小、安全工作的前提下，向负载提供足够大的功率。,对功率放大器的要求：,(6)功率器件的安全问题必须考虑。,4,甲类,甲类：功率管在一个周期内导通(非线性失真小,但效率低)。,Q,乙类,乙类：功率管仅在半个周期内导通(非线性失真较大,但效率较高)。,丙类,Q,丙类：功率管小于半个周期内导通(非线性失真大,但效率高)。,Q甲乙类,甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通。(非线性失真和效率介于甲类和乙类之间.),根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同，功率管运用状态可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等多种。,二、工作状态分类,5,图91放大器的工作状态分类,(a)甲类(导通角为180),非线性失真小，但能量转换效率太低。,理想情况下：,6,(b)乙类(导通角为90),图91放大器的工作状态分类,非线性失真大，但能量转换效率很高。可通过改进电路结构，减小非线性失真。,理想情况下：,7,(c)丙类(导通角90),图91放大器的工作状态分类,主要用于高频功放中。进一步提高能量转换效率。,8,电路,图92甲类功放电路及交、直流负载线,912甲类(A类)功率放大器,一、电路,变压器耦合，在ICQ一定时，通过调整变压比，使负载获得最大功率。,9,10,二、功率与效率的计算,1.电源供出功率PE,2.负载得到的交流功率PL,设变压器效率T=1,则，即,PE固定不变，与交流信号的大小或有无均无关。,11,最佳负载情况下：,此时最大输出功率PLm为,12,3.管子功耗PC,4.转换能量的效率,13,当Ucm(max)=UCC,Icm(max)=ICQ时，效率达到最高：,4.转换能量的效率,14,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，或称互补对称射极输出器。,缺点：但又会引起截止失真。,15,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：,互补对称功率放大电路,16,的结构特点：,1.由NPN型、PNP型三极管构成两个对称的射极输出器对接而成。,2.双电源供电。,3.输入输出端不加隔直电容。,无输出电容的（OCL）互补对称功放电路,17,913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(OCL电路),1.电路,OTL、OCL、BTL、变压器耦合式等。,OTL：Outputtransformerless。,OCL：Outputcapacitorless。,BTL：Balancedtransformerless。（桥式推挽电路）,18,图93互补跟随乙类功率放大器(OCL电路),乙类互补功率放大电路波形的交越失真.avi,19,图9-3-1OCL电路中晶体管输入回路工作示意图,20,2.功率与效率的计算,图94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,21,图941互补跟随乙类功放单管负载线及工作点,22,图94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,乙类互补功率放大电路波形的合成.avi,23,1)输出交流功率PL,令称之为电压利用系数，那么,V1、V2为半周工作，但负载电流却是完整的正弦波。,24,信号增大，Uom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,25,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，iC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),2)电源提供的功率,26,当信号最大时，Uom(max)UCC，所以电源输出的最大功率为,27,3)每管转换能量的效率,当信号最大，=1时，效率达到最高：,B类的效率远比A类的高。,信号越大，效率越高。,28,4)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Uom求导，可得出最大管耗PCm。令,29,得出，当时，每管的损耗最大：,30,3.选择功率管,(1)已知PLm及RL，选UCC，则,(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,例如要求输出功率为10w时则只要选用两个额定管耗大于2w的管子就可以了。,31,(3)管子的击穿电压U(BR)CEO。,(4)管子允许的最大电流ICM。,32,二个三极管的总功耗0.4P0M，每个三极管的最大功耗为PTM=0.2P0M,4.OCL乙类互补对称电路的特点,OCL电路省去了大电容，即改善了低频响应，又便于集成化；,注意：二个三极管的发射极直接连接到负载上，如果Q点失调，电路将过载，损坏电路，常常在负载回路接入熔断器作为保护。,33,二.单电源供电的互补推挽电路(OTL),1.电路特点,(1)单电源供电；,(2)负载串接大容量隔直电容C,VCC与两管串接，若两管特性配对，则VA=VCC/2，C实际上等效为电压等于VCC/2的直流电源。,VT1管的直流供电电压：VCCVAVCC/2,VT2的供电电压：VA0VCC/2,单电源供电电路等效为VCC/2和VCC/2的双电源供电电路。,34,适当选择R1、R2的数值，使VB1和VB2恰好给VT1、VT2提供最佳静态偏置，使它们的中点电位VA=VCC/2。因而电容C两端电压等于VA，即VCC/2。这样，VT1和VT2管的电源电压均为VCC/2。,（2）工作原理,静态时,35,动态时,ui0，VT1导通而VT2截止，io=ic1，路径为：,ui0，VT2导通而VT1截止，电容C释放储能供给，路径为：,io在RL上形成正半周输出电压uo，同时给电容C充电，补充储能。,io在RL上形成负半周输出电压uO。,36,电容C的作用：,1)充当VCC/2电源,2)耦合交流信号,只需将双电源计算公式中的VCC换成1/2VCC即可。如：,（3）最大输出功率,37,实用OTL互补输出功放电路,调节R,使静态UAQ=0.5USC,D1、D2使b1和b2之间的电位差等于2个二极管正向压降，克服交越失真。,Re1、Re2：电阻值12，射极负反馈电阻，也起限流保护作用。,38,3.电路中增加复合管,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：,方式一：,39,12,晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。,方式二：,40,准互补对称式OTL电路,41,图97准互补乙类功率放大器电路,42,（1）静态偏置,（2）动态工作情况,调整R1、R2阻值的大小，可使,此时电容上电压,此电路存在的问题：,输出电压正方向变化的幅度受到限制，达不到VCC/2。,实际电路克服交越失真,43,+,-,-,-,+,+,+,44,静态时，电容两端的电压VC=ECVRVK=1/2ECVR,当时间常数RC足够大时，电容上的电压不随vi而变，为定值。当vi为负时，T1导通，K点电位升高。VD=VC+VK=ECVR+Vo当Vo增加到VoVR时，D点电位高于EC，使T1充分导通。,VD=VC+VK=1/2ECVR+1/2EC+Vo=ECVR+Vo,45,图9.3.1,9.3实际的功率放大电路,9.3.1OTL音频功率放大电路,中间级,前置放大级,功率放大级,电压串联负反馈,电容：相位补偿,46,1.闭环电压放大倍数,2.最大输出功率,实际上功率管不能工作在接近饱和区，本电路的实际输出功率小于或等于0.5W。,47,9.3.2OCL高保真功率放大电路,图9.3.2高保真OTL功率放大电路,带恒流源的差动放大输入级,共射放大电路中间级,OCL准互补对称电路,电压串联交流负反馈,相位补偿,48,1.闭环电压放大倍数,2.最大输出功率,为了避免产生明显的失真，电路的实际输出功率应适当减小，本电路的额定输出功率为20W。,49,9.4集成功率放大器,OTL、OCL电路均有各种不同电压增益的多种型号的集成电路。只需外接少量元件，就可成为实用电路。集成功率放大器广泛用于音响、电视和小电机的驱动方面。集成功放是在集成运算放大器的电压互补输出级后，加入互补功率输出级而构成的。大多数集成功率放大器实际上也就是一个具有直接耦合特点的运算放大器。它的使用方法原则上与集成运算放大器相同。,集成功放的优点：,温度稳定性好，电源利用率高，功耗较低，非线性失真较小，内部有各种保护电路。,50,图9.4.1集成功放5G31的电路原理图,一、集成功放5G31电路(差分输入式音频功放),单入双出差分放大电路,单管放大电路,单管共射放大电路,功率放大级,电压串联负反馈,51,该电路内部的组成：三个电压放大级和一个功率放大输出级.输入级：VT1、VT2组成单端输入、双端输出的长尾失差动放大电路.第二级：VT4组成的单管放大电路.第三级：VT5组成的单管共射放大电路.功率输出级：OTL甲乙类互补对称放大电路VT6-VT13组成，VT9和VT10组成NPN型复合管；VT11、VT12和VT13组成PNP型复合管；VT6、VT7、VT8接成二极管，使电路工作在甲乙类状态,52,二、引脚和典型接法,5G31共有14个引脚,53,1.闭环电压放大倍数,2.最大输出功率(若接成OTL互补对称输出级),四、参数的计算,54,LM386内部电路,图9.4.1LM386内部电路原理图,第一级差分放大电路（双入单出）,第二级共射放大电路（恒流源作有源负载）,第三级OTL功放电路,输出端应外接输出电容后再接负载。,电阻R7从输出端连接到T2的发射极形成反馈通道，并与R5和R6构成反馈网络，引入深度电压串联负反馈。,集成OTL电路的应用,55,二、LM386的电压放大倍数,1.当引脚1和8之间开路时,2.当引脚1和8之间外接电阻R时,56,3.当引脚1和8之间对交流信号相当于短路时,4.在引脚1和5之间外接电阻，也可改变电路的电压放大倍数,电压放大倍数可以调节，调节范围为20200。,三、LM386引脚图,图9.4.2LM386的外形和引脚,57,集成功放LM384管脚说明:,14-电源端（Vcc）,3、4、5、7-接地端（GND）10、11、12-接地端（GND）,2、6-输入端（一般2脚接地）,8-输出端（经500电容接负载）,1-接旁路电容（5）,9、13-空脚（NC）,58,集成功放LM384外部电路典型接法：,调节音量,电源滤波电容,外接旁路电容,低通滤波,去除高频噪声,输入信号,输出耦合大电容,59,几种类型的比较,甲类：效率低，管耗较大（无信号时，有直流功耗ICQ）单管全波波形。乙类：效率高，有非线性失真（交越失真），只有半波，需两管推挽获得全波波形。甲乙类：效率较高，分析同乙类，但可改善非线性失真（Q点升高）。丙类：效率高，但需要滤波网络方可取出基波波形。,60,1.功率放大器的主要功能是向负载通过交流功率，带动一定的输出装置执行动作。分为变压器功率放大器、OCL功率放大器和OTL功率放大器。其共同特点是工作在大信号状态下，要求在允许的失真条件下，尽可提高能输出功率和效率。2.为提高效率，功率放大器常工作在乙类、甲乙类状态，并利用互补对称结构使其不失真。主要指标：输出功率、效率和非线性失真。理论上，最