模电课件第四章功率放大电路

第四章功率放大电路功率放大电路导论4.1功率放大电路的主要特点4.2互补对称式功率放大器本章小结4.3采用复合管的功率放大电路单元测验4.4集成功率放大电路第四章功率放大电路功率放大电路导论4.1功率放大电1

功率放大电路的主要任务就是用于放大电路的输出级，向负载提供足够大的输出功率，以驱动执行机构。如：使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。并要求功放电路的效率非常高；输出信号的失真比较小。由于功放电路处理的都是大信号，因此不采用微变等效电路分析法，采用的是图解法进行分析和求解。功率放大电路导学返回功率放大电路的主要任务就是用于放大电功率放大电路24.1功率放大电路的主要特点一、功率放大电路的用途驱动显示仪表、音响、自动控制系统的执行部件。以及需要大功率驱动的负载。(如下例所示)1、扩音系统功率放大电压放大信号提取执行机构4.1功率放大电路的主要特点一、功率放大电路的用途32、温度控制器R1、R2、R3:标准电阻Ua:基准电压Rt:热敏电阻A：放大器RtTTUb控温过程UOUO1R1aR2UOVccR3Rtb温控室加热器-+AUO1

功放2、温度控制器R1、R2、R3:标准电阻Ua:基准4二、对功率放大电路的要求即：输出电压和电流都要有足够大的变化量。1、要求有最大的输出功率最大输出功率最大输出电压的有效值最大输出电流的有效值二、对功率放大电路的要求即：输出电压和电流都要有足够大的变化52、要有较高的效率输出的功率其实都是由VCC转换而来的，尤其是在大功率的输出情况下，这个转换效率就显得很重要。效率直流电源VCC提供的功率放大电路提供给负载的功率2、要有较高的效率输出的功率其实都是由VCC转换6由上式可以导出功率放大电路的最大效率为：由上式可以导出功率放大电73、要有较小的失真由于“功放”工作在大信号的场合，因此所处理的信号在三极管特性曲线上将得到极至地发挥。其器件的非线性特性则无法避免，我们只能根据负载的要求来规定其允许的失真范围。因为处理的是大信号，所以不能采用微变等效电路来分析“功放”。一般常用图解法分析“功放”静态和动态参数。3、要有较小的失真由于“功放”工作在大信号的场合8三、传统的推挽功率放大电路(乙类功率放大器)1、电路结构(变压器耦合)：T1：输入变压器；T2：输出变压器；VT1和VT2：对称放大管。三、传统的推挽功率放大电路(乙类功率放大器)1、电路结构(变92、工作原理：⑴

当uI为正半周时：VT1工作在放大区，VT2工作在截止区。(推)⑵

当uI为负半周时：VT1工作在截止区，VT2工作在放大区。(挽)⑶最后在两管的集电极合成一个完整的正弦波，再通过T2耦合到负载RL上。2、工作原理：⑴当uI为正半周时：⑵当uI为负半10iC13、图解分析：iC13、图解分析：114、

传统的乙类推挽功率放大电路的缺点：⑴输入/输出变压器的体积大、重；⑵因为是变压器耦合，故频带窄；⑶存在交越失真和不对称失真；⑷电路采用反馈时，易自激振荡。返回4、传统的乙类推挽功率放大电路的返回124.2互补对称式功率放大器4.2.1OTL互补对称电路一、OTL乙类互补对称电路1、电路结构：⑴VT1和VT2分别由

NPN和PNP管组成，然后共同对RL组成射极输出器。⑵电路只有一个电源，NPN管由VCC供电，PNP管由电容C供电。R1和R2分别为两管的偏置电阻。4.2互补对称式功率放大器4.2.1OTL互补对称电路132、工作原理：⑴静态时：合理选取R1、R2，使两管均微通，其发射极电位为VCC/2。大电容C已充满电，UC

也为VCC/2。⑵当uI为正半周时：VT1放大、VT2截止。其正半周的信号通过VT1管、C到达负载。VT1的

供电电压为：VCC-UC=VCC-VCC/2=VCC/2。2、工作原理：⑴静态时：⑵当uI为正半周时：14⑶当uI为负半周时：

VT1截止、VT2放大。其负半周的信号通过

VT2管和电容C到达负载。VT2的供电电压为：UC=-VCC/2。⑷VT1和VT2各负责输入信号半周波形的放大。所以在负载上iRL=iC1-iC2，合成了一个完整的正弦波。⑶当uI为负半周时：⑷VT1和VT2各负责输153、讨论：⑴VT1导电是靠VCC供电，VT2导电是靠

C

供电。所以

C

必须非常大，否则在负半周会供电不足产生失真。⑵此电路不使用变压器，用电容

C

来耦合，所以称为：OTL电路。⑶此电路由两管轮流工作，互补对称输出，各处理正弦信号的

180

度。故又称为：乙类互补对称电路。3、讨论：⑴VT1导电是靠VCC供电，VT2导电是⑵164、图解分析⑴将两管的输出特性曲线合并，VT2是PNP管，所以

UCE2取负值。4、图解分析⑴将两管的输出特性曲线合并，VT2是PNP管17⑵静态时：所以：静态工作点Q在中点处，负载线的斜率由RL来确定。⑵静态时：所以：静态工作点Q在中点处，负载线的斜率由RL18⑶输入电压在正半周时：VT1导电，工作点从Q沿斜

线向左上方运动。最大集流为Icm1。⑶输入电压在正半周时：VT1导电，工作点从Q沿斜19⑷输入电压在负半周时：VT2导电，工作点从Q沿斜

线向右下方运动。最大集流为Icm2。⑷输入电压在负半周时：VT2导电，工作点从Q沿斜20⑸假设VT1、VT2

特性曲线对称：⑸假设VT1、VT221⑹三极管集电极电压的最大值为：⑹三极管集电极电22⑺OTL乙类互补对称电路的最大输出功率Pom将前式代入上式:（若Uces在0.3V左右时，则可以忽略）⑺OTL乙类互补对称电路的最大输出功率Pom将前式23⑻直流电源VCC消耗的功率PV

PV等于VCC/2与半个周期内三极管集电极电流平均值的乘积。由于：所以：⑻直流电源VCC消耗的功率PVPV等于VCC24⑼OTL乙类互补对称电路的最大效率

m电路实际上的效率比上值要低。因为电源提供的功率有一部分转化为集电极的功耗，使管子发热产生了温升。⑼OTL乙类互补对称电路的最大效率m电路实25⑽每个三极管的最大功耗PTm两个三极管的总功耗为最大输出功率Pom的0.4倍。5、OTL乙类互补对称电路的优、缺点优点效率高，理想情况下最在可达到78.5%，在静态时，ic1

、ic2

为0，即：静态功耗为0。⑽每个三极管的最大功耗PTm两个三极管的总功26缺点在输入信号为

0

附近的区域内，VT1和VT2

都不导通，因此会出现交越失真。所以上电路若不改进，则没有实用的价值。缺点276、交越失真现象⑴产生交越失真的原因在输入信号正半周或者负半周的起始段，VT1、VT2都处在截止状态，所以这一段输出信号出现了失真，我们称此现象为交越失真。6、交越失真现象⑴产生交越失真的原因在输入信号28⑵克服交越失真的方法在两个互补管的基极引入R、VD1和VD2支路，保证电路在静态时或起始段，VT1和VT2都处在导通状态，这样就克服了两管都截止的情况，保证了输出信号不出现了失真。⑵克服交越失真的方法在两个互补管29二、OTL甲乙类互补对称电路1、电路结构：在VT1和VT2的基极接入R和VD1、VD2。⑴静态时：2、工作原理：由R和VD1、VD2在两个三极管的基极上产生一个偏压，使VT1和VT2微微导通。所以uI=0时，VT1和VT2

有一个小小的集流。但是，iL=0。二、OTL甲乙类互补对称电路1、电路结构：在VT30⑵当uI为正半周时：

ic1逐渐增大，VT1在放大区工作，ic2逐渐减小，VT2进入截止区。⑶当uI为负半周时：

ic2逐渐增大，VT2在放大区工作，ic1逐渐减小，VT1进入截止区。⑷在uI的整个周期内：负载RL上得到了比较理想的正弦波，减小了交越失真。⑵当uI为正半周时：ic1逐渐增大，VT1在⑶313、波形分析：在这个互补对称放大电路中，每管的导电角(工作区)大于180度，小于

360

度，因此称为甲乙类放大电路。甲类放大电路，三极管导电角≥360°乙类放大电路，三极管导电角=180°3、波形分析：在这个互补对称放甲32⑴此电路的参数计算，可以近似用乙类互补电路的公式计算；4、讨论：⑵此电路的交越失真小，效率也不错，故应用非常广泛；⑶缺点是：电容体积大，不易集成化；低频效果差，不适用高档音响设备。⑴此电路的参数计算，可以近似用4、讨论：⑵此电路的交334.2.2OCL互补对称电路一、电路结构：1、彻底实现了直接耦合2、采用了两路电源(用

-VCC替代了OTL电路中的UC)，分别为VT1和VT2供电。二、工作原理：工作原理与OTL电路基本相同，但供电方式不同。4.2.2OCL互补对称电路一、电路结构：1、彻底实现了直341、静态时：所以：静态工作点Q在中点处，负载线的斜率仍由RL来确定。1、静态时：所以：静态工作点Q在中点处，负载线的斜率仍由RL352、三极管集电极电压的最大值为：2、三极管集电极电363、OCL互补对称电路的最大输出功率Pom将前式代入上式:（若Uces在0.3V左右时，可以忽略）比OTL电路的Pom大，这是靠两套电源获得的。3、OCL互补对称电路的最大输出功率Pom将前式比OTL电路374、直流电源VCC消耗的功率PV

PV等于VCC与半个周期内三极管集电极电流平均值的乘积。由于：所以：电源消耗的功率也比OTL电路大得多。4、直流电源VCC消耗的功率PVPV等于VCC与385、OCL互补对称电路的最大效率

m电路实际上的效率比上值要低。因为电源提供的功率有一部分转化为集电极的功耗，使管子发热产生了温升。OCL与OTL电路的最大效率

m相同。5、OCL互补对称电路的最大效率m电路实际上的396、每个三极管的最大功耗PTm两个三极管的总功耗为最大输出功率Pom的0.4倍。三、OCL互补对称电路的优、缺点优点兼顾了OTL电路的所有优点，并省去了C，便于集成化；改善了低频响应。6、每个三极管的最大功耗PTm两个三极管的总功耗为最大输出功40缺点由于负载直接与射极相连，一旦三极管损坏，VCC

形成的大电流将直接流过负载，若时间稍长必定会造成负载烧毁。在实用电路中常采用熔断保险丝与负载串联或启用二极管、三极管保护电路。缺点41[例]用图解法：对比甲类、OTL乙类、OCL乙类的最大输出功率。假设上电路的VCC和RL均相同，那么它们的输出功率之间有何关系。解1、甲类电路：[例]用图解法：对比甲类、OTL乙类、OCL乙类的最大解142解2、OTL乙类电路：解2、OTL乙类电路：43解3、OCL乙类电路：解3、OCL乙类电路：44四、讨论1、图中的阴影面积就是Pom，这就是功率三角形。2、甲类放大时，静态电流大，因此效率也就低，约在30%左右。3、乙类放大时，静态功耗等于0，因此效率高，约在78%左右。4、OCL的功率是OTL的4倍，但需要两套电源。四、讨论45五、注意由于共集电极电路只能放大电流而不能放大电压，所以上面的电路必须用电压幅度足够大的信号驱动。换句话说：输入和输出电压的幅度近似相等，但输出信号的功率得到了放大。五、注意46[例]下图两电路的VCC均为20V，负载电阻RL均为16

Ω，三极管饱和压降Uces均为

2V，分别估算下面OTL和OCL电路的最大输出功率Pom和最大效率ηm。解：估算OTL电路的Pom[例]下图两电路的VCC均为20V，负载电阻RL均为1647电源消耗的功率最大效率电源消耗的功率最大效率48解：估算OCL电路的Pom返回电源消耗的功率最大效率解：估算OCL电路的Pom返回电源消耗的功率最大效率494.3采用复合管的功率放大电路将三极管复合使用，不仅可以获得很大的电流放大系数β，提高了电路的电压放大倍数Au，而且还可能提高输入电阻。一、三极管复合使用时的技术指标4.3采用复合管的功率放大电路将三极管复合50三极管复合后，其关健技术指标是：确定该复合管的电流放大系数

β

和复合管的输入电阻rbe。三极管复合后，其关健技51由两个NPN型三极管组成的复合管1、常见的NPN型复合管⑴复合管的β值复合管β值为：由两个NPN型三极管组成的复合管1、常见的NPN型复合管⑴52⑵复合管的输入电阻rbe复合管输入电阻为：PNP型复合管的分析结果与NPN型复合管相同。⑵复合管的输入电阻rbe复合管输入电阻为：PNP型复合管的532、复合管的正确组合方式⑴NPN型复合管(电流为二进一出)一个出口端为射极，两个进口端一个为基极，另一个为集电极。2、复合管的正确组合方式⑴NPN型复合管(电流为二进一出54⑵PNP型复合管(电流为一进二出)一个进口端为射极，两个出口端一个为基极，另一个为集电极。⑵PNP型复合管(电流为一进二出)一个进口端为55⑶复合管的组合原则①前后级三极管的电流方向要一致，以形成适当的通路(NPN管要能一出二进，PNP管要能一进二出)。②要能保证前后级三极管的每个PN结都能获得正确的偏置(发射结正偏，收集结反偏)。⑶复合管的组合原则①前后级三极管的电流方②要能保证前后563、复合管的β值和rbe⑴同类型复合管⑵不同类型复合管3、复合管的β值和rbe⑴同类型复合管⑵不同类型复合管57二、采用复合管组成的功率输出级1、复合管组成的互补对称电路假若：β1=50，β2=20则总的β≈1000缺点：NPN型管和PNP型管虽可以互补，但很难对称。若负载峰值电流为：2.12A(大型音响设备)，则复合管的驱动电流只要2.12mA即可。二、采用复合管组成的功率输出级1、复合管组成的互补对称电582、复合管组成的准互补对称电路

Re1，Rc2的作用是为了调整复合管中VT3、VT4的静态工作点而引入的。由于VT3、VT4的为同类型三极管，因此电路的对称性比前面的电路好。返回2、复合管组成的准互补对称电路Re1，Rc594.4集成功率放大电路4.4.1

OTL音频功率放大电路一、电路组成共有三级放大1、输入级：VT1经C3输出2、中间级：VT2经R6R7R8直接耦合输出3、功放级：VT3VT4互补对称输出(OTL)。4.4集成功率放大电路4.4.1OTL音频功率放大电604、功能之一：

R6R7R8联到VT1VT2的基极防止了交越失真。因此可知功放级是甲乙类互补对称电路。因是OTL电路，C6

上的电压可估算出来为：VCC/24、功能之一：R6R7R8联到VT1VT2的基极防61热敏电阻R8

的温度系数是负值，它可以保证在温度增加时，VT3VT4的基流不随着温度的增加而增加。5、功能之二：热敏电阻R8的温度系数是负值，它可以保证在温度增加时62

R10是一个电压并联负反馈，其作用是稳定中间级和功放级的静态工作点。6、功能之三：R10是一个电压并联负反馈，其作用是稳定中间级和63接入VT3和VT4射极的电阻R11R12是起限流作用，防止瞬时电流太大烧坏负载。7、功能之四：接入VT3和VT4射极的电阻R11R12是起限流作64电阻R14

是电压串联负反馈。它的作用是增大输入电阻，降低输出电阻。改善电路的带负载的能力。8、功能之五：电阻R14是电压串联负反馈。它的作用是增大输入电65小电容

C2C4是校正电容。它们的作用是利用负反馈产生的相位偏移，消除电路可能产生的自激振荡。9、功能之六：

C7也是校正电容，是主极点校正。小电容C2C4是校正电容。它们的作用是利用66二、主要技术指标估算：1、闭环电压放大倍数：二、主要技术1、闭环电压672、最大输出功率Pom：OTL电路的供电电压为VCC/2设：UCES=1VUR11=0.5V2、最大输出OTL电路的供电电压为VCC/2设：UCES=168为了保证电路不失真，正常工作时的输出功率不要超出0.5W。为了保证电路不失真，正常工作时的输出功率不要超出0.5694.4.2

OCL高保真功率放大电路一、电路组成共有三级放大1、输入级：

VT1VT2VT3组成恒流源差分放大电路。

差分电路是采用单端输入单端输出的方式。4.4.2OCL高保真功率放大电路一、电路组成共有三级放70

VT4VT5

组成共射极放大电路。2、中间级：

VT4是NPN型硅管，VT5是有源负载。所以这一级可以获得很大的电压放大倍数。VT4VT5组成共射极放大电路。2、中间级：VT4是71由复合管VT7VT9和

VT8VT10组成OCL互补对称放大电路。

VT6给复合管提供了静态基流，防止交越失真。3、功放级：由复合管VT7VT9和VT8VT6给复合管提72

VT2和RF组成了电压串联负反馈，可提高输入电阻降低输电阻。减小失真，展宽频带，稳定静态工作点，增强了带负载的能力。4、功能之一：VT2和RF组成了电压串联负反馈，可提高输入电阻降低73由于RL是感性负载，反馈信号有可能引起电路自激振荡，因此引入了C5和R2进行补偿。5、功能之二：由于RL是感性负载，反馈信号有可能引起电路自激振荡74

C2C3C4是为了消出自激振荡而引入的消振电容。6、功能之三：C2C3C4是为了消出自激振荡而引入的消振电容。6、75二、主要技术指标估算：1、闭环电压放大倍数：二、主要技术1、闭环电压762、最大输出功率Pom：OCL电路的供电电压为VCC2、最大输出OCL电路的供电电压为VCC77设：URe4=0.7VUEC4=1VUBE7=0.8VUBE9=0.8VURe9=1V代入上式：实用中输出功率不超过20W返回设：URe4=0.7V代入上式：实用中输出功率不超过20W返781、功率放大电路主要任务是要大功率、高效率、小失真。2、常用的功率放大电路主要有OTL

和OCL两种。本章小结：1、功率放大电路主要任务是要大功率、高效率、小失真。2、常用79返回3、为了克服交越失真，将三极管工作在甲乙类状态，即：导通角大于180度。4、功率放大器的主要技术指标是：最大输出功率；电源消耗功率和效率。5、为了提高三极管的β，可以采用三极管的复合技术，复合后总β为它们的乘积。返回3、为了克服交越失真，将三极管工作在甲乙类状态，即：导通80单元测验1、互补对称功放电路的放大作用是

。正确错误B、对电压、电流均有放大作用A、只对电压有放大作用D、对电压、电流均无放大作用C、只对电流有放大作用错误错误单元测验1、互补对称功放电路的放大作用是812、在互补对称功率放大电路中，引起交越失真的原因是

。正确错误B、晶体管β值过大A、输入信号过大C、电源电压太高D、晶体管的非线性错误错误2、在互补对称功率放大电路中，引起交越失真的正确错误823、已知某典型OTL互补对称功放电路的电源电压为6V，功放管的饱和电压UCES=1V，负载电阻RL=8Ω，其最大输出功率Pom是

。正确错误D、Pom≈0.56WB