电子技术第六章

1、6.1 功率放大电路的功率放大电路的特殊问题特殊问题 l 输出功率为主要技术指标。输出功率为主要技术指标。 晶体管起能量转换作用：晶体管起能量转换作用： 电源提供的电源提供的直流电能直流电能转化转化为由信号控制的为由信号控制的输出交输出交变电能变电能。l 功率放大简称功率放大简称功放功放，l 与电压放大电路相比较，与电压放大电路相比较，主要考虑以下问题主要考虑以下问题。 第第6章章 功率放大电路功率放大电路 输出大功率输出大功率l输出功率输出功率是指受信号控制的输出交变电是指受信号控制的输出交变电压和交变电流的乘积，即负载所得到的压和交变电流的乘积，即负载所得到的功率。功率。l要求要求功放管功

2、放管输出大电流和电压输出大电流和电压。l功放管工作在功放管工作在接近极限状态接近极限状态，选择功放，选择功放管要考虑极限参数。管要考虑极限参数。6.1 功率放大电路的特殊问题功率放大电路的特殊问题 提高效率提高效率 l功率放大电路的功率放大电路的效率效率(Efficiency)是指负是指负载得到的载得到的信号功率信号功率与与电源供给的电源供给的直流功直流功率率之比之比。l提高效率提高效率可以在相同输出功率的条件下，可以在相同输出功率的条件下，减小能量损耗，减小电源容量，降低成减小能量损耗，减小电源容量，降低成本。本。 减小失真减小失真 原因：功率放大电路的工作电流和电压原因：功率放大电路的工作

3、电流和电压要要超过特性曲线的线性范围超过特性曲线的线性范围，甚至接近，甚至接近于晶体管的饱和区和截止区。于晶体管的饱和区和截止区。造成非线性失真较严重，因此在使用中造成非线性失真较严重，因此在使用中必须必须兼顾兼顾提高交流提高交流输出功率输出功率和减小和减小非线非线性失真性失真这两方面的指标。这两方面的指标。 改善热稳定性改善热稳定性 l原因：原因：集电结上损耗功率大集电结上损耗功率大，会引起功放，会引起功放管结温上升，可能会导致管子烧毁。管结温上升，可能会导致管子烧毁。l因此大功率管都要因此大功率管都要安装散热器安装散热器，以便获得，以便获得大的输出功率。大的输出功率。l如何提高效率？如何提

4、高效率？甲类工作状态甲类工作状态l 管子导通时间为一个周期管子导通时间为一个周期。在单管放大电路中，。在单管放大电路中，为了得到不失真的输出波形，将静态工作点设置为了得到不失真的输出波形，将静态工作点设置在合适位置。在合适位置。l 静态时功耗大静态时功耗大。iCiCtuCEQ00(a) 甲类甲类iC大于大于0乙类工作状态乙类工作状态l 导通时间为半个周期导通时间为半个周期。其工作点设置在截止区。其工作点设置在截止区。l 出现了严重的波形失真出现了严重的波形失真。iCiCtuCEQ00(c) 乙类乙类iC = 0的时间为半个周期的时间为半个周期甲乙类甲乙类工作状态工作状态l 导通时间大于半个周期

5、，小于一个周期。导通时间大于半个周期，小于一个周期。其工其工作点设置靠近截止区。作点设置靠近截止区。l 甲乙类放大，甲乙类放大，减小了静态功耗减小了静态功耗，但也出现了严但也出现了严重的波形失真重的波形失真。iCiCtuCEQ00(b) 甲类甲类iC = 0的时间小于半个周期的时间小于半个周期l功率放大器功率放大器：希望输出功率大，电源功率：希望输出功率大，电源功率消耗少，效率高。消耗少，效率高。l甲乙类和乙类放大甲乙类和乙类放大：减小了静态功耗，但：减小了静态功耗，但都出现了严重的波形失真。都出现了严重的波形失真。l为了利用其效率高的优点，克服其削波失为了利用其效率高的优点，克服其削波失真的

6、缺点，真的缺点，通常采用乙类互补对称放大电通常采用乙类互补对称放大电路路。1. 双电源互补对称电路双电源互补对称电路 l 双电源互补对称电路又称无输出电容电路，简称双电源互补对称电路又称无输出电容电路，简称OCL(Output Capacitor Less) 电路电路。6.2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路 电路组成电路组成 ui0tuo0tiC1+VCC-VCCuiuoT1ioT2RL+_iC2l静态静态l动态动态交越失真交越失真l 由于由于T1、T2管输入特性存在死区，所以管输入特性存在死区，所以输出波输出波形在信号过零附近产生失真形在信号过零附近产生失真交越失真交越失真。l 原

7、因原因：假设：假设T1、T2的死区电压都是的死区电压都是0.6V，那么，那么在输入信号电压在输入信号电压|Ui|0.6V期间，期间，T1和和T2截止，截止，输出电压为零，得到如图所示失真了的波形，输出电压为零，得到如图所示失真了的波形，图6-3交越失真波形uiuott00消除交越失真的办法消除交越失真的办法 uo+VCCT1R3D1R1T2RL-VCC+ui+_D2图6-4 消除交越失真的电路让让T1和和T2在静态时就微导通。在静态时就微导通。为此在为此在T1和和T2的基极之间接入的基极之间接入一个直流电压。一个直流电压。无论信号为正或为负，都至少无论信号为正或为负，都至少有一个管子导通，交越

8、失真也就有一个管子导通，交越失真也就不存在了。不存在了。 分析计算分析计算 l在对互补对称电路进行分析计算时。由于管子在对互补对称电路进行分析计算时。由于管子在大信号下工作，所以必须利用在大信号下工作，所以必须利用图解分析图解分析进行分进行分析。析。 输出功率输出功率l为了便于观察互补电路中的每个管子的电流电为了便于观察互补电路中的每个管子的电流电压波形，压波形，把把T2管特性曲线倒置于管特性曲线倒置于T1管特性曲线的管特性曲线的右下方右下方，并令二者在，并令二者在UCEQ = VCC处对准，如图所处对准，如图所示。示。L1Rl负载线通过负载线通过Q点点(UCE =VCC，iC=0)，且斜率为

9、，且斜率为 的直线。的直线。tiC1Q00iC1uCE10iC2uCE2uCES2VCC2VCCiC2Quce1uce2VCCVCCUcemT2导通导通T1导通导通T1截止截止T2截止截止220-1/RL-1/RLPT1T2Nl输出功率输出功率Po可以根据功率表达式可以根据功率表达式P = U2/R（U是交流有效值）求得，即是交流有效值）求得，即L2cemL2cemo2)2(RURUPcemcmcemLcemo2121UIURUP 输出功率输出功率理想条件下的理想条件下的最大输出功率最大输出功率l若输入的正弦信号的幅度足够大，并忽略若输入的正弦信号的幅度足够大，并忽略管子的饱和压降管子的饱和压

10、降UCES。lRL上最大的输出电压幅度上最大的输出电压幅度Ucem=VCC。在此。在此理想条件下，最大输出功率为理想条件下，最大输出功率为L2CCOM2RVP 输出功率输出功率 效率效率 l 输出功率占电源供给功率的比率称为输出功率占电源供给功率的比率称为效率效率，用，用表示，表示，=PO/PV。 l 由于每个电源只提供半个周期的电流，所以由于每个电源只提供半个周期的电流，所以总总电源功率电源功率PV为为 LcemCCcmCC0V22dsin212RUVIVttIVPcmCCCCcemLcemCCL2cemVO4)2/()2(VURUVRUPP2) 11(|cosdsin00tttl在理想情况

11、下，在理想情况下，Ucem=VCC，则最大效率为，则最大效率为%5 .784max 效率效率 功率管的选择功率管的选择l消耗在晶体管的功率消耗在晶体管的功率PT=PVPO，由于，由于PO与与PV均与均与信号的幅值有关，故信号的幅值有关，故PT也随之变化。也随之变化。l为了求出为了求出何时管耗最大何时管耗最大，令，令CCcemVUK 2L2CCL2CCL2cemLcemCCT2222KRVKRVRURUVPl 上式对上式对K的导数为的导数为0时时，PT将为最大值将为最大值0222ddL2CCL2CCTKRVRVKP将其代入将其代入PT式中得式中得OMOM2L22CC2L2CCL2CCTmax4

12、. 0424222PPRVRVRVP每个管子的管耗约为每个管子的管耗约为0.2POmax，当输出功率当输出功率最大最大(K=1)时，总管耗约为时，总管耗约为0.27POmax。 OMOML2CCL2CCL2CCTP27. 0P4R2V)4(KR2VKRV2P2 功率管的要求功率管的要求 若想得到预期的最大输出功率，则若想得到预期的最大输出功率，则功率管的有关功率管的有关参数参数应满足下列条件：应满足下列条件： l 每只功率管的最大管耗每只功率管的最大管耗PCM0.2POmax；l 功率管功率管c-e极间的最大压降为极间的最大压降为2VCC，所以应选，所以应选|U(BR)CEO|2VCC；l 功

13、率管的最大集电极电流为功率管的最大集电极电流为VCC/RL，因此晶体，因此晶体管的管的ICM不宜低于此值。不宜低于此值。2. 复合互补对称电路复合互补对称电路 复合管复合管(Darlington Connection) l 存在的问题存在的问题：大功率输出极的工作电流大，而一：大功率输出极的工作电流大，而一般大功率管的般大功率管的电流放大系数都较小电流放大系数都较小。l 通常采用所谓通常采用所谓“复合管复合管”的办法来解决。的办法来解决。l 设有两只晶体管，把前一只管的集电极或发射极设有两只晶体管，把前一只管的集电极或发射极接到下一只管的基极，这种连接所形成的晶体管接到下一只管的基极，这种连接

14、所形成的晶体管组合称为组合称为复合管复合管cebT1T2iBiC12iBiEiBiEbiCce(a) NPN型2.复合互补对称电路复合互补对称电路 ecbT1T2iBiE12iBiCiBiCbiEec(b) PNP型2.复合互补对称电路复合互补对称电路 cebT1T2iBiC12iBiEiBiEbiCce(c) PNP型2.复合互补对称电路复合互补对称电路 cebT1T2iBiC12iBiEiBiEbiCce(d) NPN型2.复合互补对称电路复合互补对称电路 复合管构成规则复合管构成规则l iB向管内流向管内流的复合管等效为的复合管等效为NPN管；管； iB向管外流向管外流的复合管等效为的复

15、合管等效为PNP管；管； iB的流向的流向由由T1管的基极电流决定管的基极电流决定，即由，即由T1管的类管的类型决定型决定。l 必须保证每只管各电极的电流都能顺着各个管的必须保证每只管各电极的电流都能顺着各个管的正常工作方向流动；否则将是错误的。正常工作方向流动；否则将是错误的。2.复合互补对称电路复合互补对称电路 准互补对称电路准互补对称电路(Quasi Complementary Emitter Follower) l 互补对称电路中，两个输出管是互补工作的，互补对称电路中，两个输出管是互补工作的，因而要求因而要求两管为不同类型，一个为两管为不同类型，一个为NPN型，而型，而另一个则为另一

16、个则为PNP型型。l 为了满足电路对称就为了满足电路对称就要求两管特性一致要求两管特性一致。l 这对这对NPN和和PNP两种大功率管来说，一般是难两种大功率管来说，一般是难以实现的，尤其是当一个是硅管另一个是锗管以实现的，尤其是当一个是硅管另一个是锗管时，若要两管特性一致，最好使时，若要两管特性一致，最好使T3和和T4是同一是同一种型号的管子。种型号的管子。+VCC-VCCRb1RD1T1T2Rb2D2Re1Rc2RLT3T4Re4Re3NPNPNPuoui+-图6-8 准互补对称电路3. 单电源互补对称电路单电源互补对称电路 电路组成电路组成 l 双电源互补对称电路，需要两个独立电源，这给双

17、电源互补对称电路，需要两个独立电源，这给使用上带来使用上带来不方便不方便。l 所以所以实用上实用上常采用单电源互补对称电路，如图常采用单电源互补对称电路，如图6-9所示。所示。它去掉了负电源，接入一个电容它去掉了负电源，接入一个电容C，称为，称为无 输 出 变 压 器 电 路无 输 出 变 压 器 电 路 ， 简 称， 简 称 O T L ( O u t p u t Transformer Less)电路电路。V1、V2是为了克服交越是为了克服交越失真而接入的正向偏置电源，在实际电路中可用失真而接入的正向偏置电源，在实际电路中可用两个二极管来代替。两个二极管来代替。VCC12+tui+VCCV

18、1V2T1NPNPNPiC1iC2iouo+-T2EICRL+-iC1t0-iC2t0uI0uot0图6-9 单电源互补对称原理电路l 静态时使静态时使UE =VCC/2，I点点电位电位UI以以VCC/2为基准上为基准上下变化，下变化，T1、T2轮流导通，轮流导通，实现双向跟随。实现双向跟随。l 电容上具有的恒定电压电容上具有的恒定电压VCC/2，则可看作信号负，则可看作信号负半周时半周时T2管的直流电源。管的直流电源。l 电容充放电回路时间常数电容充放电回路时间常数远大于信号周期，电容两远大于信号周期，电容两端电压基本不变。端电压基本不变。l动态时动态时 分析计算分析计算 l由上面的分析可以看出，由上面的分析可以看出，单电源互补对称单电源互补对称电路实质上等效于具有电路实质上等效于具有VCC/2双电源的互双电源的互补对称电路补对称电路。l分析计算时只要把分析计算时只要把VCC/2替换替换前面式中的前面式中的VCC就可以得出单电源互补对称电路的输出就可以得出单电源互补对称电路的输出功率、直流电源供给的功率和效率等。功率、直流