第九章功率放大电路学习教案

1、会计学1第九章功率放大电路第九章功率放大电路(dinl)第一页，共43页。 2）转换效率 从前面的分析可知，所有的放大电路实质上都是能量变换器。负载上所得到的信号功率实际上是由直流电源通过放大器件转换而来(r li)的。当供给功率放大电路的直流电源功率一定时，为了向负载提供尽可能大的功率，就必须减小损耗，因此提高功率放大电路的能量转换效率是一个重要问题。 功率放大电路的转换效率是最大输出功率与电源所提供的功率之比，用表示，即式中, PV为直流电源所提供的功率。 VomPP第1页/共42页第二页，共43页。 三、功率放大电路的晶体管和功率放大电路的分析方法 在功率放大电路中，为了使输出功率尽可能

2、大，三极管一般都工作在极限状态，瞬时(shn sh)工作点将运动到接近于管子的饱和区和截止区， 输出信号不可避免地会有非线性失真，而且输出功率越大，非线性失真越严重。因此必须注意功放管的正确选择， 要保证管子的最大耗散功率PCM、最大集电极电流ICM、最大管压降U(BR)CEO不超过限定范围，使管子工作在安全工作区。 由于功率放大电路中的三极管通常都工作在大信号状态， 因此在进行分析时，一般不采用小信号等效电路法，而是采用图解法进行功放电路的静态和动态分析。 第2页/共42页第三页，共43页。9.1.2 功率放大电路的组成 功率放大电路的形式(xngsh)很多，按放大电路不同的工作状态， 可分

3、为甲类放大、 乙类放大、甲乙类放大。 在前面所讨论的电压放大电路中，输入信号在整个周期内都有电流流过放大器件，这种工作方式称为甲类放大， 其工作状态如图3-24（a）所示，由图可见iC0。 在甲类放大电路中，直流电源所提供的功率在没有信号输入时， 全部消耗在管子和电阻上；当有信号输入时，一部分转化为有用的输出功率，另一部分消耗在器件上。可以证明, 即使在理想情况下，甲类放大电路的效率最高也只能达到50%。 第3页/共42页第四页，共43页。 怎样才能使电源所提供的功率尽可能多地转化为有用的信号输出功率呢？要想提高放大电路的效率，只有减小损耗。从甲类放大电路可知，静态电流是造成管耗的主要因素。如

4、果把静态工作点向下移动，使信号等于零时，电源的输出功率也等于零（或很小）， 信号增大(zn d)时电源供给的功率也随之增大(zn d)， 这样电源所提供的功率和管耗都会随着输出功率的大小而变化。 利用图3-24（b）和（c）所示工作情况，可以实现上述设想。 在图3-24（b）中，有半个周期以上iC0，称为甲乙类放大；图3-24（c）中，一个周期内只有半个周期iC0，称为乙类放大。 第4页/共42页第五页，共43页。 甲乙类和乙类放大虽然减小了静态功耗，提高了效率， 但是由于工作点偏下，会出现严重的波形(b xn)失真，因此，既要保持静态时管耗小，又要使波形(b xn)不产生严重失真， 就必须改

5、进电路结构。 第5页/共42页第六页，共43页。图 3-24 Q点下移对工作(gngzu)状态的影响(a) 甲类放大；iCiCOtOICQQiB 常数uCE(a)甲类功率(gngl)放大器的Q点第6页/共42页第七页，共43页。iCiCOICQQiB 常数tuCE(b)O图 3-24 Q点下移对工作状态(zhungti)的影响(b) 甲乙类放大；甲乙类功率(gngl)放大器的Q点第7页/共42页第八页，共43页。图 3-24 Q点下移对工作(gngzu)状态的影响(c) 乙类放大 tiCiCuCEOQiB 常数(c)O乙类功率(gngl)放大器的Q点三类(sn li)功率放大器的效率比较: 乙

6、类 甲乙类 甲类第8页/共42页第九页，共43页。1） 变压器耦合功率放大电路(dinl) 图 3-25 变压器耦合乙类推挽(tu wn)功率放大电路 V1V2iC1UCCiLRLuiTr1Tr2iC2uo第9页/共42页第十页，共43页。 图中Tr1为输入变压器，Tr2为输出变压器，三极管V1、V2特性完全相同，且接成对称射极输出器形式。当输入电压ui为零时，由于V1、V2管的发射极电压为零，均处于截止状态， 因此电源所提供的功率为零，负载上的电压也为零，两只管子的管压降均为UCC。当输入电压ui为正半周时，V1管导通，V2管截止，电流iC1如图中实线所示；当输入电压ui为负半周时， V1管

7、截止，V2管导通，电流iC2如图中虚线所示。这种V1和V2管在电路中轮流导通的方式称为“推挽”工作方式。虽然两个三极管的集电极电流iC1和iC2均只有半个正弦波，但是(dnsh)经变压器耦合后，负载RL上的电流iL和输出电压uo的波形是整个正弦波。 第10页/共42页第十一页，共43页。图9.1.3 变压器耦合乙类推挽(tu wn)功率放大电路波形图第11页/共42页第十二页，共43页。 2） 无输出变压器的功率放大电路 变压器耦合的功率放大电路优点是可以实现阻抗变换，但是其体积庞大、 笨重， 消耗有色金属，高频和低频特性差， 因此(ync)目前广泛应用的是无输出变压器的功率放大电路（Outp

8、ut TransfomerLess），简称OTL电路， 如图3-26所示。OTL电路用一个大电容取代了变压器，采用特性对称、类型不同的两个三极管V1和V2，其中一个为NPN型，另一个为PNP型。 第12页/共42页第十三页，共43页。图 3-26 OTL电路(dinl) V1V2CiC2RLui UCCuoiC1UCC/2第13页/共42页第十四页，共43页。 静态时，前级电路应使基极电压为UCC/2，所以两管的发射极电压也为UCC/2，则电容上的电压也等于UCC/2，极性如图3-26所示。 设电容容量足够大，对交流信号(xnho)视为短路，三极管b-e间的开启电压忽略不计。在ui的正半周，V

9、1管导通，V2管截止，电流iC1从UCC流出，经V1管和电容C后流过负载RL到公共端，方向如图中实线所示。由于V1管和负载RL组成的电路为射极输出形式， 故输出电压uoui；在ui的负半周，V1管截止，V2管导通，电流iC2由电容C的正极流出，经V2管和负载RL回到电容C的负极， 方向如图中虚线所示。V2管也以射极输出形式将负半周信号(xnho)传送给RL，即uoui。这样负载RL上得到一个完整的信号(xnho)波形。 第14页/共42页第十五页，共43页。 通常情况下功率放大电路的负载电流很大，电容容量常选为几千微法，且是电解电容。 由于大容量的电容不适于集成电路， 所以通常采用无输出电容的

10、功率放大电路（Output CapacitorLess），简称OCL电路。下面以OCL电路为例， 介绍功率放大电路的最大输出功率、效率(xio l)及管耗的分析与计算。 返回(fnhu)四. 无输出电容(dinrng)的功率放大电路第15页/共42页第十六页，共43页。ionuU图9.1.5 OCL电路(dinl) 在输入信号的正半周，当ui0时， T1管导通，T2管截止，电流iC1如图中实线所示，在输入信号的负半周，即ui0时， T1管导通，T2管截止，电流iB1如图中所示，在输入信号的负半周，即ui0时，T1管截止，T2管导通， 电流iB2如图中所示，这样(zhyng)在输入信号的一个周期

11、内，T1、T2管交替工作， 互相补充对方所缺少的半个周期， 即使ui很小，总能保证至少一只晶体管导通，因而消除了交越失真。 综上所述，输入信号的正半周主要是T1管发射极驱动负载，负半周主要是T2管发射极驱动负载，而且两管的时间都比输入信号的半个周期长，电路工作在甲乙类放大状态。第18页/共42页第十九页，共43页。 9. 2. 2 OCL电路的输出功率及效率 由于输出波形是两管共同作用的结果，为了便于分析，将T2管的输出特性曲线倒置在T1管的右下方，并令两者在Q点， 即uCE=UCC处重合，就得到了如图所示的两管组合后的特性曲线。交流负载线为过Q点且斜率为-1/RL的直线，根据输入的正弦信号，

12、Q点在交流负载线上移动，信号为正半周时，T1管导通， 可得到其集电极电流(dinli)iC1和集-射之间的电压uCE1的半波波形；信号为负半周时，T2管导通，得到iC2和uCE2的半波波形，这样在负载RL上是完整的正弦电流(dinli)、电压波形。显然,允许的iC的最大变 化 范 围 为 2 I c m a x ， u C E 的 最 大 变 化 范 围 为 2 ( U C C -UCES1)=2Ucem。 第19页/共42页第二十页，共43页。图 9.2.3 OCL电路(dinl)的图解法分析第20页/共42页第二十一页，共43页。由图可得最大输出功率为22()2sinsinomCCCESo

13、mLLCCCEScmLUVUPRRVUiIttRC在忽略基极回路电流的情况下，电源提供的电流在理想(lxing)情况下UCES0， 所以 LCCCCcmomRUUIP22121最大不失真输出(shch)电压的有效值为1122CCCESomCESCESCESVUUUUU 设饱和管压降第21页/共42页第二十二页，共43页。直流电源提供的功率(gngl)PV 由于每个直流电源只提供半个周期的电流 iC=Icmsint 因此，直流电源所提供的总功率(gngl)等于其电源电压与平均电流的乘积，即0001sin()()1sin()()1cos()2VCCcmCCCESCCLCCCESCCLCCCCCES

14、LPVItdtVUVtdtRVUVtRVVUR第22页/共42页第二十三页，共43页。转换(zhunhun)效率 2224CCCESomLCCCCCESVLCCCESCCVUPRVVUPRVUV理想(lxing)情况下，忽略UCES， 则 %5 .784应当指出，大功率管的饱和压降通常为23V，因此(ync)一般不能忽略饱和压降。第23页/共42页第二十四页，共43页。 在功放电路中，应根据(gnj)晶体管所承受的最大管压降、集电极最大电流和最大功耗来选择晶体管。一、最大管压降 在OCL电路中，两只晶体管中处于截止状态的管子将承受较大的管压降。设输入电压为正半周， T1导通，T2截止，当ui从

15、零增大到峰值时，两管的发射极电位uE从零增大到（VCC - UCES1），因此T2管压降的数值UEC2= uE - （-VCC）= uE +VCC 将从VCC增大到最大值UEC2max= （VCC - UCES1） +VCC = 2VCC - UCES1 。同理可得，输入电压为负半周， T2导通， T1 截止， T1将承受较大的管压降为UEC1max= 2VCC - （-UCES2） 。考虑留有一定余量，管子承受的最大管压降为9.2.3 OCL电路(dinl)晶体管的选择max2CECCUV第24页/共42页第二十五页，共43页。 晶体管的发射极电流等于负载电流，负载电阻上的最大电压为VCC

16、- UCES1故集电极最大电流三、集电极最大功耗 在OCL电路中，电源提供的功率，除了转换成输出功率外，其余部分主要消耗在晶体管上，可认为晶体管所损耗的功率 PT = PV - PO 。当输入(shr)电压为零，即输出功率最小时，由于集电极电流很小，使管子的损耗很小；当输入(shr)电压最大，即输出功率最大时，由于管压降很小，管子的损耗也很小；可见管耗最大即不发生在输入(shr)电压最小时，也不发生在输入(shr)电压最大时。 管压降和集电极电流瞬时值的表达式分别为二、集电极最大电流(dinli)(sin),sinOMCECCOMCLUuVUtitR1maxmaxmaxCCCESCELCCCL

17、VUIIRVIR考虑留有一定余量第25页/共42页第二十六页，共43页。 集电极管耗是指每个三极管集电极上所损耗的功率， 用PT表示。通常情况下，功率放大电路中的损耗主要是三极管的集电极管耗。 由于上述电源所提供(tgng)的功率和负载上获得的功率是对两个三极管而言的， 因此每个三极管的集电极管耗为 20011(sin)sin221420,0.6OMTCECCCOMLCCOMOMLTOMCCCCOMUPui d tVUtt d tRVUURPUVVUd令可求得，。d（3-51）第26页/共42页第二十七页，共43页。22maxmax22max200.60220.2CESCCOMCCTTTLom

18、CCCESomLLTomomUVUVPPPRUVUPRRPPP即当时，即当时，根据可得可见，晶体管集电极最大功耗(n ho)仅为理想（饱和管压降为零）时最大输出功率的五分之一。在查阅手册选择晶体管时，应使极限参数()020.2CESBR CEOCCCCCMLCMomUUVVIRPP第27页/共42页第二十八页，共43页。 【例3-4】功率放大电路如图3-31所示，设功率管1=2=15, 电源电压UCC=16 V, 负载RL=4 ，三极管饱和压降UCES=0 V，试求电路最大不失真(sh zhn)输出功率、 满功率输出时的管耗及最大管耗、功放电路的效率和输入信号的功率。 解 在图3-31中，V1

19、为PNP管，V2为NPN管，R2、VD1、VD2上产生的压降之和应略大于V1、V2两管的导通电压之和，从而使V1、V2管有一个小的静态电流，并可由R2来调节静态电流的大小。 第28页/共42页第二十九页，共43页。图 3-31 例3-4电路图 R1R2VD1VD2R3V1V2iLRLui UCCuo UCC第29页/共42页第三十页，共43页。电路的最大输出(shch)电流峰值为 ARUILCCom4416最大输出功率为 WUIPcemomom321642121电源(dinyun)供给的直流功率为 WUIPCComV7 .4016422第30页/共42页第三十一页，共43页。输出功率(gngl

20、)最大（满功率(gngl)输出）时的管耗 WPPPPomVTT35. 4)327 .40(21)(2121最大管耗 PTmax=0.2Pom=0.232=6.4 W 第31页/共42页第三十二页，共43页。输入(shr)信号电流和电压峰值分别为 VUUUAIomIICCcemimbmim16267. 0154所以， 输入信号(xnho)的功率应为 WUIPcembmi13. 216267. 02121第32页/共42页第三十三页，共43页。4. 采用(ciyng)复合管的OCL电路 图 3-32 采用(ciyng)复合管的OCL电路 R3V1R1VD1VD2V3V2V4R4R2RL UCCuo

21、 UCCui第33页/共42页第三十四页，共43页。 复合管又称为达林顿管，它可由两个或两个以上的三极管复合，也可由场效应管和三极管复合。 构成复合管的原则是: 复合后的管子类型应和第一个管子的类型相同; 若把两只管子或多只管子正确连接成复合管，必须保证每只管子各电极的电流都能顺着各个管子的正常工作方向流动(lidng)，否则将是错误的; 复合管外加电压的极性应保证复合中的管子都工作在放大区。 第34页/共42页第三十五页，共43页。图 3-33 复合(fh)后的等效互补管 iC1iE1 iB3iEV3iC3iCceiBiB1bbec(a)iE2iC2 iB4iE4V4iC4iEeciBiB2

22、bbce(b)V2V1第35页/共42页第三十六页，共43页。从图3-33（a）可见， 复合(fh)后管子的电流放大系数为 3131311311131131)1 (BEBCCBCiiiiiii 式（3-54）表明， 复合管的电流(dinli)放大系数约等于两只管子电流(dinli)放大系数的乘积。 （3-54） 第36页/共42页第三十七页，共43页。图 3-34 常用(chn yn)复合管结构 (a)b2e1V1c1b1e2V2c2bec(b)b2c1V1e1b1e2V2c2bce(c)b2e1V1c1b1bece2b3e3V2V3c2c3V1dgsb2V2c2e2dgs(d)返回(fnhu)第37页/共42页第三十八页，共43页。9.3 集成(j chn)功率放大电路