第七章低频功率放大电路

1、第七章第七章 低频功率放大电路低频功率放大电路7.1 低频功率放大电路概述低频功率放大电路概述 7.2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路 7.3 集成功率放大器集成功率放大器 7.1 低频功率放大电路概述低频功率放大电路概述 7.1.1 分类分类 t图图 7 1 甲类、乙类、甲乙类功率放大电路的工作状态示意图甲类、乙类、甲乙类功率放大电路的工作状态示意图 (a) 甲类(b) 乙类(c) 甲乙类iBOOOOOOiCiCiCiCiCiCiBiBiBiBiBw tw tw tw tw tw OOO7.1.2 功率放大器的特点功率放大器的特点 1. 输出功率要足够大输出功率要足够大 如输入信号

2、是某一频率的正弦信号, 则输出功率表达式为oooUIP 式中, Io、Uo均为有效值。如用振幅值表示, , 代入公式(7 - 1), 则（7-1）2/2/omoomoUUIIomomoUIP212. 效率要高效率要高 %100EoPP 放大器实质上是一个能量转换器放大器实质上是一个能量转换器, 它是将电源供给的直它是将电源供给的直流能量转换成交流信号的能量输送给负载流能量转换成交流信号的能量输送给负载, 因此因此, 要求转换要求转换效率高。为定量反映放大电路效率的高低效率高。为定量反映放大电路效率的高低, 引入参数引入参数, 它它的定义为的定义为式中式中, Po为信号输出功率为信号输出功率,

3、PE是直流电源向电路提供的功是直流电源向电路提供的功率。在直流电源率。在直流电源提供相同直流功率的条件下提供相同直流功率的条件下, 输出信号功输出信号功率愈大率愈大, 电路的效率愈高。电路的效率愈高。 (7-3)为使输出功率大为使输出功率大, 由式由式(7 - 2)可知可知Iom、Uom也应大也应大, 故功故功率放大器采用的三极管均应工作在大信号状态下。由于三率放大器采用的三极管均应工作在大信号状态下。由于三极管是非线性器件极管是非线性器件, 在大信号工作状态下在大信号工作状态下, 器件本身的非线器件本身的非线性问题十分突出性问题十分突出, 因此因此, 输出信号不可避免地会产生一定的输出信号不

4、可避免地会产生一定的非线性失真。当输入是单一频率的正弦信号时非线性失真。当输入是单一频率的正弦信号时, 输出将会存输出将会存在一定数量的谐波。谐波成分愈大在一定数量的谐波。谐波成分愈大,表明非线性失真愈大表明非线性失真愈大, 通常用非线性失真系数通常用非线性失真系数表示表示, 它等于谐波总量和基波成分它等于谐波总量和基波成分之比之比 通常情况下通常情况下, 输出功率愈大输出功率愈大, 非线性失真就愈严重。非线性失真就愈严重。 3. 非线性失真要小非线性失真要小7.1.3 提高输出功率的方法提高输出功率的方法 1. 提高电源电压提高电源电压 maxceCEOUBUmaxccmIImaxccmPP

5、选用耐压高、容许工作电流和耗散功率大的器件。选用耐压高、容许工作电流和耗散功率大的器件。 2. 改善器件的散热条件改善器件的散热条件 普通功率三极管的外壳较小普通功率三极管的外壳较小, 散热效果差散热效果差, 所以允许的所以允许的耗散功率低。当加上散热片耗散功率低。当加上散热片, 使得器件的热量及时散热后使得器件的热量及时散热后, 则输出功率可以提高很多。例如低频大功率管则输出功率可以提高很多。例如低频大功率管3AD6在不在不加 散 热 片 时加 散 热 片 时 , 允 许 的 最 大 功 耗允 许 的 最 大 功 耗 Pc m仅 为仅 为 1 W, 加 了加 了120mm120 mm4 mm

6、的散热片后的散热片后, 其其Pcm可达到可达到10 W。 在实际功率放大电路中在实际功率放大电路中,为了提高输出信为了提高输出信号功率号功率, 在功放管在功放管一般加有散热片。一般加有散热片。 7.1.4 提高效率的方法提高效率的方法 QMOAMNUCEQUCCUcemuCEBiCIcmICQ图图 7 2 功放的图解法功放的图解法(甲类放大状态甲类放大状态) CCCQoUIP21即为MMQ的面积。 电源提供的直流功率为CQCCEIUP 即为 OMBA的面积值, 故效率 放大电路输出功率为 面积OMBAMQMPPEo1. 改变功放管的工作状态改变功放管的工作状态 QUcemuCEiCIcmO图

7、7 3 乙类放大状态 2. 选择最佳负载选择最佳负载 CABOMUCCuCEiCPcm图 7 4 最佳负载的确定 7.2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路 7.2.1 双电源互补对称电路双电源互补对称电路 (OCL电路电路) UCCOw tui UEEV1V2uiuoRLw tOuow tw tO(a) 电路图RLuiuo UCCV1RLV2uiuo UEE(b) 正半周(c) 负半周O1ci2ci2ci1ci1ci2ci图图7 5 双电源互补对称电路双电源互补对称电路 设两管的门限电压均等于零。当输入信号设两管的门限电压均等于零。当输入信号ui=0, 则则ICQ=0, 两管均处于截止

8、状态两管均处于截止状态, 故输出故输出uo=0。当输入端加一正弦信号。当输入端加一正弦信号, 在正半周时在正半周时, 由于由于ui0, 因此因此V1导通、导通、V2截止截止, ic1流过负载流过负载电阻电阻RL; 在负半周时在负半周时, 由于由于ui0, 因此因此V1截止、截止、V2导通导通, 电流电流ic2通过负载电阻通过负载电阻RL, 但方向与正半周相反。但方向与正半周相反。 即即V1、V2管交替工作管交替工作, 流过流过RL的电流为一完整的正弦的电流为一完整的正弦波信号波信号, 波形如图波形如图7- 2所示。由于该电路中两个管子导电特所示。由于该电路中两个管子导电特性互为补充性互为补充,

9、 电路对称电路对称, 因此该电路称为互补对称功率放大因此该电路称为互补对称功率放大电路。电路。 2. 指标计算指标计算 O波形QUCCUcemuCEIcmUcesUCE波形波形Icm2IcmOUcesUcem2UcemABOuCEUcesQiBL1R(a)(b)1ci2ci1ci1ci1Bi1Bi图图7 6 双电源互补对称电路的图解分析双电源互补对称电路的图解分析 (1) 输出功率输出功率Po: LcemcemcmcmcemoRUUIIUP2212122当考虑饱和压降当考虑饱和压降Uces时时, 输出的最大电压幅值为输出的最大电压幅值为 cescccemUUU 一般情况下一般情况下, 输出电压

10、的幅值输出电压的幅值Ucem总是小于电源电压总是小于电源电压UCC值值, 故引入电源利用系数故引入电源利用系数CCcemUU(7-6)(7-4)LCComRUP221LCCLcemoRURUP2222121将将(7 - 6)式代入式代入(7 - 4)式得式得 当忽略饱和压降当忽略饱和压降Uces时时, 即即=1, 输出功率输出功率Pom可按下式估可按下式估算算: O1PomPo图7 - 7Po与关系曲线 (2) 效率效率: 由由(7 - 3)式确定。式确定。为此应先求出电源供给为此应先求出电源供给功功PE。 Icmw ticO图7 8 集电极电流ic波形 cmcmcavIttdItdiIwww

11、1)(sin21)(2101201因此因此, 直流电源直流电源UCC供给的功率为供给的功率为 LCCCCLcemCCcmCCavERUURUUIUIP21111LCCEERUPP2122因考虑是正负两组直流电源因考虑是正负两组直流电源, 故总的直流电源的供给功率为故总的直流电源的供给功率为 O1PEmPE4221222LCCLCCEoRURUPP当=1时, 效率最高, 即 %5 .784max图图7 9 PE与与的关系曲线的关系曲线(3) 集电极功率损耗集电极功率损耗Pc: 22212LCCoEcRUPPPO1Pc maxPc2图图7 - 10Pc与与的关系曲线的关系曲线 (7-14)022L

12、CCcRUddP636. 02LCCcRUP22max2omomcPPP4 . 042maxomccPPP2 . 021maxmax1omcmCCceoomcmIIUBUPP22 . 03. 存在问题存在问题 (1) 交越失真。交越失真。 OuBEOw tw tuiio , uo交越失真O11CB,ii22CB,ii图图7 11 互补对称功率放大电路的交越失真互补对称功率放大电路的交越失真 (a) UCCC1R1RcRbV3V2V1uiuoRL UEE(b) UCCRcRbV2V1uiuoRL UEE(c) UCCRcRbV2V1uiuoRL UEEVD1VD2V3R1R2V3V4图图7 12

13、 克服交越失真的几种电路克服交越失真的几种电路 1321RIUUQCEBBE 图图7 - 12(a)是利用是利用V3管的静态电流管的静态电流IC3Q在电阻在电阻R1上的压上的压降来提供降来提供V1、V2管所需的偏压管所需的偏压, 即即 图图7 - 12(b)是利用二极管的正向压降为是利用二极管的正向压降为V1、V2提供提供所需的偏压所需的偏压, 即即2121DDEBBEUUUU 图图7-12(c)是利用是利用UBE倍压电路向倍压电路向V1、V2管提供所需管提供所需的的偏压偏压, 其关系推导如下其关系推导如下: )(213212212EBBEBBBEUURRRURRRU所以所以3321)1 (2

14、1221BEBEEBBEURRURRRUU(2) 用复合管组成互补对称电路 1bI1bI1b21Ibce 12(a)1bI1b1I1b21Ibce 12(b)1bI1bI1b21Ibce 12(c)1bI1b1I1b21Ibce(d) 12图图7 13 复合管的几种接法复合管的几种接法 2112bcIIV1V3V2V4V5 UCCRcRbuiuoRL UEER1VD1VD2图7 14 复合管互补对称级 V1V3V2V5 UCCRcRbuiuoRL UEER1VD1VD2V4图7 15 准互补对称电路 7.2.2 单电源互补对称电路单电源互补对称电路 (OTL电路电路) V1V3 UCCuiuo

15、RLRVD1VD2V4V21bR1eR2bRC2V1A2cR图7 16 单电源互补对称电路 7.2.3 实际功率放大电路举例实际功率放大电路举例 3DG452V1V3V2V5V4V6V8V10V6V7V9Uo3eRC1C2C3C4Ui1bR*3DG452CP1023DG453CG73DD153DD153DG123CG53DG6680 150 220 10eR0.5 5cR330 4cR*220 0.5 150 2.2 k10 kRfR1R210 RL8 2bR620 C547 F120 F120 pF120 pF0.033 FBX2A24 V24 V22.7 V9eR7eRVD1VD25eR1

16、cR4eR8eR0V图图7 17 OCL准互补对称功率放大电路准互补对称功率放大电路 12 18 V12 18 VV1V3V2V482 kR322 kR182 kR210 kR5240 R90.5 R110.5 R10240 R722 R822 R610 kR4VD1VD2VD312 F / 25 V5 F / 25 Vui图图7-18 集成运放作为前置级的集成运放作为前置级的OCL电路电路 7.3 集成功率放大器集成功率放大器 7.3.1 内部电路组成简介内部电路组成简介 图 7 - 19 中虚线框内为DG4100系列单片集成功放内部电路。它由三级直接耦合放大电路和一级互补对称放大电路构成,

17、并由单电源供电, 输入及输出均通过耦合电容与信号源和负载相连, 是OTL互补对称功率放大电路。 V1V3V2V5V4V6V7V8V9V11V10V12V13V14R1RfR3R2R4R5R6R11R7R12R12R9R10R8C1C2C3C4C7CfC8C6C9uoui6891012131412345C4C5 UCC图图 7-19 DG4100集成功放集成功放与外接元件总与外接元件总电路图电路图 因为反馈由输出端直接引至输入端, 且放大器的开环增益很高(三级电压放大), 整个放大电路为深度负反馈放大器, 所以, 放大器的闭环电压增益约为1/F, 即 当信号ui正半周输入时, V2输出也为正半周, 经两级中间放大后,