功率放大器演示幻灯片

1,第九章功率放大电路,2,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,3,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。,4,（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,5,三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,6,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%。,7,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iC0。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。,8,甲乙类放大：导通角大于180。一周期内有半个周期以上iC0。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。,9,1.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,10,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？,11,射极输出器效率的估算：,(设RL=RE),vo,t,vo,ib,Q,ic,vce,VCC,12,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。,13,1.直流电源输出的功率,2.最大负载功率,3.最大效率,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，或互补对称射极输出器。,缺点：会引起截止失真。,15,二、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。,16,2、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。,17,3、图解分析：,18,4、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。,19,三、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。,20,2、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。,21,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。,22,3、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。,23,4、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。,24,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。,25,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。,26,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。,27,假设VT1、VT2特性曲线对称：,28,三极管集电极电压的最大值为：,29,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）,30,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：,31,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。,32,5、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。,33,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。,34,6、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。,35,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。,36,二、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。,37,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。,38,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。,39,四、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。,40,1、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。,41,2、三极管集电极电压的最大值为：,42,3、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。,43,4、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。,44,5、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。,45,三、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。,46,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。,47,四、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。,48,五、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：输入和输出电压的幅度近似相