功率放大电路课件

第四章功率放大电路,4.1功率放大电路的主要特点,4.2互补对称式功率放大电路,4.3采用复合管的互补对称式放大电路,4.4集成功率放大器,4.5功率放大电路Multisim仿真实例,本章教学内容,本章重点和考点：,1.重点掌握功放的分类、最大输出电压、最大输出功率和效率的计算。,2.掌握集成功放的使用。,本章教学时数：4学时,第四章功率放大电路,3,4.1功率放大电路的主要特点,对功放的主要要求：,1.根据负载要求，提供所需要的输出功率。,最大输出功率,2.具有较高的效率,输出功率,直流电源提供功率,3.尽量减小非线性失真。,分析方法：三极管工作在大信号状态，一般不采用微变等效电路法，常采用图解法(晶体管的输出特性曲线)。,4,射极跟随器对正、负向输入信号跟随能力不同。,(1)当输入电压为正时,最大正输出电压为,(2)当输入电压为负时,最大负向输出电压为,UOM=(VCC-UCES),问题1：射极跟随器能否作为功率放大电路？,结论:射极跟随器不宜用作功率放大电路,5,图9.1.1(a)共射放大电路,图输出功率和效率的图解分析,直流电源提供的直流功率为ICQVCC即图中矩形ABCO的面积。,集电极电阻RC的功率损耗为I2CQRC即图中矩形QBCD的面积。,晶体管集电极耗散功率为ICQUCEQ即图中矩形AQDO的面积。,(1)无输入信号作用时,无输入信号时,输出功率等于零。,问题2：共射放大电路能否作为功率放大电路？,6,图输出功率和效率的图解分析,(2)在输入信号为正弦波时，若集电极电流也为正弦波,直流电源提供的直流功率不变,负载电阻RL上所获得的功率PO仅为P/Om的一部分。,R/L(=RC/RL)上获得的最大交流功率P/Om为,即图中三角形QDE的面积,共射放大电路输出功率小，效率低（25），不宜作功放。,7,传统的功放为变压器耦合式电路,电源提供的功率为PVICQVCC，全部消耗在管子上。,则可作出交流负载线,RL等效到原边的电阻为,8,在理想变压器的情况下，最大输出功率为,即三角形QAB的面积,在输入信号为正弦波时，若集电极电流也为正弦波,直流电源提供的功率不变PV=ICQVCC,电路的最大效率为:Pom/PV=50,9,实用的变压器功率放大电路,希望输入信号为零时，电源不提供功率，输入信号愈大，负载获得的功率也愈大，电源提供的功率也随之增大，从而提高效率。,变压器耦合乙类推挽功率放大电路,图4.1.1变压器耦合乙类推挽功率放大电路,同类型管子在电路中交替导通的方式称为“推挽”工作方式。,无输入信号，二管截止,有输入信号，二管交替导通,10,功率放大电路的分类,在放大电路中，若输入信号为正弦波时，根据晶体管在信号整个周期内导通情况分类,甲类(=2),乙类(=),甲乙类(2),丙类：导通角小于。,丁类：功放管工作在开关状态，管子仅在饱和导通时消耗功率。,集电极电流iC将严重失真。,11,上次课知识点回顾：,1.功放电路的主要性能指标：根据负载要求，提供所需的输出功率Pom;具有较高的效率;,2.根据晶体管在信号整个周期内导通情况分类:甲类(=2);乙类(=);甲乙类(2);丙类();丁类(开关状态)。,尽量减小非线性失真。,12,3.共射放大电(CE)路不宜用作功率放大电路:,4.变压器耦合式功率放大电路无法实现集成化,应用较少。,目前市场上功率放大电路的发展趋势倾向如何呢？,上次课知识点回顾：,共射放大电路输出功率小，效率低（25）。,13,4.2互补对称式功率放大电路,目前使用最广泛的功放是OCL和OTL功率放大电路。,功放的电路形式：互补对称式电路,不同类型的二只晶体管交替工作，且均组成射极输出形式(CC组态)的电路称为“互补”电路；二只晶体管的这种交替工作方式称为“互补”工作方式。,14,本节应掌握的知识点:,1.如何判断OCL电路、OTL电路？2.OCL电路、OTL电路的性能指标如何分析或计算？,如何设计实用的OCL、OTL集成功放电路？,4.2互补对称式功率放大电路,最终目的:,电路的结构特点.,Q点如何设置？分析方法:图解法.用晶体管的输出特性曲线分析。,15,双电源供电;T1和T2特性对称,互补输出；输出端直接同负载连接。,4.2.1OCL互补对称电路(OutputCapacitorless),4.2互补对称式功率放大电路,1.OCL乙类互补对称电路,(1)结构特点,(2)静态工作点设置,前级电路应使基极电位为0，发射集电位为0。,16,(3)工作原理,在输入正弦信号的正半周，VT1导通，iC1流过负载；,在输入正弦信号的负半周，VT2导通，iC2流过负载；,在信号的整个周期都有电流流过负载，负载上iL和uO基本上是正弦波。,存在的问题：,交越失真,问题：如何消除交越失真？,EWB1电路,17,(4)OCL改进电路-,OCL甲乙类互补电路,图4.2.2OCL互补对称电路,消除交越失真思路：,ui=0，给T1、T2提供静态电压,UB1、B2UD1UD2UR2,UB1、B2略大于T1管发射结和T2管发射结开启电压之和，两管均处于微导通状态，即都有一个微小的基极电流，分别为IB1和IB2。,18,图4.2.3OCL互补对称电路波形图,OCL甲乙类互补对称电路输出波形,图4.2.2OCL互补对称电路,EWB2电路,19,当输入电压足够大，且又不产生饱和失真的图解分析.,图4.2.4OCL乙类电路图解分析,图中I区为T1管的输出特性，II区为T2管的输出特性；,二只管子的静态电流很小，可认为Q点(VCC,0)在横轴上。,2.OCL互补对称电路主要参数的估算(或设计),(以乙类互补电路为例进行分析),估算的关键点是静态工作点的选择;,20,图4.2.4OCL电路的图解分析,Uop=VCCUCES,最大输出电压幅值,最大不失真输出电压的有效值,(1)最大输出功率POm,21,最大输出功率,电源VCC提供的电流,电源在负载获得最大交流功率时所消耗的平均功率等于其平均电流与电源电压之积。,(2)效率,理想情况下，UCES可忽略；但大功率管UCES较大，不能忽略。,22,(3)功率三极管的极限参数,最大管压降,UCEmax=2VCC,集电极最大电流,集电结最大功耗,如何求PT的最大功率？,23,晶体管最大功耗仅为最大输出功率的五分之一。,在查阅手册选择晶体管时，晶体管极限参数应为,如何选择功放管呢?,24,OCL甲乙类互补对称电路小结,采用甲乙类电路可消除交越失真。,静态工作点Q(VCC,0)的位置很低，目的是提高效率。,UOm、POm和的计算可近似用OCL乙类互补对称电路方法计算。,每个三极管的最大功耗为PTm=0.2P0m。,OCL电路省去了大电容，即改善了低频响应，又便于集成化。缺点是要双电源供电。,二个三极管的发射集直接连接到负载上，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。,注意：,25,4.2.2OTL互补对称电路(OutputTransformerLess),大容量电解电容器,1.OTL互补对称电路,单电源供电,大容量电容取代了变压器T1和T2特性对称,互补输出。,前级电路应使基极电位为VCC/2，发射极电位为VCC/2，故电容上的电压也为VCC/2。,(1)结构特点,(2)静态工作点设置,图4.2.5OTL乙类互补对称电路,26,在输入信号的正半周，VT1导通，iC1流过负载；,负半周，VT2导通，iC2流过负载。,在信号的整个周期都有电流流过负载，负载上iL和uO基本上是正弦波。,存在的问题：,交越失真,(3)工作原理,问题：如何消除交越失真？,图4.2.5OTL乙类互补对称电路,27,(4)OTL甲乙类互补对称电路,图4.2.6OTL互补对称电路,R、VD1、VD2为两管提供一小的静态偏置电压，使得在输入信号等于零时，管子微导通，以克服交越失真。,图4.2.7OTL互补对称电路波形图,28,2.OTL互补对称电路主要参数的估算,图4.2.8OTL互补对称电路的图解法,(以乙类互补电路为例进行分析),以输出特性曲线进行图解法分析,静态工作点的设置,电容上的电压VCC/2。发射结电位为VCC/2，二只管子的静态电流很小，可认为Q(VCC/2,0)点在横轴上.,29,2.OTL互补对称电路主要参数的估算,Ucem1=Ucem2=Ucem，,(1)最大输出功率,若忽略饱和管压降,30,图4.2.8OTL互补对称电路的图解法,(2)效率,理想情况下，若忽略UCES则,31,(3)功率三极管的极限参数,最大管压降,UCEmaxVCC,集电极最大电流,集电结最大功耗,32,OTL甲乙类互补对称电路小结,采用甲乙类电路可消除交越失真。,静态工作点Q(VCC/2,0)的位置很低，目的是提高效率。,UOm、POm和的计算可近似用OTL乙类互补对称电路计算。,每个三极管的最大功耗为PTm=0.2P0m,缺点是电路中含有大电容，频率响应特性差。,33,OCL、OTL功放电路的比较,Q(VCC/2,0),Q(VCC,0),34,附:其它实用的OCL或OTL电路,35,附:其它实用的OCL或OTL电路,OCL、OTL电路均有各种不同电压增益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。,如何设计实用的OCL、OTL集成功放电路？,实验三集成功放电路的设计,36,4.3.1复合管的接法,(a)NPN型,(b)PNP型,图4.3.1复合管,4.3采用复合管的互补对称式放大电路,问题:如何提高放大电路的输入电阻?,1.复合管的构成：,如何提高放大电路的电流放大倍数?,由两个或两个以上三极管组成。,37,图4.3.1复合管,（1）前后两个三极管连接关系上，应保证前级输出电流与后级输入电流实际方向一致。（2)外加电压的极性应保证前后两个管子均为发射结正偏，集电结反偏，使管子工作在放大区。,构成复合管时注意事项,38,2.复合管的组成及其电流放大系数,iB1,(1)复合管共射电流放大系数值,由图可见,39,则,(2)复合管输入电阻rbe,其中,所以,显然，、rbe均比一个管子1、rbe1提高了很多倍。,40,小结,两个同类型的三极管组成复合管，其类型与原来相同。复合管的12，复合管的rbe=rbe1+（1+1）rbe2。两个不同类型的三极管组成复合管，其类型与前级三极管相同。复合管的12，复合管的rbe=rbe1+（1+1）rbe2。在集成运放中，复合管不仅用于中间级，也常用于输入级和输出级。,41,4.3.2复合管组成的互补对称放大电路,图4.3.3由复合管组成的互补对称电路,图4.3.4准互补对称电路,改进：,缺点：由于VT3、VT4类型不同，互补性差。,42,4.4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。,集成功放的分类：,通用型功放、专用型功放单通道功放、双通道功放小功率功放、大功率功放,43,4.4集成功率放大电路,4.4.1集成功率放大器的组成,LM386是一种音频集成功放，具有功耗小，电压增益可调节，电源电压范围大，外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。,本节应掌握的问题：集成功放的电路组成，工作原理、主要性能指标。集成功放LM386典型运用。,如何设计实用的OTL集成功放电路？,44,1.LM386内部电路,图4.4.1LM386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。,45,2.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,46,(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。,3.LM386引脚图,图4.4.3LM386的外形和引脚,4.4.2集成功率放大电路的主要技术指标（略）,47,4.4.3集成功率放大电路的应用,1.集成OTL电路的应用,(1)LM386外接元件最少的用法,静态时输出电容上电压为,VCC/2,最大不失真输出电压的峰峰值为电源电压VCC,最大输出功率为,输入电压有效值,若VCC=16V,AU=20.,48,(2)LM386电压增益最大的用法,(3)LM386的一般用法,LM386电压增益最大的用法,LM386的一般用法,引脚1和引脚8接10uF电解电容器，1和8之间交流短路。,引脚1和引脚5接电阻，也可改变电压放大倍数。,问题:以上电路各电容器的作用是什么?,49,4.5功率放大电路Multisim仿真实例,1.OTL乙类互补对称电路Multisim仿真,2.OTL甲乙类互补对称电路Multisim仿真,3.采用复合管的OCL甲乙类互补对称电路Multisim仿真,50,复习1：,1.功放电路甲类、乙类、甲乙类如何划分？,2.OTL功放Q点如何设置？最大输出电压、效率多大？,3.OCL功放Q点如何设置？最大输出电压、效率多大？,51,复习2：,1集成功放电路