模拟电子电路4-4

1、4.5 功率输出级电路功率输出级电路4.5.1 功率放大器的特点、指标和分类功率放大器的特点、指标和分类1. 功放的特点和指标功放的特点和指标(1) 功率放大器的基本任务是向额定的负载功率放大器的基本任务是向额定的负载RL，输出额定的，输出额定的“不失真不失真”信号功率。信号功率。 (2) 要求电源提供的直流功率尽可能地转换为负载上的信号功率，而其要求电源提供的直流功率尽可能地转换为负载上的信号功率，而其他各种耗散功率（如管子、电阻以发热的形式消耗的功率）应尽可能的他各种耗散功率（如管子、电阻以发热的形式消耗的功率）应尽可能的少。少。 定义功率放大器的效率定义功率放大器的效率为：为： EoPP

2、 电电源源提提供供的的平平均均总总功功率率输输出出信信号号的的平平均均功功率率 通常把晶体管耗散功率和电路的损耗功率统称为耗散功率通常把晶体管耗散功率和电路的损耗功率统称为耗散功率PT，根据能，根据能量守恒的原则有：量守恒的原则有：PE = Po+PT ，所以功率放大器的效率也可表示为：，所以功率放大器的效率也可表示为：Po(Po +PT)。 (3) 非线性失真的大小可以用非线性失真系数非线性失真的大小可以用非线性失真系数D来衡量。来衡量。 2om12om32om22om123o22o1o3o2oDUUUIIIPPPmm (4) 功放中的功放中的晶体管往往工作在接近极限参数状态，需要合理选择功

3、放晶体管往往工作在接近极限参数状态，需要合理选择功放的电源电压，合理选择工作点使其安全工作。的电源电压，合理选择工作点使其安全工作。(5) 由于功放电路工作在大信号状态，已不属于线形电路的范围，由于功放电路工作在大信号状态，已不属于线形电路的范围，不能不能用微变等效电路的分析方法，通常采用图解法作粗略估算。用微变等效电路的分析方法，通常采用图解法作粗略估算。 饱和区饱和区放大区放大区2. 功率放大器工作状态的分类功率放大器工作状态的分类截止区截止区ciBEu(1) 甲（甲（A）类工作状态）类工作状态在输入信号的整个周期内晶体管始终工作在输入信号的整个周期内晶体管始终工作在线性放大区域。在线性放

4、大区域。 饱和区饱和区ciBEu截止区截止区 静静态态工工作作点点设设置置在在放放大大区区内内，但但接接 近近截截至至区区，在在信信号号的的大大半半周周期期内内三三极极 管管导导通通，导导通通角角 1800 饱和区饱和区ci截止区截止区BEu饱和区饱和区截止区截止区BEuciQQQQ3. 甲类放大器的输出功率甲类放大器的输出功率（1）电源提供的平均功率）电源提供的平均功率PE为为（2）电路可能的最大交流输出功率）电路可能的最大交流输出功率POmaxcemcmcemcmomax2122UIUIP 最大不失真输出电压、最大不失真输出电压、电流电流的幅度的幅度 CCESCcem2121EUEU CQ

5、CEOCQcmIIII CQComax41IEP （3）甲类功放的最大效率）甲类功放的最大效率为为25. 041Eomacmax PP 4.5.2 互补推挽乙类功互补推挽乙类功uiic1ic2io=ic1+ +ic2 1. 电路构成及工作原理电路构成及工作原理 （1） 电路组成电路组成（2）工作原理分析：）工作原理分析： io=ic1+ic21. 电路构成及工作原理电路构成及工作原理死死 区区跟随区跟随区饱和区饱和区饱和区饱和区跟随区跟随区ouiuUon1Uon2=ic1+ +ic21. 电路构成及工作原理电路构成及工作原理AD=ic1+ +ic22. 乙类互补推挽放大器的图解分析乙类互补推挽

6、放大器的图解分析omIomUQ （1） 输输出出功功率率： EC1/ RLUCES ce u ic2ic1（2） 单管最大平均管耗单管最大平均管耗 PT1max（3） 直流电源供给的功率直流电源供给的功率PE（4 4）效效率率 （5） 最大平均管耗与最大输出功率的关系最大平均管耗与最大输出功率的关系 以以上上的的结结论论是是传传统统观观点点，只只对对非非直直接接耦耦合合功功放放适适合合。但但当当信信号号变变化化较较为为缓缓慢慢时时，特特别别对对于于含含有有低低频频的的直直接接耦耦合合功功放放（或或集集成成功功放放）来来说说，应应该该考考虑虑它它的的瞬瞬时时最最大大管管耗耗即即最最大大可可能能管

7、管耗耗 PCmax 。 由于单管由于单管VT1的瞬时功耗为：的瞬时功耗为： Pc= uCEic= (EC- -icRL ) ic = ECic - -ic2 RL令令 dPc / dic= 0, 可求得当可求得当 ic=EC/2RL 时，单管最大可能管耗为时，单管最大可能管耗为 所以所以 PCmax=EC2 / 2RL- -EC2 / 4RL=EC2 / 4RL所以有所以有 : PCmax = 0.5Pomax 1.变压器耦合推挽功放变压器耦合推挽功放4.5.3 其他乙类推挽功率放大其他乙类推挽功率放大器器（负负载载折折合合到到初初级级绕绕组组上上 半半部部分分的的等等效效电电阻阻） u1/i

8、c1 =(N1/N2 )2 uL / iL 而而u1/ ic1=RL； uL /iL= RL RL=(N1 / N2)2RLuiui1ui2iC1iC2iL1. 变压器耦合变压器耦合乙类推挽功放乙类推挽功放2 单电源互补推挽功放单电源互补推挽功放 只使用一个电源只使用一个电源EC的的NPNPNP互补互补推挽功放，简称推挽功放，简称OTL功放。功放。 OTL功放与功放与OCL功放分析方法相同。只要用功放分析方法相同。只要用EC2取代关公式取代关公式(4-123)、(4-126)、(4-133)中的中的EC ，就可得，就可得OTL功放的各类指标。功放的各类指标。 VT1、R1 、R2和和Rc 、R

9、e为前置放大器；为前置放大器； R 、VD1、VD2为为VT2和和VT3基极提供偏基极提供偏置。置。 负载负载RL串联的大电容串联的大电容C具有隔直功能，具有隔直功能，静态时静态时C被充电至被充电至EC2。 当输入信号时，由于大电容当输入信号时，由于大电容C上的电上的电压维持压维持EC2不变，使得不变，使得VT2和和VT3的的CE回路的等效电源都是回路的等效电源都是EC2 。 OTL功放电源供电的物理过程是：功放电源供电的物理过程是：VT3导通导通时，时，C经经VT3和和RL回路放电形成电流回路放电形成电流ic3，电容储能减小；电容储能减小；VT2导通时导通时EC供电，形成回供电，形成回路电流

10、路电流ic2，同时对电容，同时对电容C充电储能；流过充电储能；流过RL的电流应该是的电流应该是ic2与与ic3的合成。的合成。 4.5.4 MOS输出级电路输出级电路1 . MOS源极输出电路源极输出电路 其中其中VT1为共漏极放大管或称源极跟随器，为共漏极放大管或称源极跟随器，VT2漏极与栅极间短路，相当有源负载。漏极与栅极间短路，相当有源负载。 ubs1= uds1= - -uo，ubs2=0，ugs2= uds2=uo，于是低，于是低频小信号微变等效电路如图（频小信号微变等效电路如图（b）所示。小信号）所示。小信号电压增益可以表示为电压增益可以表示为m2mb1m1m1ds2ds1m2mb

11、1m1m1ugggggggggg Am2mb1m1ds2ds1m2mb1m1oggg1ggggg1 rogs1oiouuuuuuA ds2ds1m2mb1gs1m1oggggugu 2. CMOS互补输出级电路互补输出级电路 源随器的优点是电路简单，输出阻抗低，失真小，缺点是源随器的优点是电路简单，输出阻抗低，失真小，缺点是效率低，且在接负载时正负输出摆幅不对称（正峰值电压远小效率低，且在接负载时正负输出摆幅不对称（正峰值电压远小于于ED）。在）。在CMOS集成电路中，常见的输出级有工作于甲乙类集成电路中，常见的输出级有工作于甲乙类的互补输出级。甲乙类互补输出级的效率高，负载能力强，适的互补输

12、出级。甲乙类互补输出级的效率高，负载能力强，适用于用于CMOS工艺。工艺。 （1）共漏）共漏CMOS互补输出级互补输出级 （1）共漏）共漏CMOS互补输出级互补输出级 偏置电压偏置电压UBIAS给给VT1和和VT2提供栅源偏置，以确定提供栅源偏置，以确定VT1和和VT2的静态偏的静态偏置电流，使置电流，使VT1，VT2偏置在甲乙类工作状态，以消除交越失真。偏置在甲乙类工作状态，以消除交越失真。 图图 (b)示出了实际电路，示出了实际电路，VT3，VT4是是VT1和和VT2的偏置电路，使的偏置电路，使VT1，VT2偏置在甲乙类工作状态，偏置在甲乙类工作状态，VT5、VT6组成组成CMOS推动放大

13、级，其中推动放大级，其中VT5是是NMOS放大管，而放大管，而VT6是是PMOS管作为管作为M5的有源负载。的有源负载。 主要缺点是输出电压幅度主要缺点是输出电压幅度Uom 不够大，因不够大，因Uom可简单的决定于正、负电可简单的决定于正、负电源电压减去源电压减去VT1和和VT2的的UGS( (th) )，由于体效应，阈值电压，由于体效应，阈值电压UGS(th)会增加，限会增加，限制了输出幅度，当制了输出幅度，当UGS( (th) )的值较大时的值较大时Uom 就减少。就减少。 (2) 共源共源CMOS互补输出电路互补输出电路 PMOSFET VT1和和NMOSFET VT2构成的共源构成的共

14、源CMOS互补输出电路，互补输出电路，VT1和和VT2的源极与衬底均短接。的源极与衬底均短接。 VT3为源极跟随器，为源极跟随器，VT4为恒流源为恒流源作为作为VT3的有源负载。的有源负载。 VT1的栅源偏压的栅源偏压UGS1取决于取决于UG3与与ED之差，之差，VT2的栅源偏压的栅源偏压UGS2取决于取决于UG2与与- -ES之差，适当设计之差，适当设计UGS1和和UGS2可可使使VT1、VT2的静态电流的静态电流ID1和和ID2很低，很低，工作在甲乙类状态。工作在甲乙类状态。 输入正极性电压时，输入正极性电压时，VT3 的的iD3增加，增加，uS3= uG2增加，所以增加，所以VT2的的i

15、D2随之增随之增加；同时，由于加；同时，由于uG3= uG1，所以，所以uGS1减小，导致减小，导致VT1的的iD1减小；使得减小；使得RL上电压上电压uo向负值方向增加。同理，当输入负极性电压时，向负值方向增加。同理，当输入负极性电压时，VT1的的iD1增加，同时增加，同时iD2、iD3均减少，直到为零，均减少，直到为零，RL上电压上电压uo向正值方向增加。共源向正值方向增加。共源CMOS互补输出电互补输出电路有一定的电压增益，而且可输出较大的负向电压幅度，但其输出电阻较大。路有一定的电压增益，而且可输出较大的负向电压幅度，但其输出电阻较大。 4.5.5 达林顿组态达林顿组态 ( (1 1) ) 达达林林顿顿组组态态的的基基本本电电路路结结构构b1c1ii c1e1b2iii b21b22c2iii b21b21b1c2c1ciiiiii 4.5.5 达林顿组态达林顿组态 等效等效值高是复合管的优点，采用复合管可以获得很高的电值高是复合管的优点，采用复合管可以获得很高的电流放大倍数。但复合管的等效穿透电流也较大，工作点热稳定流放大倍数。但