模拟电子线路第三章功率放大电路

1、模拟电子线路 第三章 功率放大电路第一节学习要求第二节功率放大电路的一般问题第三节乙类双电源互补对称功率放大电路第四节甲乙类互补对称功率放大器第一节 学习要求：1了解功率放大电路的主要特点及其分类；2 熟悉常用功放电路的工作原理及最大输出功率和效率 的计算；3了解集成功率放大电路及其应用本章的重点：OCL 、 OTL 功率放大器本章的难点：功率放大电路主要参数分析与计算第二节 功率放大电路的一般问题功放以获得输出功率为直接目的。 它的一个基本问题就是 在电源一定的条件下能输出多大的功放在大信号功率 。功率放大器既然要有较大的输出功率，当然也要求电源供给更大的注入功率。因此， 功放的另一基本问题

2、是 工作效率问题 。即有多少注入功率能转换成信号功率。另外， 信号下的失真，大功率运行时的热稳定性 等问题也是需要研究和解决的。一、功率放大电路的特点、基本概念和类型1、特点：(1) 输出功率大(2) 效率高(3) 大信号工作状态(4) 功率 BJT 的散热2、功率放大电路的类型(1) 甲类功率放大器ffl 5.1特点:工作点Q处于放大区，基本在负载线的中间，见图 5.1在输入信号的整个周期内，三极管都有电流通过。导通角为360度。缺点:效率较低，即使在理想情况下，效率只能达到50%由于有Icq的存在，无论有没有信号，电源始终不断地输送功率。当没有信号输入时，这些功率全部消耗在晶体管和电阻上，

3、并转化为热量形式耗散出去；当有信号输入时，其中一部分转化为有用的输岀功率。作用:通常用于小信号电压放大器；也可以用于小功率的功率放大器。(2)乙类功率放大器特点:工作点Q处于截止区半个周期内有电流流过三极管，导通角为180度。由于lcQ=O，使得没有信号时，管耗很小，从而效率提咼。缺点：波形被切掉一半，严重失真，如图5.2所示。作用:用于功率放大。(3)甲乙类功率放大器特点:工作点Q处于放大区偏下。大半个周期内有电流流过三极管，导通角大于180度而小于360度。由于存在较小的Icq，所以效率较乙类低，较甲类高。缺点：波形被切掉一部分，严重失真，如图5.3所示。作用:用于功率放大。返回第三节乙类

4、双电源互补对称功率放大电路、电路组成在图5.4所示电路中，两晶体管分别为NPN管和PNP管，由于它们的特性相近，故称为互补对称管图5.4既避免了输岀波形的静态时，两管的ICQ=O ；有输入信号时，两管轮流导通，相互补充 严重失真，又提高了电路的效率。由于两管互补对方的不足，工作性能对称, 所以这种电路通常称为互补对称电路。-I-VeqUUJ.4-二、分析计算1.输出特性曲线的合成因为输岀信号是两管共同作用的结果,所以将Ti、T2合成一个能反映输出信号和通过负载的电流的特性曲线。合成时考虑到:(1 ) Vi=0 时，VCEQ1 =Vcc-V CEQ2 =V cc , 因此 Qi =Q2(2)由流

5、过Rl的电流方向知ici与ic2方向相反。即两个纵坐标轴相反。(3 )特性的横坐标应符合：VcEi+VEC2=Vcc-(-Vcc)=2VccVCE1的原点与-VCE2=2Vcc点重合；-VCE2的原点与+VCE1 =2V cc点重合。由以上三点，得两管的合成曲线如图5.6所示。这时负载线过Vcc点形成一条斜线，其斜率为-/Rl。显然，允许的ic的最大变化范围为21cm , VCE的变化范围为 2(VcC-VcES ) =2Vcem=2I cmRL如果忽略BJT的饱和压降 VCES , Vcem=|cmRLVC。2.计算输出功率Po在输入正弦信号幅度足够的前提下，即能驱使工作点沿负载线在截止点与

6、临界饱和点之间移动。如图5.6所示波形。输岀功率用输岀电压有效值Vo和输岀电流I0的乘积来表示。设输岀电压的幅值为Vom，则Av勺。当输入信号足够大，使Vim=Vom =这恰好是图5.6中厶ABQ的面积。因为|om=Vom/RL，所以图5.5中的T1、T2可以看成工作在射极输岀器状态,Vcem = VCC- VCES VCC和lom=lcm时，可获得最大的输岀功率由上述对Po的讨论可知，要提供放大器的输岀功率，可以增大电源电压VCC或降低负载阻抗RL。但必须正确选择功率三极管的参数和施加必要的散热条件，以保证其安全工作。3.BJT的管耗Pt1 > -7曲皿曲）2"Rsm 少皿曲

7、）42ff 52几几44、电源提供的功率2讥2 尽 Rf n若心则玖5、效率nV 2 _ 应用 2R,三、功率BJT的选择1、最大管耗和最大输岀功率的关系葺）4”1几几金p =/ C C 湘1 口 _ 7T、-Rl令込二0%71上式表明:当 Vom" 0.6V cc时，BJT具有最大的管耗,%ST-丄fWrl因此，功率三极管的选择应满足以下条件:例题：P220 , 523已知：v为正弦波，Rl=8W，VcES=O， Pom=9W求（1 ）±Vc的最小值,(2)BJT 的 Icm、5）Vi的有效值(3)Pom=9W 时的 Pv ( 4)BJT 的 Pcm (兀厂何忑二历即二1

8、莎BJT 的 ICM > Iom一 1 2xl25用11/46妙返回第四节甲乙类互补对称功率放大器图5.5所示电路具有电路简单， 效率高等特点，广泛用于直流电机和电磁阀控制系统中。但由于BJT的Icq=O,因此在输入信号幅度较小时， 不可避免地要产生非线性失真-交越失真，如图5.7所示。VBE1 +VBE2 =0图57产生交越失真的原因：功率三极管处于零偏置状态，即:解决办法：为消除交越失真，可以给每个三极管一个很小的静态电流，这样既能减少交越失真，又不至于使功率和效率有太大影响。就是说，让功率三极管在甲乙类状态下工作。增大Vbei +V BE2。、甲乙类双电源互补对称电路（OCL）S）

9、二极管偏置扩大电路偏置比I=卩鲫亠喀4 =卩BF4®亠禹）电E 5.81. 基本电路甲乙类双电源互补对称电路如图5.8所示。其中图5.8（ a）所示的偏置电路是克服交越失真的一种方法。由图可见，T3组成前置放大级（注意，图中末画岀T3的偏置电路）,Ti和T2组成互补输岀级。静态时，在Di、D2上产生的压降为 Ti、T2提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状 态。由于电路对称，静态时ici=ic2,iL=0, vo=0。有信号时，由于电路工作在甲乙类，即使vi很小（Di 和D2的交流电阻也小），基本上可线性地进行放大。上述偏置方法的缺点是，其偏置电压不易调整。而在图5.8 (b)中，

10、流人T4的基极电流远小于流过 Rl、 R2的电流， 则由图可求岀 VCE4=VBE4(R1+R2)/R2，因此，利用 T4管的VBE4 基本为一固定值(硅管约为0.60.7V)，只要适当调节 Ri、R2的比值,就可改变Ti、T2的偏压值 这种方法，在集成电路中经常用到。2.特点:图5.P图5.9是用NPN管驱动的OCL电路，其特点与图5.8所示电路一样(1) 静态时Rl上无电流(2) D1、D2 (或R，或R、D)供给、T2两管一定的正偏压，使两管处于微导通状态(3) Rc是T3的集电极负载电阻，A、B两点的直流电位差始终为1.4V左右，但交流电(4) 电路要求Ti、T2的特性对称;(5) 需

11、要使用对称的双电源。、甲乙类双电源互补对称电路(OTL )图 5.101、基本电路图5.10是采用一个电源的互补对称原理电路，图中由T3组成前置放大级，Ti和T2组成互补对称电路输岀级。静态时，一般只要R1、R2有适当的数值，就可使|C3、VB2和Vi达到所需大当有信号Vi时，在信号的负半周，T1导电，有电流通过负载 Rl,同时向C充电；在信号的正半周，T2导电，则己充电的电容C起着图5.8中电源-Vcc的作用，通过负载 Rl放电，如图5.11所示。只要选择时间常数RlC足够大（比信号的最长周期还大得多），就可以认为用电容 C和一个电源 Vcc可代替原来的+Vcc和-Vcc两个电源的作用。E

12、5.112. 电路特点（1）静态时Rl上无电流（2）Di、D2（或R，或R、D）供给Ti、T2两管一定的正偏压，使两管处于微导通状态 即工作于甲乙类状态；（3）Rc3是T3的集电极负载电阻，bi、b2两点的直流电位差始终为1.4V左右，但交流电(4) 仅需使用单电源，但增加了电容器C,C的选择要满足？ =RlC足够大(比Vi的最大周期还要大得多)，使 Vc=0.5Vcc ；(5) T3的偏置电压取自 K点,具有自动稳定Q点的作用，调节R2可以调整Vk4 J： Tt Tt乜匕几'3. 静态工作点的调整电路如图5.12所示。S 5.12(1) Vc=0.5V cc 的调整用电压表测量 K

13、点对地的电压，调整 R2 使 VK=0.5V CC（ 2）静态电流 IC1、 IC2 的调整首先将Rw的阻值调到最小，接通电源后，在输入端加入正弦信号用示波器测量负载Rl两端的电压波形，然后调整Rw，输岀波形的交越失真刚好消失为止。4 、存在的问题及解决办法（1）存在问题上述情况是理想的。实际上，图5.10的输岀电压幅值达不到Vom= Vom/2，这是因为当Vi为负半周时，T1导电，因而iB1增加，由于 RC3上的压降和 VBE1的存在，当K点电位向+VCC接近 时，T1的基流将受限制而不能增加很多，因而也就限制了 T1输向负载的电流， 使Rl两端得不到足够的电压变化量，致使Vom 明显小于

14、VCC/2。（ 2 ）改进办法如果把图5.10中D点电位升高，使Vd > +Vcc，例如将图中D点与+V cc的连线切断，Vd由另一电源供给，则问题即可以得到解决。通常的办法是在电路中引人R3、C3等元件组成的所谓自举电路，如图 5.13 所示。E 5.13(3 )自举电路的作用静态时当R3C3足够大时，VC3不随Vi变化，可认为基本不变。这样，当Vi为负时，T1导电，VK将由Vcc/2向更正方向变化，考虑到VD=VC3+VK= VC3+VK，显然，随着 K点电位升高，D点电位VD也自动升高。因而，即使输岀电压幅度升得很高，也有足够的电流iB1，使T1充分导电。这种工作方式称为自举，意思是电路本身把VD提高了。5、几点说明(1)由于T1、T2的工作电压均为0.5VCC，因而Po、Pt、Pv等的计算，只须将乙类互补电路指标计算中的Vcc代之以0.5Vcc即可所以输入电压必须稍大于输(2)