第五章功率放大电路

1、5.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题5.2 乙类互补对称功率放大电路乙类互补对称功率放大电路5.3 甲乙类互补对称功率放大电路甲乙类互补对称功率放大电路 5.4 集成功率放大器集成功率放大器(自学自学)5.5 功率器件功率器件(自学自学)自学提纲自学提纲概述概述学习指导学习指导小结小结作业作业学习指导 前面已经介绍了一些电子电路，经过这些电路处理后的信号，往往要送到负载，去驱动一定的装置。例如，这些装置有收音机中扬声器的音圈、电动机控制绕组、计算机监视器或电视机的扫描偏转线圈等。这时我们要考虑的不仅仅是输出电压或电流的大小，而且要有一定的功率输出。这类主要用于向负载提供功率的放

2、大电路常称为功率放大电路。 本章以分析功率放大电路的输出功率、效率和非线性失真之间的矛盾为主线，逐步提出解决矛盾的措施。主要内容： 1功率放大电路的输出功率、效率和非线性失真之间的关系。 2乙类、甲乙类功率放大电路的组成、工作原理、各项指标的计算及BJT的选择。学习目标： 1熟练掌握如何解决输出功率、效率和非线性失真三者之间的矛盾； 2要熟练掌握乙类互补对称功率放大电路的组成、分析计算和功率BJT的选择； 3正确理解甲乙类互补对称功放电路的工作原理及计算； 4了解各种功率器件及散热问题； 5了解集成功率放大器的使用。学习方法：学习方法： 本章是围绕输出功率、效率和非线性失真三者之间的矛盾展开讨

3、论的，所以：1必须先弄清为什么要把功率放大电路的静态工作点下移，使放大器由甲类变为乙类，又由乙类变为甲乙类的原因。2由于乙类、甲乙类放大器的输出具有明显的失真，学生要熟练掌握乙类互补对称功率放大电路是怎样解决非线性失真的，即互补对称电路组成原理。3抓住输出的最大幅值，以乙类互补对称功放为例，掌握功率放大器的分析计算和功率BJT的选择。4了解交越失真产生的原因，正确理解甲乙类互补对称功放电路的工作原理及计算。 共射放大器 共集放大器 共基放大器 有电压放大 无电压放大 有电压放大 有电流放大 有电流放大 无电流放大 无论是功率放大电路、电压放大电路，还是电流放大电路，在负载上都同时存在输出电压、

4、电流和功率，上述称呼上的区别只不过是它们各自强调的输出量不同而已。概概 述述例例1： 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，以驱动驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、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例例2：温度控制温度控制R1-R3:标准电阻标准电阻Ua : 基准电压基准电压Rt :热敏电阻热敏电阻A：电压放大器：电压放大器RtTUO室温室温T 温度调节温度调节过程过程UbUO1uoR1aR2VCC+R3Rt 功率放大功

5、率放大b温控室温控室A+-uo1加热元件加热元件例例3：典型的收音机电路典型的收音机电路变频变频低频低频中放中放功放功放Ic=0.5mAIc=2mAIc=20mAEc=6VPo=30mW电源供给的功率：电源供给的功率：PDC=EcIc=120mW25%100%PPDCo转换效率：转换效率：电源供给的能量大多数以管耗的形式消耗掉，通常功放电电源供给的能量大多数以管耗的形式消耗掉，通常功放电路中的工作管必须加散热片。路中的工作管必须加散热片。检波检波电压放大器与功率放大器的区别：电压放大器与功率放大器的区别：1. 1. 任务不同任务不同： 电压放大电压放大不失真地提高输入信号的幅度，以驱不失真地提

6、高输入信号的幅度，以驱动后面的功率放大级，通常动后面的功率放大级，通常工作在小信号状态工作在小信号状态。 功率放大功率放大信号不失真或轻度失真的条件下提高信号不失真或轻度失真的条件下提高输出功率，通常输出功率，通常工作在大信号状态工作在大信号状态。2 2. . 分析方法分析方法： 电压放大电压放大采用小信号模型分析法和图解法采用小信号模型分析法和图解法 功率放大功率放大图解法图解法5.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题1. 功率放大电路的主要特点功率放大电路的主要特点 功率放大电路是以输出较大功率为目的的放大电路。 为了获得尽可能大的输出功率，必须使 输出信号电压大 输出信号电流

7、大 放大电路的输出电阻与负载匹配 管子工作在接近极限状态 一般直接驱动负载，带载能力要强。2. 功率放大电路中的一些特殊问题功率放大电路中的一些特殊问题(1) 要求要求尽可能大的输出功率尽可能大的输出功率。管子工作在极限工作状态。管子工作在极限工作状态。(2) 效率效率 =负载得到的有用信号功率负载得到的有用信号功率Po电源供给的直流功率电源供给的直流功率PDC (3) 非线性失真要小非线性失真要小。 在大信号状态工作必然引起信号失真，这就存在增大在大信号状态工作必然引起信号失真，这就存在增大输出功率和信号失真之间的矛盾，这就要求在电路结构上输出功率和信号失真之间的矛盾，这就要求在电路结构上进

8、行改进，尽可能地提高输出功率并减小非线性失真。进行改进，尽可能地提高输出功率并减小非线性失真。(4) 半导体三极管散热的问题半导体三极管散热的问题3. 提高效率的途径提高效率的途径 降低静态功耗，即减小静态电流。降低静态功耗，即减小静态电流。4. 三种工作状态三种工作状态 三极管根据正弦信号整三极管根据正弦信号整个周期内的导通情况，可个周期内的导通情况，可分为以下几个工作状态：分为以下几个工作状态：乙类：乙类：导通角等于导通角等于180甲类：甲类：一个周期内均导通一个周期内均导通甲乙类：甲乙类：导通角大于导通角大于180丙类：丙类：导通角小于导通角小于180动画一 互补对称功放的类型互补对称功

9、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：5.互补对称功率放大电路的分类互补对称功率放大电路的分类5.2.1 乙类双电源互补对称功率放大电路乙类双电源互补对称功率放大电路1. 电路组成电路组成 由一对由一对NPN、PNP特性相同的特性相同的互补三极管组成，采用正、负双互补三极管组成，

10、采用正、负双电源供电。电源供电。这这种电路也称为种电路也称为OCL互补功率放大电路。互补功率放大电路。2. 工作原理工作原理 两个三极管在信号的正、负两个三极管在信号的正、负半周轮流导通，使半周轮流导通，使负载得到一负载得到一个完整的波形。个完整的波形。 无输出电容的互补对称功放电路（无输出电容的互补对称功放电路（OCL电路）电路）ic1ic2动态分析：动态分析：(忽略导通压降）忽略导通压降）vi 0VT1截止，截止，T2导通导通vi 0VT1导通，导通，T2截止截止iL= ic1 ;vi-VCCT1T2vo+VCCRLiLiL=ic2T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方两个晶体管都只

11、在半个周期内工作的方式，称为式，称为乙类放大乙类放大。因此，不需要隔直电容。因此，不需要隔直电容。静态分析静态分析：vi = 0V T1、T2均不工作均不工作 vo = 0Vic1uBEIcm1Qic2uBEIcm2QQ动画二3. 分析计算分析计算（1）最大不失真输出功率）最大不失真输出功率PomaxL2CCL2CESCCL2CESCComax22)()2(=RVRVVRVVP 实际输出功率实际输出功率PoL2omLomomooo222=RVRVVIVP 3. 分析计算分析计算单个管子在半个周期内的管耗单个管子在半个周期内的管耗)(d )(21=0LooCCT1tRvvVP （2）管耗）管耗P

12、T两管管耗两管管耗)d( sin)sin(210LomomCCtRtVtVV )d( )sinsin(2102L2omLomCCttRVtRVV )4(12omomCCLVVVR T2T1T=PPP)4(22omomCCLVVVR 最大管耗与最大输出功率的关系最大管耗与最大输出功率的关系omT1m2 . 0PP 选管依据之一选管依据之一3. 分析计算分析计算（3）电源供给的功率）电源供给的功率PV ToV=PPPLomCC2RVV 当当时，时， CComVV 2L2CCVmRVP （4）效率）效率 CComVo4=VVPP 当当时，时， CComVV % 78.54 4、功率管极限参数限制、功

13、率管极限参数限制VcmiL-VCCRLviT1T2Vo+VCCCEOCCBVV21CMoPP5maxCMLCCIRV/由由CMOTPPPmaxmax12 . 0得得 无输出变压器的互补对称功放电路（无输出变压器的互补对称功放电路（OTL电路）电路）一、特点一、特点1. 单电源供电；单电源供电；2. 输出端有大电容。输出端有大电容。二、静态分析二、静态分析则则 T1、T2 特性对称，特性对称，,2CCAVV 2CCCVV 2CCiVV 令：令：0.5VCCRLviT1T2+VCCCAvL+-VC5.2.2 乙类单电源互补对称功率放大电路乙类单电源互补对称功率放大电路三、动态分析三、动态分析(忽略

14、导通压降）忽略导通压降）设输入端在设输入端在 0.5VCC 直流电平直流电平基础上加入正弦信号。基础上加入正弦信号。若输出电容足够大，若输出电容足够大， VC基本基本保持在保持在0.5VCC ，负载上得到的，负载上得到的交流信号正负半周对称，但存交流信号正负半周对称，但存在交越失真。在交越失真。ic1ic2交越失真交越失真RLviT1T2+VCCCAUL+-时，时，T1导通、导通、T2截止；截止；2CCiVv 时，时，2CCiVv T1截止、截止、 T2导通。导通。0.5VCCvit四、输出功率及效率四、输出功率及效率若忽略交越失真的影响，且若忽略交越失真的影响，且 vi 幅度足够大。则：幅度

15、足够大。则：LCCOCCORVIVV2.2maxmaxLCCOOORVIVP8212maxmaxmaxLCCavCCCCRVIVP22LCCLCCavRVttdRVI2)(sin2210%5 .784maxCCOPPVOVOmaxvi2CCVtt5.3 甲乙类互补对称功率放大电路甲乙类互补对称功率放大电路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 当输入信号在当输入信号在0V0Vbebe之间变化时，不足以克服死之间变化时，不足以克服死区电压，三极管不导通。因此在正、负半周交替过区电压，三极管不导通。因此在正、负半周交替过零处会出现一些零处会出现一些非线性失真非线性失真，称之为，称之为

16、交越失真交越失真。动画三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:vi-VCCT1T2vo+VCCRLiL死区死区电压电压ViVoVoV o tttt交越失真交越失真iBiBuBEtuitUT5.3.1 甲乙类双电源互补对称电路甲乙类双电源互补对称电路1. 静态偏置静态偏置可克服交越失真可克服交越失真2. 动态工作情况动态工作情况二极管等效为恒压模型二极管等效为恒压模型理想二极管理想二极管设设T3已有合适已有合适 的静态工作点的静态工作点5.3.1 甲乙类双电源互补对称电路甲乙类双电源互补对称电路BE221CEVRRRV VBE可认为是定值可认为是定值 R1、R2不变时，不变时，V

17、CE也也是定值，可看作是一个直流是定值，可看作是一个直流电源电源 功放指标的分析计算功放指标的分析计算利用乙类双电源互补对利用乙类双电源互补对称功放的有关公式近似。称功放的有关公式近似。5.3.2 甲乙类单电源互补对称电路甲乙类单电源互补对称电路1. 静态偏置静态偏置2. 动态工作情况动态工作情况 调整调整R1、R2阻值阻值的大小，可使的大小，可使CCK21VV 此时电容上电压此时电容上电压CCC21VV 此电路存在的问题：此电路存在的问题：K点电位受到限制点电位受到限制动画四R RL LC C足够大足够大3. 带自举电路的单电源功放带自举电路的单电源功放自举电路自举电路自举电路自举电路静态时

18、静态时CCK21VV C3充电后，其两充电后，其两端有一固定电压端有一固定电压动态时动态时C3充当一个电源充当一个电源R R3 3C C3 3足够大足够大调节调节R,使静态使静态VAQ=0.5VCCD1 、 D2使使b1和和b2之之间的电位差等于间的电位差等于2个二极管正向压降，个二极管正向压降，克服交越失真。克服交越失真。Re1 、 Re2：电阻值：电阻值12 ，射极负反馈电阻，也起射极负反馈电阻，也起限流保护作用。限流保护作用。D1D2vi+VCCRLT1T2T3CRBRe1Re2b1b2A4.实用实用OTL互补输出功放电路互补输出功放电路+24VuiRLT7T8RC8-24VR2R3T6

19、Rc1T1T2Rb1Rb2C1RfR1D1D2T3Re3T4Re4C2T5Re5C3C4T9T10Re10Re7Re9C5R4BX差动放大级差动放大级反馈级反馈级偏置电路偏置电路共射放大级共射放大级UBE倍增倍增电路电路恒流源恒流源负载负载准互补功放级准互补功放级保险管保险管负载负载实用的实用的OCL准互补功放电路：准互补功放电路：第四节第四节 集成功率放大器集成功率放大器特点：特点：工作可靠、使用方便。只需在器件外部适工作可靠、使用方便。只需在器件外部适当连线，即可向负载提供一定的功率。当连线，即可向负载提供一定的功率。集成功放集成功放LM384：生产厂家：生产厂家：美国半导体器件公司美国半

20、导体器件公司电路形式：电路形式：OTL输出功率：输出功率：8 负载上可得到负载上可得到5W功率功率电源电压：电源电压：最大为最大为28V 集成功放集成功放 LM384 外部电路典型接法：外部电路典型接法：500 -+ 0.1 2.7 8146215 Vccui8 调节音量调节音量电源滤波电容电源滤波电容外接旁路电容外接旁路电容低通滤波低通滤波,去除高频噪声去除高频噪声输入信号输入信号输出耦合大电容输出耦合大电容集成功放集成功放 LM384管脚说明管脚说明:14 - 电源端（电源端（ Vcc）3、4、5、7 - 接地端（接地端（ GND）10、11、12 - 接地端（接地端（GND）2、6 -

21、输入端输入端 （一般（一般2脚接地）脚接地） 8 - 输出端输出端 （经（经500 电容接负载）电容接负载）)12345 678910111213141 - 接旁路电容（接旁路电容（5 ）9、13 - 空脚（空脚（NC）集成功放集成功放 LM384管脚说明管脚说明:14 - 电源端（电源端（ Vcc）3、4、5、7 - 接地端（接地端（ GND）10、11、12 - 接地端（接地端（GND）2、6 - 输入端输入端 （一般（一般2脚接地）脚接地） 8 - 输出端输出端 （经（经500 电容接负载）电容接负载）)12345 678910111213141 - 接旁路电容（接旁路电容（5 ）9、1

22、3 - 空脚（空脚（NC）第五节第五节 功率器件功率器件 1.功率器件的散热问题2.功率器件的二次击穿问题 一次击穿具有可逆性 二次击穿的机理尚不清楚,一般由电流、电压、功率和结温的综合效应所致，造成散热不均匀（热斑）。一般认为与三极管的制造工艺有关。（见书215页图5.5.3)3、提高功率BJT的可靠性 提高功率三极管的可靠性的主要途径是降低三极管极限参数的额定值。 如： 工作电压应小于极限值的80，为安全起见，还应提高所选参数的值； 工作电流应小于极限值的80； 功耗不应超过器件最大允许功耗的50 ； 器件结温不应超过器件最大允许结温的70 80 此外对大功率器件还应有过流、过压保护电路（

23、如并联二极管和阻容吸收回路）功率器件 VMOSFET 漏区面积大，便于散热；沟道短，沟道电阻小，允许通过的电流大，适合做成大功率器件。 功率模块IGPT 达林顿管利用变压器的阻抗变换功能，可实现功放电路和负利用变压器的阻抗变换功能，可实现功放电路和负载间的匹配，以弥补其它类型功放电路的不足。载间的匹配，以弥补其它类型功放电路的不足。一、特点一、特点例：例：OCL电路中电路中，若若 RL=80 、需要输出功率需要输出功率 PO=50W。根据公式根据公式 LSCoRUP22max 得电源电压：得电源电压：V9025080SCU90V的电压的电压对电子电路显然不合适。对电子电路显然不合适。利用变压器

24、阻抗变换关系利用变压器阻抗变换关系( RL = K2 RL)，把阻抗变，把阻抗变小，便可解决以上问题。小，便可解决以上问题。3.6 变压器耦合式功放电路变压器耦合式功放电路 （变阻抗）（变阻抗）1i1u2u2iLR1N2N变压器原、副边阻抗关系变压器原、副边阻抗关系LLRKR222IURL从原边等效：从原边等效：22222211KRKIUKIKUIURLL结论：结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以变比的平方。乘以变比的平方。 二、乙类变压器耦合式推挽功率放大器二、乙类变压器耦合式推挽功率放大器1.1.原理电路原理电路uiT2T1RL+-USCiLN

25、2N1N1放大器：放大器：由两个共射极放大器组成，两个三极管由两个共射极放大器组成，两个三极管的射极接在一起。的射极接在一起。三、甲乙类变压器耦合式推挽功率放大器三、甲乙类变压器耦合式推挽功率放大器Rb1、 Rb2、 Re 的作用：的作用：克服交越失真。克服交越失真。USCT1T2RLiLuiReRb2Rb1两个三极管都构成静态工作点稳定的共射极放大两个三极管都构成静态工作点稳定的共射极放大器。其静态工作点都设在刚刚超过截止区，器。其静态工作点都设在刚刚超过截止区， IB很很小，小，IC 也很小，从而降低了直流功耗。也很小，从而降低了直流功耗。直流通道直流通道变压器线圈变压器线圈对于直流相对于

26、直流相当于短路：当于短路：USCT1T2ReRb2Rb1小小 结结 1、功率放大电路是在大信号下工作，通常采用图解法进行分析。 研究的重点是如何在允许的失真情况下，尽可能提高输出功率和效率。 2 2、与甲类功率放大电路相比，乙类互补对称功放的主要优点是效率高，在理想情况下，其最大效率约为78.5%。为保证BJT安全工作，双电源互补对称电路工作在乙类时，器件的极限参数必须满足：PCMPT10.2 Pom，|V(BR)CEO|2VCC，ICMVCC/RL。 3、由于BJT输入特性存在死区，工作在乙类的互补对称电路将出现交越失真。常利用二极管或VBE扩大电路进行偏置的甲乙类互补对称电路克服失真 。 4 4、在单电源互补对称电路中，计算输出功率、效率、管耗和电源供给的功率，可借用双电源互补对称电路的计算公式，但要用VCC/2代替原公式中的VCC。 5 5、在集成功放获得广泛应用的同时，大功率器件也发展迅速，主要有达林顿管、功率VMOSFET和功率模块。为了保证器件的安全运行，可从功率管的散热、防止二