模拟电子技术基础第5章_输出级和功率放大电路课件

1、共67页第1页第五章 输出级和功率放大电路5.1 功率放大电路概述5.2 乙类互补功率放大电路5.3 甲乙类互补功率放大电路5.4 功率放大电路的安全运行5.5 功率放大电路的应用共67页第2页5.1 功率放大电路概述1)实用电路中，要求放大电路的输出级输出一定的功率，以驱动负载。能够向负载提供足够功率的电路称为功率放大电路，简称功放。2)功放既不是单纯输出高电压，也不是单纯输出大电流，而是在电源电压一定的情况下，输出尽可能大的功率。3)功放电路的组成与分析方法，元器件的选择，都与小信号放大电路有着明显的区别。共67页第3页1）输出功率尽可能大，放大电路的效率可能高。2）非线性失真尽可能小：由

2、于功率放大电路一般处在多级放大电路的末级，处理的信号已经比较大，因此很容易出现饱和失真或截止失真，在电路设计中需要采取专门的措施。3)功率放大电路处理的信号较大，在电路分析中，小信号等效模型已不再适用，所以广泛使用图解法分析此类电路。4）输出电阻尽可能低：由于要求功率放大电路输出直接驱动负载，需要有尽可能高的带负载能力，因此要求放大电路的输出电阻尽可能低。在我们已经学过的三种基本放大电路中，共集电极放大电路，即射极跟随器，或共漏极放大电路，即源射极跟随器是一种比较理想的选择。5）功率放大电路中三极管的保护：功率放大电路中的三极管工作在较大的电压、电流条件下，功率三极管损坏的可能性也就较大，要特

3、别注意极限参数的选择以及功率管的保护，以保证管子安全工作。在功率放大电路中，有相当大的功率会消耗在管子的集电结上，使结温和管壳温度升高，为了在一定的结温下，使输出功率尽可能增大，需要对功率三极管采取散热措施。 5.1.1 功率放大电路的要求共67页第4页在甲类工作状态，放大电路的静态工作点一般设置在交流负载线的中间位置，以获得最大不失真输出电压范围。此时，在输入正弦信号的一个周期内，晶体管都能够处在放大状态。 1. 甲类常见的放大电路工作状态有甲类、乙类、甲乙类三种 5.1.2 放大电路的工作状态共67页第5页 ，电路将工作在乙类状态。此时，在输入正弦信号的一个周期内，晶体管只导通半周，而在另

4、外半周，晶体管完全截止 2. 乙类5.1.2 放大电路的工作状态共67页第6页如果在静态时，使 有一定的值，但又不像甲类那样大，电路将工作在甲乙类状态。此时，在输入正弦信号的一个周期内，晶体管除导通半周外，在另外半周的部分时段，也能够导通，而晶体管完全截止的时间不足半周。3. 甲乙类5.1.2 放大电路的工作状态共67页第7页5.1.3 放大电路提高效率的途径如何提高放大器的效率？让我们用一个简单的共射放大电路为例来说明。选择合适的参数，使电路工作在甲类状态.忽略共射放大电路基极偏置电阻，得到简化的共射放大电路如图 . 共67页第8页将静态工作点设置在负载线的中间位置，使放大电路工作在甲类状态

5、，则负载线与横轴的交点为 ，与纵轴的交点为 。静态时，晶体管集电极电流和电压为 和 。5.1.3 放大电路提高效率的途径共67页第9页当输入电压为正弦时， 可表达为： 其中： ，如果忽略 ， 按最大可能的输出范围考虑，则：晶体管集电极的瞬时功率为：为 的最大峰值。代入，得5.1.3 放大电路提高效率的途径共67页第10页晶体管消耗功率的最大值： 该值的大小取决于静态时集电极的电流以及集-射极之间的电压。为了提高放大电路的效率，降低晶体管的功率损耗是最主要的途径。因此，一般情况下使静态时的电流减小，使功率放大电路工作在乙类或甲乙类状态。该式所表达的功率随时间变化的波形如图所示 ，其值始终大于0。

6、说明晶体管任何时候都在消耗功率。在一个周期内消耗的能量总和为该曲线与横轴所包围的面积。 5.1.3 放大电路提高效率的途径共67页第11页放大电路的效率定义为输出到负载的功率与电源供给电路的总功率的比值 ：5.1.3 放大电路提高效率的途径电路中负载获得的功率为 负载获得的最大功率为 而电源供给的总功率为：则该电路的最高效率为： 可见共射放大电路的效率不会超过25%，应用中由于负载电阻的限制等原因，实际效率远低于该值。因此在输出功率大于1W的场合，一般不使用共射放大电路，而是使用射极跟随器电路。共67页第12页在一定的负载电阻情况下，为了使功率放大电路得到最大的不失真输出电压，常需要将负载电阻

7、通过变压器进行阻抗变换后，接入到三极管的集电极，如下图 ：其中：调整变压器的匝数比，可以使交流负载线的斜率得到改变，以提高最大不失真输出电压范围。 5.1.3 放大电路提高效率的途径共67页第13页5.2 乙类互补功率放大电路5.2.1 乙类互补功率放大电路的组成 5.2.2 乙类互补功率放大电路的分析5.2.3 乙类互补功率放大电路中晶体管的选择共67页第14页5.2 乙类互补功率放大电路5.2.1 乙类互补功率放大电路的组成为了提高放大电路的效率，同时减小失真，将一个由NPN管构成的射极跟随器和另一个由PNP管构成的射极跟随器按图组合起来，且两个晶体管的特性对称一致。在忽略晶体管发射结的正

8、向导通压降的情况下，电路的工作过程如下。共67页第15页5.2 乙类互补功率放大电路5.2.1 乙类互补功率放大电路的组成静态即 时：晶体管 和 的射极E点的电位为0。动态即 时：如果 ，晶体管 导通， 截止。电流iE1由 经 流过负载电阻，形成输出电压 的正半周。在输入电压的负半周，T2导通，T1截至，在负载 上得到如图所示的射极电流和输出电压波形。 共67页第16页这种电路称为互补推挽输出级。在输入的正半周T1导通，负半周T2的导通。输出最大幅值为5.2.1 乙类互补功率放大电路的组成共67页第17页5.2.2 乙类互补功率放大电路的分析设输出电压 的表达式为：其中 为输出电压的最大值。对

9、信号的每半个周期来说，功率放大电路为射极跟随器，所以， ，即电路的输出电压取决其输入电压的大小。1. 输出功率负载得到的功率即放大电路输出的功率为：其中 为输出电压、电流的有效值 共67页第18页5.2.2 乙类互补功率放大电路的分析由于 可能的最大不失真电压为 ，故图所示乙类互补功率放大电路输出可能的最大功率为： 若忽略三极管c、e之间的饱和管压降,即 ,则图中电路输出可能的最大功率为：共67页第19页5.2.2 乙类互补功率放大电路的分析2. 晶体管的功率损耗在一个半周期晶体管的平均功耗为： 上式积分的结果为：则两只管子总的损耗为：共67页第20页5.2.2 乙类互补功率放大电路的分析 每

10、个管子的损耗和输出电压的最大值 之间存在非线性关系。如果求 对 的导数，且令其等于0，则可求出使 取得最大值的 值，即： 由： 从而：有： 共67页第21页5.2.2 乙类互补功率放大电路的分析考虑到 :则: 上式常作为选择功率三极管的依据。两个互补的晶体管的平均功耗为：共67页第22页5.2.2 乙类互补功率放大电路的分析电源供给的功率包括负载得到的功率和 , 消耗的功率。当4. 放大电路的效率当 达到最大值，即 效率达到最大，3.电源供给的功率电源输出的功率达到最大值，为 时放大电路的效率定义为输出功率与电源供给的功率的比值：共67页第23页5.2.2 乙类互补功率放大电路的分析5.其他类

11、型的互补放大器1）变压器耦合放大器共67页第24页5.2.2 乙类互补功率放大电路的分析5.其他类型的互补放大器2) H桥共67页第25页 实际上，只有当 变为正并且大于0.6V时，T1导通。如果 变为负数的绝对值超过0.6V，则T2导通。所以，在输入为零附近时，两个晶体管截止， 。产生交越失真，如图。6.在乙类功率放大电路的问题：交越失真5.2.2 乙类互补功率放大电路的分析共67页第26页5.2.2 乙类互补功率放大电路的分析如何克服交越失真？在乙类的问题：交越失真共67页第27页5.2.3 乙类互补功率放大电路中晶体管的选择 1）晶体管集电极的最大功率损耗： PCM=PT1m0.2Pom

12、 2）当 导通时， ， 的集电极和射极之间的最大电压为 3）当 导通时， 集电极的最大电流为 因此，选择 和 时 应满足共67页第28页5.2 乙类互补功率放大电路-小结 5.2.1 乙类互补功率放大电路的组成 5.2.2 乙类互补功率放大电路的分析 1. 输出功率 2. 晶体管的功率损耗 3. 电源供给的功率 4. 放大电路的效率 5. 其他类型的乙类互补功率放大器 6. 乙类互补功率放大器的问题: 交越失真5.2.3 乙类互补功率放大电路中晶体管的选择共67页第29页例1:电路如图所示。已知电源电压 ， ， 输入信号是正弦波。试问： (1) 负载可能得到的最大输出功率和能量转换效率最大值分

13、别是多少？ (2) 当输入信号 V 时，求负载得到的功率和能量转换效率。举例【解题思路】根据题目给定条件确定输出电压幅值的最大值，计算最大可能的输出功率和能量转换效率；已知输入电压，估算电压增益，推算输出电压，求相应的输出功率和能量转换效率。 共67页第30页 解：(1) 图示电路为乙类互补推挽功率放大电路，最大的输出电压幅值:可能的最大输出功率和效率为：最大效率为：共67页第31页（2）对每半个周期来说，电路为共集电极电路，即射极跟随器，其电压增益 。所以，当输入信号不是足够大时，输出电压取决于输入电压，即输出电压 ，输出电压的最大值为输入电压的最大值， 。 输出功率：放大电路的效率为：共6

14、7页第32页5.2 乙类互补功率放大电路-小结 共67页第33页5.3 甲乙类互补功率放大电路乙类互补功率放大电路中，当输入电压为正弦，由于晶体管的发射结死区电压的存在，输出会产生交越失真。 共67页第34页5.3.1 甲乙类双电源互补功率放大电路(OCL)为了克服交越失真，使电路工作在甲乙类状态，即静态时由外电路提供一个小的静态偏置，以消除发生在乙类电路的交越失真。1.采用二极管提供偏置的甲乙类放大电路OCL（Output Capacitorless） 共67页第35页5.3.1 甲乙类双电源互补功率放大电路(OCL)图为带前置电压放大级的甲乙类互补功率放大电路， 组成前置电压放大级，其中

15、的偏置电路没有画出。 和 组成互补输出级。 ， 正向导通压降使 ， 处于微导通状态，以克服交越失真。 1.采用二极管提供偏置的甲乙类电路将三极管接成二极管的偏置电路结构 共67页第36页上述偏置电路的缺点是,B、E之间的偏置电压不易调整 5.3.1 甲乙类双电源互补功率放大电路(OCL)共67页第37页调整R1或R2就可以得到所需要的偏置值。5.3.1 甲乙类双电源互补功率放大电路(OCL) ， 的偏置电压为： 偏置电路由 ， 和 组成。静态时，流过 基极的电流远小于流过 和 上的电流，则有：2. 偏置电压可调整的甲乙类功率放大电路 共67页第38页5.3.2 甲乙类单电源互补功率放大电路（O

16、TL）用一个大电容C来代替-Vcc。OTL(Output Transformerless ) 共67页第39页1.静态工作点调整 R1 或 R2 得到: 在电容C上的电压：5.3.2 甲乙类单电源互补功率放大电路（OTL）在静态时uo=0 共67页第40页2. 动态分析动态时，在输入信号 的负半周， 的输出为正，使 导通，电流由 经 流过负载 ,同时向电容C充电；在输入信号 的正半周， 的输出为负，使 导通，已充电的电容C通过负载 放电 5.3.2 甲乙类单电源互补功率放大电路（OTL）共67页第41页当 时，T2导通，电容C代替了负电源的作用，电流由电容C经过T2流向负载 。 采用一个电源的

17、互补功率放大电路中，每个管子的工作电压为 ,而不是原来的 。所以前面导出的计算和效率的公式 中将其中的 换为 后，就可计算图所示电路的 和效率。 5.3.2 甲乙类单电源互补功率放大电路（OTL）共67页第42页5.4.1 功率BJT的散热 1. 热阻 2.功率BJT的散热等效热路 3.功率BJT的散热计算5.4.2 功率BJT的二次击穿5.4.3 功率BJT的安全工作区5.4 功率放大电路的安全运行共67页第43页5.4 功率放大电路的安全运行 典型的功率BJT通常有一个大面积的集电结，为了使热传导达到理想情况，BJT的集电极衬底与它的金属外壳要保持良好的接触。5.4.1 功率BJT的散热

18、在功率放大电路中，给负载输送功率的同时，管子本身也要消耗一部分功率。管子消耗的功率直接表现为使管子的结温升高。当结温升高到一定程度（锗管一般约为90，硅管约为150 ）以后，就会使管子损坏，因而输出功率受到管子允许的最大集电极损耗的限制。值得注意的是，管子允许的功耗与管子的散热情况有密切的关系。如果采取适当的散热措施，就可能充分发挥管子的潜力，增加功率管的输出功率。反之，就有可能使BJT由于结温升高而被损坏。所以研究功率BJT的散热问题，是一个重要问题。 共67页第44页5.4.1 功率BJT的散热共67页第45页5.4.1 功率BJT的散热共67页第46页1.表征散热能力的重要参数热阻 热的

19、传导途径，称为热路。阻碍热传导的阻力称为热阻。真空不易传热，即热阻大；金属的传热性好，即热阻小。 在BJT中，管子的电压降绝大部分都降在集电结上，它和流过集电结的电流造成集电极功率损耗，使管子产生热量。这个热量要散发到外部空间去，同样受到阻力，这就是热阻。BJT热阻的大小，通常用/W表示，它的物理意义是每瓦（或每毫瓦）集电极耗散功率使BJT温度升高的度数（例如，手册上标出3AD6的热阻为2/W，即表示集电极损耗功率每增加1W，结温升高2 ）。显然，BJT的热阻小，即表明管子的散热能力强，在环境温度相同下，允许的集电极功耗就大. 5.4.1 功率BJT的散热共67页第47页2. 功率BJT的散热

20、等效热路 在BJT中，集电极损耗的功率是产生热量的源泉,它使结温升高，并沿着管壳把热量散发到温度为环境温度的空间。BJT依靠本身外壳散热的效果较差，以3AD6为例，不加散热装置时，允许的功率仅为1W，如果加上散热器时，则允许的功率可增至10W，所以为了提高集电结允许的功耗，通常要加散热装置。 功率BJT装上散热片后，由于管壳很小，热量主要通过散热片传送。设集电结到管壳的热阻为 ，管壳与散热片之间的热阻为 ，散热片与周围空气的热阻为 。5.4.1 功率BJT的散热共67页第48页2. 功率BJT的散热等效热路 加散热片后的散热等效热路如图所示。则总的热阻可近似为:1) 图中 一般可由手册中查到。

21、2) 主要由两方面的因素决定：一是BJT和散热片之间是否垫绝缘层（如0.5mm厚的绝缘垫片热阻约为 ）；另一个是二者之间的接触面积和紧固程度, 一般为3) 决定于散热片的形式、材料和面积。 5.4.1 功率BJT的散热共67页第49页3.功率BJT的散热计算功率BJT的最大允许耗散功率，决定于总的热阻、最高允许结温和环境温度。它们之间的关系为 上式说明，在一定的温升下， 小，也就是散热能力越强，功率BJT允许的耗散功率就大；另一方面，在一定的 和 的条件下，环境温度愈低，允许的 也愈大。利用上式可以计算小功率管在不同环境温度下允许的 值；也可以计算大功率BJT在一定环境温度和散热片面积下，功率

22、管允许的集电极耗散功率，或在给定 的情况下求散热片的面积，或在其他条件给定后，分析各处的温度情况。 5.4.1 功率BJT的散热共67页第50页1. 二次击穿现象当集电极电压逐渐增加时，首先出现一次击穿现象，这种击穿就是正常的雪崩击穿。当这种击穿出现时，只要适当限制功率BJT的电流（或功耗），且进入击穿的时间不长，功率BJT并不会损坏。所以一次击穿（雪崩击穿）具有可逆性。一次击穿出现后，如果继续增大电流(电压)到某数值，BJT的工作状态将以毫秒级甚至微秒级的速度移向低压大电流区，如图AB段所示，进入二次击穿。由于进入二次击穿的点随基极电流的不同而改变，通常把这些点连接起来叫二次击穿临界曲线（S

23、/B曲线）。 5.4.2 功率BJT的二次击穿共67页第51页2. 二次击穿的原因产生二次击穿的原因至今尚不完全清楚。一般来说，二次击穿是一种与电流、电压、功率和结温都有关系的效应。它的物理过程多数认为是由于流过BJT结面的电流不均匀，造成结面局部高温（称为热斑），因而产生热击穿所致。这与BJT的制造工艺有关。5.4.2 功率BJT的二次击穿共67页第52页BJT的二次击穿特性对功率管的使用性能恶化和损坏起着重要影响。为了保证功率管安全工作，必须考虑二次击穿的因素。因此，功率管的安全工作区，不仅受集电极允许的最大电流、集电极允许的最大电压和集电极允许的最大功耗所限制，而且还受二次击穿临界曲线所限制，其安全工作区如图虚线内所示。显然，考虑了二次击穿以后，功率BJT的安全工作范围变小了。5.4.3 功率BJT的安全工作区共67页第53页5.4.1 功率