模电第4章教材课件

第四章

功率放大电路4.1功率放大电路的主要特点4.2互补对称式功率放大电路4.3采用复合管互补对称放大电路4.4集成功率放大器例：

扩音系统实际负载什么是功率放大器？

在电子系统中，模拟信号被放大后，往往要去推动一个实际的负载。如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率很大。能输出较大功率的放大器称为功率放大器功率放大电压放大信号提取4.1功率放大电路的主要特点对功放的主要要求：1.根据负载要求，提供所需要的输出功率。最大输出功率2.具有较高的效率输出功率直流电源提供功率3.尽量减小非线性失真。分析方法：图解法4.1功率放大电路的主要特点传统的功率放大电路常常采用变压器耦合方式，而且接成推挽式。变压器耦合推挽功率放大电路T1：输入变压器T2：输出变压器当u1为正半周时，VT1导电，VT2截止当u1为负半周时，VT2导电，VT1截止VT1和VT2接成对称形式。两个三极管的集电极电流均只有半个正弦波，但通过变压器耦合到负载上后，负载电流和输出电压基本上是正弦波。优点：输入为零时，静态功耗等于零，效率高，便于实现阻抗匹配缺点：变压器体积庞大，消耗有色金属，高、低频相移，自激振荡，无法集成。本章主要介绍直接耦合方式的互补对称式功率放大电路。BJT的几种工作状态甲类：Q点适中，在正弦信号的整个周期内均有电流流过BJT。甲乙类：介于两者之间，导通角大于180°iCuCEQ1UCEQICQVCCiCuCEQ3ICQVCC乙类：静态电流为0，BJT只在正弦信号的半个周期内均导通。iCuCEQ2ICQVCC4.2互补对称式功率放大电路4.2.1电路组成和工作原理一、OTL互补对称电路省去输出变压器的功率放大电路通常称为OTL电路。(1)OTL乙类互补对称电路这种放大电路不用输出变压器，且两个三极管轮流导通，每管导电180o，二者的电流互补，电路结构形式对称，所以称为OTL乙类互补对称电路。(1)OTL乙类互补对称电路在输入信号的正半周，VT1

导通，iC1

流过负载；负半周，VT2导通，iC2

流过负载。在信号的整个周期都有电流流过负载，负载上iL

和uO

基本上是正弦波。优点：静态功耗零，效率高；缺点：输出波形失真比较严重，主要问题：交越失真。交越失真图

4.2.1C1+R1和R2调整uO电位为VCC/2电容C2两端直流电压为VCC/2输入输出波形图uiuououo

´交越失真死区电压VT1、VT2两个管子轮流导通的交界处，将有一段时间两个三极管均截止，导致u0发生失真，即交越失真电路中增加R、VD1、VD2支路1)结构

(2)OTL甲乙类互补对称电路采用甲乙类互补对称电路既能减小交越失真，改善输出波形，同时又能获得较高的效率，所以在实际工作中得到了广泛应用。

静态时:

T1、T2两管发射结电压分别为二极管D1、D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态——甲乙类工作状态动态时：设ui

加入正弦信号。正半周T2截止，T1基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；负半周T1截止，T2

基极电位进一步降低，进入良好的导通状态。2)基本原理

二极管抬高了三极管基极的电压。VCC/2VCC/2-0.7VVCC/2+0.7V由于二极管抬高了三极管基极的电压，ic1和ic2的波形如图所示，两管轮流导电的交替过程比较平滑，最终得到的iL和u0的波形接近理想的正弦波，减小了交越失真。tuIOtiC1OtiC2OtuOO二、OCL互补对称电路省去大电容，VT1、VT2的发射极直接与负载相连，电路中采用正负两路电源，保证射极之间直流电位为0。若VCC值相等，OCL的电流Icm比OTL电路大一倍。优点：无电容，改善了低频响应，易集成。

缺点：静态工作点如果失调，将造成大电流通过负载，一般负载回路使用保险丝。直流电位保持为零NPN型三极管VT1的输出特性曲线位于图中左上方PNP型三极管VT2的输出特性曲线位于图中右下方静态时，OCL乙类互补对称电路中两个三极管的集电极电流均为零，两管的集电极电压分别为uCE1=Vcc，uCE2=-Vcc两管的静态工作点均在横坐标上的Q点处。静态工作点4.2.2互补对称电路主要参数的估算一、OCL互补对称电路主要参数的估算最大输出功率集电极最大电压为集电极最大电流为最大输出功率当满足条件uCES<<VCC时，可将上式中uCES忽略，可得Ucem功率三角形LCESccLcemcmcemomRUVRUIUP2)(22122-===LccomRVP22»CEScccemUVU-=LCESccLcemcmRUVRUI-==

效率当输出最大功率时，放大电路的效率等于最大输出功率Pom与直流电源提供的功率PV之比。当忽略饱和压降uCES时考虑三极管的饱和管压降，则OCL乙类和甲乙类互补对称电路的效率将低于此值。LVcmCCcmCCVRVPIVtdtIVPCCππππ2022)()sin(1»==òww78.5%42222==»=ππLCCLCCVomRVRVPPh功率三极管的极限参数1、集电极最大允许电流ICM选择功率三极管时，集电极最大允许电流应为：2、集电极最大允许反向电压U（BR）CEO两个三极管集电极电压值和等于2VCC，当|uCE2|的值最小时，VT1的集电极电压达到最大。此时uCE1≈2VCC。功率三极管的集电极最大允许反向电压应为LCCLCESCCcmRVRUVI»-=LCCCMRVI>CCCEOBRVU2)(>功率三极管的极限参数3、集电极最大允许耗散功率PCM在OCL互补对称电路中，直流电源提供的功率PV，一部分转换成输出功率Po传送给负载，另一部分则消耗在功率三极管内部，成为三极管的耗散功率PT，使管子发热。三极管的最大管耗大约等于最大输出功率的五分之一。在选择功率三极管时，集电极最大允许耗散功率应为：在实际工作中选用功率三极管时，应留有适当的余地。omLCCTmPRVP2.022»=πomCMPP2.0>单个管子在半个周期内的管耗管耗PTVT1在整个周期上的平均功耗：最大管耗与最大输出功率的关系选管依据之一)(d

)(1=0LooCCT1tRvvVPwò-ππ)d(

sin)sin(10LomomCCtRtVtVVwwwò-=ππ)d(

)sinsin(102L2omLomCCttRVtRVVwwwò-=ππ)4(22omomCCLVVVR-=p)(4121omomCCLTVVVRP-=pommTPP201.»两管的静态工作点均在横坐标上的Q点处。静态工作点在静态时，乙类或甲乙类互补对称电路中两个三极管集电极电流均等于零或接近于零。OTL和OCL的主要区别：集电极电压uCE1=Vcc/2,uCE2=-Vcc/2,静态工作点Q集电极电压Vcc/2,而不是Vcc二、OTL互补对称电路主要参数的估算最大输出功率集电极最大电压为集电极最大电流为最大输出功率当满足条件uCES<<VCC时，可将上式中uCES忽略，可得Ucem功率三角形CEScccemUVU-=2LCESccLcemcmRUVRUI-==2LCESccLcemcmcemomRUVRUIUP2)2(22122-===LccomRVP82»

效率OTL互补对称电路中，直流电源提供的功率为当忽略饱和压降uCES时OTL互补对称电路的效率与OCL电路相同LVcmCCcmCCVRVPIVtdtIVPCCππππ2)()sin(1220===òww78.5%42822==»=ππLCCLCCVomRVRVPPh功率三极管的极限参数1、集电极最大允许电流ICM选择功率三极管时，集电极最大允许电流应为2、集电极最大允许反向电压U（BR）CEO两个三极管集电极电压值和等于VCC，当|uCE2|的值最小时，VT1的集电极电压达到最大。此时uCE1≈VCC。功率三极管的集电极最大允许反向电压应为LCCLCESCCcmRVRUVI22»-=LCCCMRVI2>CCCEOBRVU>)(功率三极管的极限参数3、集电极最大允许耗散功率PCM通过分析可以证明，在OTL互补对称电路中，当忽略三极管的UCES时，每个三极管的最大管耗为：三极管的最大管耗大约等于最大输出功率的五分之一。在选择功率三极管时，集电极最大允许耗散功率应为：在实际工作中选用功率三极管时，应留有适当的余地。omTmPP2.0»omCMPP2.0>Ucem=VCC

-

UCES一、OCL互补对称电路主要参数的估算总结Icm1=Icm1

＝

Icm，Ucem1=Ucem2=Ucem，图

4.2.8二、OTL互补对称电路主要参数的估算4.3采用复合管的互补对称式放大电路如果功率放大电路的负载电流比较大，可以采用复合管4.3.1复合管的接法及其β和rbe1.复合管的接法复合管VT1bVT2ecVT2VT1bec(a)NPN型(b)PNP型由两个及以上三极管组合而成同类型或不同类型三极管组成复合管的组成原则前后两个三极管连接关系上，应保证前级输出电流与后级输入电流实际方向一致。外加电压的极性应保证前后两个管子均为发射结正偏，集电结反偏，使管子工作在放大区（恒流区）。(c)NPN型cVT1bVT2e(d)PNP型VT2VT1bec图4.3.1复合管的接法晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。2.复合管的β和rbe优点可以获得很高的电流放大系数；提高的输入电阻；提高了总的电压放大倍数。+uBEiBiB1iC2iCiEiE1=iB2VT1bVT2eciC11)由相同类型的三极管组成的复合管(类型与原来相同)复合管共射电流放大系数值由图可见图4.3.2+uBEiBiB1iC2iCiEiE1=iB2VT1bVT2eciC1则三极管输入电阻

rbe其中所以显然，、rbe

均比一个管子1、rbe1提高了很多倍。图4.3.22)由不同类型的三极管组成的复合管(类型与前级三极管相同)cVT1bVT2e1

2rbe

=rbe1在集成运放中，复合管不仅用于中间级，也常用于输入级和输出级。4.3.2复合组成的互补对称放大电路OCL甲乙类互补对称放大电路三极管VT1、VT3组成NPN复合管三极管VT2、VT4组成PNP复合管缺点：VT3(NPN)、VT4(PNP)不同类型，很难实现特性互补对称。4.3.2复合组成的互补对称放大电路VT3、VT4相同类型准互补对称电路接入Re1、Rc2是为了调整VT3、VT4静态工作点.三极管VT1、VT3组成NPN复合管三极管VT2、VT4组成PNP复合管4.4集成功率放大器

优点：轻便小巧，成本低廉，外部接线少，方便使用，可靠性高，温度稳定性好，电源利用率高，功耗较低，非线性失真小，可集成各种保护电路（过流保护，过热保护，过压保护）用途划分：通用型和专用型（收音机，录音机，电视机）芯片内部结构划分：单通道和双通道（立体声音响）功率划分：小功率（1W以下）,大功率（几十W