模电课件-第7-8章功率放大器与直流电源13

1、第七章第七章 功率放大电路功率放大电路例：例： 扩音系统扩音系统执行机构执行机构功率放大器的作用：功率放大器的作用： 用作放大电路的用作放大电路的输出级输出级，以，以驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、 仪仪表指针偏转等。表指针偏转等。 功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取7.1 功率放大电路功率放大电路放大器方框图如下：放大器方框图如下：负载负载(换能器换能器) 前前 置置 放大器放大器 功功 率率 放大器放大器信号源信号源一、功率放大电路的特点一、功率放大电路的特点由电压放大电路组成，由电压放大电路组成，其主要任务是不失真地其主要

2、任务是不失真地提高输入信号电压的幅提高输入信号电压的幅度，以驱动后面的功率度，以驱动后面的功率放大电路。放大电路。 其任务是在保证信号失真其任务是在保证信号失真在允许范围内的前提下，在允许范围内的前提下，尽可能地提高输出功率，尽可能地提高输出功率，以驱动输出负载（换能以驱动输出负载（换能器）。器）。 (2)功放电路中电流、电压要求都比较大，功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管的必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值极限值: ICM 、U(BR)CEO 、 PCM 。 ICMPCMU(BR)CEOicuce(1) 输出功率输出功率Po尽可能大尽可能大(3) 电流、电压

3、信号比较大，必须注意防止波形失真。电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。(4) 电源提供的能量尽可能转换给负载，减少晶体管电源提供的能量尽可能转换给负载，减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率及线路上的损失。即注意提高电路的效率( )。Po : 负载上得到的交流信号功率。负载上得到的交流信号功率。PV ： 电源提供的直流功率。电源提供的直流功率。%100Vo PP (5)功放管散热和保护问题功放管散热和保护问题 (6)在分析方法上，通常采用在分析方法上，通常采用图解法图解法。综上所述，对功率放大电路的综上所述，对功率放大电路的要求要求是：是：v 在保证晶体管安全工作的条件下和允在

4、保证晶体管安全工作的条件下和允许失真的范围内，充分发挥其潜力，输许失真的范围内，充分发挥其潜力，输出尽量允许大的功率，同时还要减小管出尽量允许大的功率，同时还要减小管子的损耗，以提高其效率。子的损耗，以提高其效率。二、功率放大电路提高效率的主要途径二、功率放大电路提高效率的主要途径甲类放大甲类放大输入信号输入信号的整个周期内均有电流的整个周期内均有电流流过管子即管子在一周流过管子即管子在一周内都导通。内都导通。甲乙类放大甲乙类放大管子在管子在一个周期内有半个周期一个周期内有半个周期以上导通。以上导通。乙类放大乙类放大管子在一管子在一个周期内只有半个周期个周期内只有半个周期导通。导通。v乙类放大

5、（乙类放大（c），效），效率最高；率最高；v甲乙类放大（甲乙类放大（b），），效率其次；效率其次；v甲类放大（甲类放大（a），）， 效率最低。效率最低。例：例：如图如图(a)所示的射极跟随器处于所示的射极跟随器处于甲类工作状态，设甲类工作状态，设VCC=6V，RL=8，三极管的三极管的=40，ICEO、UCES忽略不计。忽略不计。试求在充分激励下，该电路的最大不试求在充分激励下，该电路的最大不失真输出功率和效率。失真输出功率和效率。 解：当静态工作点解：当静态工作点Q平分交流负平分交流负载线时，该电路在充分激励下有载线时，该电路在充分激励下有最大的不失真输出电压，此时电最大的不失真输出电压，此

6、时电路的输出功率也为最大。路的输出功率也为最大。 （1）静态）静态 静态工作点静态工作点 UCEQ=VCC/2=6/2=3(V) ICQ=(VCCUCEQ)/RL=3/8=0.375(A) 电源供给功率电源供给功率PVQ=VCCICQ=60.375=2.25(W)三极管消耗功率三极管消耗功率 PTQ=UCEQICQ=30.375=1.125(W)负载负载RL上消耗的直流功率上消耗的直流功率 PRQ=ICQ2RL=0.37528=1.125(W)在充分激励下，在充分激励下，UcemVCC/2，Icm=Ucem/RLVCC/2RL，由此得：，由此得： W56. 08868222121222L2CC

7、LCCCCcmcemcmcemo RVRVVIUIUPa. 交流输出功率交流输出功率(即为即为QED的面积的面积)（2）动态）动态 WPPIUIUtdtIItUUtdiuP565. 056. 0125. 1sinsin02210221oTQcmcem21CQCEQcmCQcemCEQCCET b. 管子消耗功率管子消耗功率 (即为即为AQD的面积的面积)c. 电源供给功率电源供给功率 (即为矩形即为矩形ABCD的面积的面积) W25. 2sin02210221VQCQCCcmCQCCCCCV PIVtdtIIVtdiVP %2525. 256. 0Vo PP d. 效率效率甲类功放有以下特点：

8、甲类功放有以下特点：v(1) 整个周期内均有整个周期内均有iC0；v(3)电源始终不断地输送功率：电源始终不断地输送功率： 静态时，这些功率全部消耗在管子和电阻上；静态时，这些功率全部消耗在管子和电阻上； 动态时，其中一部分转化为有用的输出功率，动态时，其中一部分转化为有用的输出功率，信号愈大，输送给负载的功率愈多。信号愈大，输送给负载的功率愈多。v(4)输出功率较小；输出功率较小；v (5)效率较低。效率较低。v (2) 信号失真小信号失真小；如何解决效率低的问题？如何解决效率低的问题？办法：办法：降低降低Q点。点。既降低既降低Q点又不会引起截止失真的办法：点又不会引起截止失真的办法：采用采

9、用推挽输出电路，推挽输出电路，或或互补对称射极输互补对称射极输出器。出器。缺点：缺点：但又会引起截止失真。但又会引起截止失真。 互补对称功放的类型互补对称功放的类型 无输出变压器形式无输出变压器形式 （ OTL电路）电路）无输出电容形式无输出电容形式 （ OCL电路）电路）OTL: Output TransformerLessOCL: Output CapacitorLess互补对称：互补对称：电路中采用两支晶体管，电路中采用两支晶体管，NPN、 PNP各一支；两管特性一致。各一支；两管特性一致。类型：类型：三、互补对称功率放大电路三、互补对称功率放大电路乙类互补对称放大电路乙类互补对称放大电

10、路v1 1、电路组成、电路组成 由一对由一对NPN、PNP特性相特性相同的互补三极管组成，采用同的互补三极管组成，采用正、负双电源供电。也称为正、负双电源供电。也称为OCL互补功率放大电路。互补功率放大电路。v2 2、工作原理、工作原理 两个三极管在信号一个两个三极管在信号一个正、负半周轮流导通，使正、负半周轮流导通，使负负载得到一个完整的波形。载得到一个完整的波形。为分析方便，为分析方便，如图曲线倒置如图曲线倒置成成Q点重合点重合乙类互补对称电路图解分析：乙类互补对称电路图解分析： 由图可知，由图可知，Ucem的的最大值为最大值为VCC-UCE(sat)，如果忽略，如果忽略UCE(sat)

11、，则，则: Ucem(max)VCC。 负载斜率相等负载斜率相等且都通过且都通过Q Q点，点，那么合成的负那么合成的负载线成图示的载线成图示的一条直线。一条直线。(1) 输出功率输出功率Po ： L2CCL2cem(max)omax221RVRUP L2cemcemcmomomomomooo21212122RUUIUIUIUIP 最大不失真输出功率为最大不失真输出功率为：(2)直流电源供给功率直流电源供给功率PV ： 22 0102212LCCcemCCcmcmCCC1CCVRVUVI)t(d)tsinI(V)t(diVP L2CCVmax2RVP (3)效率效率 :CCcemLcccemL2

12、cemVO421VURVURUPP %.VVmax57844CCCC (4)管耗管耗 ：总管耗：总管耗： )UUV(RPP4222omomCCLT1T )UUV(R)UUV(R) t(tdsinRU) tsinUV() t(tdsinItsinUV) t(diuP414102102102212omomCCL2cemcemCCLLcemcemCCcmcemCCC1CE1T1 三极管的最大管耗三极管的最大管耗 omL2CCT1max2 . 022 . 0PRVP 问：问：Uom=？ PT1最大最大, PT1max=？用用PT1对对Uom求导得出：求导得出：PT1max发生在发生在Uom=0.64V

13、CC处。处。将将Uom=0.64VCC代入代入PT1表达式表达式：甲类放大器与乙类放大器的两点比较：甲类放大器与乙类放大器的两点比较：vA、甲类放大器中的电源供给功率、甲类放大器中的电源供给功率PV与信号大小无关，与信号大小无关，而乙类放大器的电源供给功率而乙类放大器的电源供给功率PV随信号的大小而变：随信号的大小而变： 静态时，其值为零；信号增大时，其值随之增大；静态时，其值为零；信号增大时，其值随之增大； 当当Ucem最大亦即最大亦即Po 最大时，电源供给功率最大时，电源供给功率PV也达也达到最大。到最大。vB、甲类放大时，静态管耗最大。而乙类工作时，静、甲类放大时，静态管耗最大。而乙类工

14、作时，静态管耗却为零，当态管耗却为零，当Uom由小增大时，由于由小增大时，由于PT是是Uom的二的二次函数，它们之间是非单调变化关系。次函数，它们之间是非单调变化关系。当当Uom=0.64VCC时，时，PT达到最大。达到最大。(5) 选管条件选管条件a、PCM PT1max =0.2Pomb、CCCEOBRVU2)(c、ICMVCC/RL乙类互补对称电路存在的问题乙类互补对称电路存在的问题实际测试波形实际测试波形乙类放大的输入输出波形关系乙类放大的输入输出波形关系: 缺点缺点ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL死区电压死区电压uiuouou o tttt交越失真：交越失真：输入信号输入信号

15、 ui在过零在过零前后，输出信号出现的失真便前后，输出信号出现的失真便为交越失真。为交越失真。交越失真交越失真ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL(1) 静态电流静态电流 ICQ、IBQ等于零；等于零；(2) 每管导通时间等于半个周期每管导通时间等于半个周期 ； (3) 存在交越失真。存在交越失真。 乙类放大的特点：乙类放大的特点：1、克服交越失真、克服交越失真交越失真产生的原因：交越失真产生的原因： 在于晶体管特性存在在于晶体管特性存在非线性，非线性，ui IB，则，则221BERRRUU 参数估算近似参数估算近似按乙类处理按乙类处理五、五、 基本单电源互补对称电路基本单电源互补对称电路

16、电容电容C满足：满足：C(510) /2fLRL静态时要求静态时要求K点电位点电位UK=UC=VCC/2 R1和和R2组成电压并联组成电压并联交直流负反馈网络，交直流负反馈网络，稳定电路的静态工稳定电路的静态工作点，改善放大器作点，改善放大器的动态性能的动态性能。3（1 1）输出功率）输出功率 PoL2cemo21RUP L2cem(max)omax21RUPL2CC8 RV（2 2）直流电源供给功率）直流电源供给功率PVLCCcemVRVUP 2/CC(max)cemVU当当 时时L2CCVmax2 RVP （3 3）效率）效率 和管耗和管耗PTVoPP LCCcemL2cem21RVURU

17、 CCcem2VU %5 .78422/CCCmax VVC总管耗总管耗 212omomCCLTUUVRP 六、六、 采用复合管的功率输出级采用复合管的功率输出级增加复合管的目的是：增加复合管的目的是：扩大电流的驱动能力。扩大电流的驱动能力。复合管的构成方式：复合管的构成方式：cbeT1T2ibicbecibic方式一：方式一： bcccbcbebbci)(iii,ii,i )(ii,ii121212221121111 becibic 1 2晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。方式二：方式二：cbeT1T2ibic复合管复合管 （ 达林顿管）达林顿管

18、）构成方式很多。不论哪种等效构成方式很多。不论哪种等效方式，等效后晶体管的性能确定均如下：方式，等效后晶体管的性能确定均如下：改进后的改进后的OCL准互补准互补输出功放电路：输出功放电路： T1：电压推动级电压推动级 T2、R1、R2： UBE倍增电路倍增电路 T3、T4、T5、T6： 复合管构成的输出级复合管构成的输出级准互补准互补 输出级中的输出级中的T4、T6均为均为NPN型晶体管，两者特性容易对称。型晶体管，两者特性容易对称。+VCC-VCCR1R2RLuiT1T2T3T4T5T6第八章第八章 直流稳压电源直流稳压电源电源变压器电源变压器: 将交流电网电压将交流电网电压u1变为合适的交

19、流变为合适的交流电压电压u2。整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳 压压 电电 路路u1u2u3u4uo整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳 压压 电电 路路整流电路整流电路: 将交流电压将交流电压u2变为脉动的直流电压变为脉动的直流电压u3。滤波电路滤波电路: 将脉动直流电压将脉动直流电压u3转变为平滑的直流转变为平滑的直流电压电压u4。稳压电路稳压电路: 清除电网波动及负载变化的影响清除电网波动及负载变化的影响,保持保持输出电压输出电压uo的稳定。的稳定。直流稳压电源的组成直流稳压电源的组成t uo(3) 输出电压平均值（输出电压平均值（Uo）：）：(1) 输出电压

20、波形：输出电压波形：u1u2aTbDRLuoiL 2022oo45. 0221UUtduU(2) 二极管上的平均电流：二极管上的平均电流： ID = IL1、单相半波整流电路单相半波整流电路一、整流电路一、整流电路2、单相全波整流电路单相全波整流电路u1u2aTbD1RLuoD2u2iL(4) uo平均值平均值Uo：Uo=0.9U2(1) 输出电压波形：输出电压波形：(2) 二极管上承受的二极管上承受的最高电压：最高电压：2RM22UU t uo(3) 二极管上的平均电流：二极管上的平均电流：LD21II 3、单相桥式整流电路单相桥式整流电路桥式整流电路桥式整流电路+-u2正半周时正半周时电流

21、通路电流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo桥式整流电路桥式整流电路-+uou1u2TD4D2D1D3RLu2负半周时负半周时电流通路电流通路i iD1D1tu uD1D1t2RmaxU2Ui iD2D2tL2RU222U2u u2 234tL2RU2ti io oL2RU22U2u uo otu1u2TD4D2D1D3RLuo iou1u2TD4D2D1D3RLuo io4、整流电路的主要参数整流电路的主要参数 （1）整流输出电压平均值（）整流输出电压平均值（Uo）2o90 U.U 负载上的负载上的(平均平均)电流电流:L2L90RU.I L2oD45021RU.II 2RM2UU （2）

22、整流二极管的平均电流）整流二极管的平均电流 ID（3）二极管截止时两端承受的最大反向电压）二极管截止时两端承受的最大反向电压问：若D1开路，电路功能？ 若D1短路，电路如何？u1u2TD4D2D1D3RLuo二、滤波电路二、滤波电路滤波电路的结构特点滤波电路的结构特点: 电容与负载电容与负载 RL 并联，或并联，或电感与负载电感与负载RL串联。串联。交流交流电压电压脉动脉动直流电压直流电压整流整流滤波滤波直流直流电压电压1、电容滤波、电容滤波桥式整流电容滤波电路桥式整流电容滤波电路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+(1) RL未接入时未接入时u2tuot整流电路为整流电路为电容充电

23、电容充电充电结束充电结束没有电容没有电容时的输出时的输出波形波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+(2) RL接入（且接入（且RLC较大）时较大）时u2tuotau1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+uoabcdu2t整流电路的输出整流电路的输出电流电流iDau1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+iDuot近似估算近似估算:Uo=1.11.2U2。(b) 流过二极管瞬时电流很大。流过二极管瞬时电流很大。整流管导电时间越短整流管导电时间越短 iD的峰值电流越大的峰值电流越大(3) 电容滤波电路的特点电容滤波电路的特点(a) 输

24、出电压输出电压 Uo与放电时间常数与放电时间常数 RLC 有关；有关；结论：结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。较小且负载变动不大的场合。(c) 输出特性输出特性(外特性外特性)uo电容滤波电容滤波纯电阻负载纯电阻负载1.4U20.9U20IL2、电感滤波电感滤波电感滤波电路电感滤波电路u2u1RLLuoT+_UIUO比较放大比较放大基基 准准取取 样样URFUO+_C2RL调整元件调整元件+三、稳压电路三、稳压电路串联型线性直流稳压电路串联型线性直流稳压电路一种实际的串联式稳压电路一种实际的串联式稳压电路UoUB2UBE2( = UB2-UZ）UC2Uo当当 UI 增加使增加使 Uo升高时升高时R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2输出电压的确定和调节范围输出电压的确定和调节范围