模拟电子技术项目 课件 项目5、6 功率放大电路及其应用、信号的产生和波形变换

模拟电子技术项目五-功率放大电路及其应用目录学习重点学习难点功率放大器的分类与工作状态OCL与OTL电路的结构与原理典型集成功率放大器的应用功放管的安全使用方式交越失真的产生机理与消除OCL与OTL电路的性能指标区别集成功率放大器的外围电路设计目录任务一：识别和检测集成功率放大器目录知识目标技能目标掌握功率放大器的基础理论理解互补对称功率放大电路（OCL/OTL）具备功率放大器的参数估算能力具备功放管的安全使用与散热设计能力思政目标培养从“跟跑”到“领跑”的技术自信培养系统优化与全局观念任务一-识别和检测集成功率放大器电子设备中的放大器一般由前置放大器和功率放大器组成，如图所示。前置放大器的主要任务是不失真地提高输入信号的电压或电流的幅值;功率放大器的任务是在允许的信号失真范围内，输出尽可能大的信号功率，即不仅要输出大的信号电压，还要输出大的信号电流，以满足负载正常工作的要求。任务一-识别和检测集成功率放大器电子设备中的放大器一般由前置放大器和功率放大器组成，如图所示。前置放大器的主要任务是不失真地提高输入信号的电压或电流的幅值;功率放大器的任务是在允许的信号失真范围内，输出尽可能大的信号功率，即不仅要输出大的信号电压，还要输出大的信号电流，以满足负载正常工作的要求。任务一-识别和检测集成功率放大器芯火不灭，自主创新以西安电子科技大学宽禁带半导体团队为典型案例，讲述科研人员如何扎根基础研究，二十年磨一剑，在氮化镓功率放大器领域实现从“跟跑”到“并跑”乃至“领跑”的科技自立自强之路。任务一-识别和检测集成功率放大器二十年磨一剑-学习电子科技大学宽禁带半导体团队的精神团队简介以马晓华教授、郝跃院士等为核心，一支矢志报国、结构合理的科研队伍，围绕国家重大需求，在宽禁带半导体材料与器件领域深耕二十余载。01关键技术聚焦氮化镓（GaN）这一第三代半导体材料，成功突破高能效、超宽带功率放大器的核心技术，解决了高效率与宽带宽兼顾的国际难题。02辉煌成就其牵头项目荣获2023年度国家科学技术进步奖一等奖，标志着我国在该项关键技术上已处于国际领先地位，实现了自主可控。03任务一-识别和检测集成功率放大器2.功率放大器的主要技术指标(1)输出功率(2)效率(3)管耗(4)非线性失真在功率放大器中,三极管的工作点如在大范围内变动,则输出波形的非线性失真比小信号放大器要严重得多。在实际功率放大器中,应根据负载的要求来规定允许的信号失真范围。任务一-识别和检测集成功率放大器功放管担任功率放大任务的晶体管称为功率放大管,简称功放管,一般为三极管。近些年来随着场效应管制造工艺的提高，许多功放管已经被场效应管所取代，其优势在于不需要太大的驱动功率。在实际电路中，功放管都工作在接近于其参数的极限状态，选择时要注意留有一定的裕度功放管使用的注意事项1.功放管的散热问题2.功放管的安全使用问题（在伏安特性的安全区内）某功放管的最大输出功率和环境温度的关系(Pom-Ta)曲线任务一-识别和检测集成功率放大器复合管复合管是由2个或2个以上的三极管按照一定的连接方式组成的等效三极管。复合管的类型与组成复合管的第一个三极管的类型相同。在连接合理的条件下，若第一个三极管的类型为PNP型，则复合管的类型也为PNP型;若第一个三极管的类型为NPN型，则复合管的类型也为NPN型。任务一-识别和检测集成功率放大器复合管的作用(1)减小信号源提供的电流(2)实现异型管的配对任务一-识别和检测集成功率放大器功率放大器的类型和特点功率放大器按照功放管静态工作点的不同，可分为甲类、乙类和甲乙类，在高频功放中还有丙类和丁类。甲类功放的三极管的静态工作点在放大区的中间，所以在输人信号的整个周期内，管子中都有电流流过。电压放大电路信号比较小，实际上都工作在甲类功放状态。乙类功放的三极管的静态工作点在放大区与截止区的分界线上，在输入信号的一个周期内，管子只在半个周期内有电流流过。显然，乙类功率放大器需要两个管子分别对信号的正、负半周期进行放大，才能完成信号的放大。甲乙类功放的三极管的静态工作点在靠近截止区的放大区内，在输人信号的一个周期内，管子有多半个周期内有电流流过。显然，甲乙类功率放大器也需要两个管子才能完成信号的放大。任务一-识别和检测集成功率放大器功率放大器的类型和特点这三种功放的三极管集电极电流波形如图所示。甲类功率放大器的优点是失真小，缺点是管耗大，效率低，它主要用于小功率放大器中。乙类和甲乙类功率放大器的优点是管耗小，放大电路效率高，故在功率放大器中得到了广泛应用。在实际电路中，均采用两管轮流导通的推挽电路来减小失真和增大输出功率。按输出信号与负载的耦合方式，功率放大器可分为变压器耦合功率放大器、OCL互补对称功率放大器、OTL互补对称功率放大器和BTL功率放大器等。任务一-识别和检测集成功率放大器变压器耦合功率放大器功率放大器采用变压器耦合方式的主要优点是便于实现阻抗匹配，有利于信号的最大传输。但变压器体积庞大，比较笨重，消耗有色金属，且其低频和高频特性不好，在引人负反馈时还易产生自激振荡，因此除了对频率特性要求不高的电路外，现已很少采用这种功率放大器任务一-识别和检测集成功率放大器OCL互补对称功率放大器为OCL乙类互补对称功率放大器,它采用双电源供电,VT1、VT2为两个特性相同的异型三极管任务一-识别和检测集成功率放大器OCL互补对称功率放大器为OCL乙类互补对称功率放大器,它采用双电源供电,VT1、VT2为两个特性相同的异型三极管任务一-识别和检测集成功率放大器功放管的选择

OTL电路与OCL电路性能指标估算结果的比较

性能指标

OCL功放电路

OTL功放电路0.2Pom

0.2Pom

78.5%78.5%最大输出电压（Uomm）最大输出功率（Pom）电源供给功率（PDC）单管管耗（PC1m）最大理论效率（η）对功率管要求任务一-识别和检测集成功率放大器信号的交越失真在乙类功率放大器中，当输人电压u;的幅值小于三极管输人特性曲线上的死区电压时，VT、VT，均不能导通，故输出信号的波形在过零点附近的一个区域内将出现明显的失真，这种失真称为交越失真，其波形如图所示。任务一-识别和检测集成功率放大器OTL互补对称功率放大器电路特点OTL互补对称功率放大器与变压器耦合功率放大器及OCL互补对称功率放大器相比，其主要特点如下:(1)没有输出变压器。(2)只用一路直流电源Vcc(3)用电容C代替负电源任务一-识别和检测集成功率放大器OCL功放与OTL功放性能指标估算结果的比较任务一-识别和检测集成功率放大器采用复合管的功率放大器由于组成复合管的大功放管是同种类型的管子，但组成的复合管是两种类型，因此由复合管组成的功率放大器又称为准互补对称功率放大器，它解决了两种不同类型的大功放管不好配对的问题。任务一-识别和检测集成功率放大器集成功率放大器及其应用-LM386LM386是目前应用较广的一种小功率通用型集成功率放大器，其特点是电源电压范围宽(4~16V),功耗低(常温下660mW),频带宽(300kHz),电路外接元件少,应用时不必加散热片。LM386广泛应用于收音机、对讲机、双电源转换、方波和正弦波发生器等任务一-识别和检测集成功率放大器集成功率放大器及其应用-TDA2616QTDA2616Q是Philips公司生产的具有静噪功能的12W双声道高保真功率放大器，主要用于对音频信号的放大，多用在立体声录音机中。任务一-识别和检测集成功率放大器集成功率放大器及其应用-“傻瓜”型集成功放近年来市场上出现了一种“傻瓜"型集成功放，这是一种功能电路模块，其内部电路与OTL或OCL功放大体相同。任务一-识别和检测集成功率放大器集成功率放大器及其应用-“傻瓜”型集成功放近年来市场上出现了一种“傻瓜"型集成功放，这是一种功能电路模块，其内部电路与OTL或OCL功放大体相同。“傻瓜175”的典型应用AMP175的外形任务一-识别和检测集成功率放大器BTL功率放大器BTL功率放大器是在OCL、OTL功率放大器的基础上发展起来的，它可以在电源电压较低的情况下输出较大的功率。任务一-识别和检测集成功率放大器集成功放-LM1875BTL功率放大器一般都由集成功放构成。LM1875适合用在音频放大、伺服放大、测试系统中的功率放大场合，其外围电路元件少,最大不失真功率达30W.最大输出电流为4A。用单、双电源均能工作，电路内还自备过载、过热及抑制反电动势的安全保护电路(用于感性负载时)。任务一-识别和检测集成功率放大器集成功放-LM1875BTL功率放大器一般都由集成功放构成。LM1875适合用在音频放大、伺服放大、测试系统中的功率放大场合，其外围电路元件少,最大不失真功率达30W.最大输出电流为4A。用单、双电源均能工作，电路内还自备过载、过热及抑制反电动势的安全保护电路(用于感性负载时)。任务一-识别和检测集成功率放大器集成功放-LM1875由LM1875构成的BTL功率放大器如图所示。该功放是由两个LM1875接成的OCL功放构成的。BTL功放的最大不失真输出功率可达100W。如果用激光唱碟(CD)作为声源，需要在声源和功率放大级之间串联一个增益为20dB的前级放大器。用LM1875构成功率放大器时，必须加装散热片。在实际使用时，因为LM1875的3脚与散热器是相通的，所以在电路采用正、负双电源供电时，散热器不能接地，应处于悬浮状态。为保证电路工作的稳定性，正、负双电源应采用直流稳压电源。谢谢观看THANKS主讲人：模拟电子技术项目六-信号的产生和波形变换目录学习重点学习难点正弦波振荡器的两大平衡条件三类主要正弦波振荡器的特点与应用非正弦波信号发生电路常用集成电路的应用（555定时器、锁相环PLL)抽象概念的理解(起振过程的动态分析电路分析与判断非正弦波电路的周期计算等参数计算目录任务一：制作正弦波信号发生器目录知识目标技能目标掌握振荡器基本原理认识常用集成器件根据实际需求选择不同型号的信号发生电路根据元件参数估算震荡周期思政目标培养一丝不苟的工程素养和科学精神理解“没有最好，只有最合适”的工程哲学任务一-制作正弦波信号发生器正弦波振荡器的概念正弦波信号发生器是最基本的电子仪器之一,是测量各种放大器性能的信号源。制作正弦波信号发生器有很大的实用价值。任务一-制作正弦波信号发生器正弦波振荡器的概念正弦波信号发生器是最基本的电子仪器之一,是测量各种放大器性能的信号源。制作正弦波信号发生器有很大的实用价值。幅度平衡条件：

相位平衡条件:

以上就是振荡器工作的两个基本条件。为了获得某一指定频率f。的正弦波，可在放大电路或反馈网络中加入具有选频特性的网络，使只有某一选定频率f。的信号满足振荡条件，而使其他频率的信号不满足振荡条件。任务一-制作正弦波信号发生器振荡器的组成部分根据振荡器对起振、稳幅和振荡频率的要求,振荡器由以下几部分组成：(1)放大电路

它具有放大信号的作用，并将电源的直流电转换成振荡信号的交流电。(2)反馈网络

它形成正反馈，满足振荡器的相位平衡条件。(3)选频网络

在正弦波振荡器中，它的作用是选择某一频率f。，使其满足振荡条件，形成单一频率的振荡(4)稳幅电路

用于稳定振荡器输出信号的振幅，改善波形。任务一-制作正弦波信号发生器振荡器的分析振荡器的分析包括判断振荡器能否产生振荡、振荡频率是多少等。(1)检查振荡器是否具备放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅电路，特别是要检查前3项是否具备。(2)检查放大电路的静态工作点是否合适，是否满足放大条件。(3)判断振荡器能否振荡。5.正弦波振荡器的分类为了保证振荡器产生单一频率的正弦波，电路中必须包含选频网络，根据选频网络组成的元件不同，可将正弦波振荡器分为RC正弦波振荡器、LC正弦波振荡器和石英晶体正弦波振荡器任务一-制作正弦波信号发生器RC正弦波振荡器如图所示为RC正弦波振荡器的一种,称为文氏桥正弦波振荡器。文氏桥正弦波振荡器RC串并联网络任务一-制作正弦波信号发生器RC正弦波振荡器RC串并联网络的频率特性RC串并联低频等效电路和幅相特性RC串并联高频等效电路和幅相特性任务一-制作正弦波信号发生器RC正弦波振荡器RC串并联网络的频率特性RC串并联低频等效电路和幅相特性RC串并联高频等效电路和幅相特性任务一-制作正弦波信号发生器RC正弦波振荡器图a为RC串并联网络的幅频特性,图b为RC串并联网络的相频特性。RC串并联网络在输入信号的频率等于如下公式时，网络的反馈系数F最大任务一-制作正弦波信号发生器(1)放大器必须是一个同相放大器（满足条件）(2)文氏桥正弦波振荡器的振荡频率(3)文氏桥正弦波振荡器的起振条件文氏桥正弦波振荡器任务一-制作正弦波信号发生器(4)常用的稳幅措施文氏桥正弦波振荡器的特点是电路简单,容易起振,但调节频率不太方便,振荡频率不高,一般适用于f0<1MHz的场合。任务一-制作正弦波信号发生器LC正弦波振荡器文氏桥正弦波振荡器的特点是电路简单,容易起振,但调节频率不太方便,振荡频率不高,一般适用于f0<1MHz的场合。任务一-制作正弦波信号发生器LC正弦波振荡器LC正弦波振荡器采用LC并联电路作为选频网络。它主要用来产生高频正弦波信号，振荡频率通常在0.5MHz以上。按电路中反馈网络的形式不同，LC正弦波振荡器可分为变压器反馈式、电感三点式和电容三点式等。谐振时，电压U。与电流I。同相，电路呈纯电阻性。任务一-制作正弦波信号发生器选频特性谐振网络的品质因数Q越大，幅频特性越尖锐，相频特性变化越急剧，选频效果越好。在L和C大小不变的情况下，R越小，回路谐振时的能量损耗越小。一般Q取值为几十至几百。任务一-制作正弦波信号发生器变压器反馈式LC正弦波振荡器变压器反馈式LC正弦波振荡器很容易起振，若用可变电容代替固定电容C，则可方便地调节频率，但缺点是振荡频率不高，通常为几兆赫兹至十几兆赫兹。任务一-制作正弦波信号发生器电感三点式LC正弦波振荡器电感三点式LC正弦波振荡器电路简单，容易起振，调频方便，只要将电容C换成可变电容，就可以方便地进行频率的连续调节。但因为反馈信号取自电感，而电感对高次谐波呈现高阻抗，所以高次谐波的正反馈比基波强，输出波形中含有较多的高次谐波成分，输出波形较差。电感三点式LC正弦波振荡器常用于对波形要求不高的设备中，其振荡频率通常为几赫兹到几十兆赫兹。振荡频率任务一-制作正弦波信号发生器电容三点式LC正弦波振荡器电容三点式LC正弦波振荡器又称为考毕兹电路.由于电路的反馈电压取自电容两端，而电容对高次谐波的容抗较小，因此电路对高次谐波的正反馈比基波弱，使得输出信号波形中的高次谐波成分少，波形较好。电路的振荡频率较高，可达100MHz以上，该类型振荡器的缺点是频率调节不太方便，常用切换电感的方法来改变频率，不能实现频率的连续调节。若要实现频率的连续调节，可在电感两端并联一个可变电容，从而在小范围内进行频率调节。振荡频率任务一-制作正弦波信号发生器石英晶体正弦波振荡器-石英晶体的特性石英晶体谐振器是从一块石英晶体上按一定的方位角切下一个薄片(称为晶体片)，然后在晶体片的两个表面上镀银并引出两个电极，再加上外壳封装而成。其外形、结构和图形符号如图所示。如果在石英晶体片上加一个交变电压，晶体片就会产生与该交变电压频率相同的机械振动，而晶体片的机械振动又会在其两个电极之间产生一个交变电场，这种现象称为石英晶体的压电效应。任务一-制作正弦波信号发生器石英晶体的等效电路C。表示金属极板之间的电容，约为儿皮法到几十皮法。晶体片振动时的电感和电容分别用L和C来等效，一般L很大，为1X10-3~1X10-2H;C很小,约1X10-4~1X10-1pF。晶片振动时的摩擦损耗用R来等效，约为几欧姆到几百欧姆。石英晶振的回路品质因数Q很大，可达1X104~1X106，这使得由石英晶体构成的振荡器的振荡频率非常稳定.当fs<f<fp。时，石英晶体呈感性;在其他频率范围内，石英晶体均呈容性。任务一-制作正弦波信号发生器石英晶体正弦波振荡器形式并联型石英晶体正弦波振荡器串联型石英晶体正弦波振荡器任务一-制作正弦波信号发生器石英晶体正弦波振荡器形式实用的石英晶体正弦波振荡器(皮尔斯振荡器)任务一-制作正弦波信号发生器非正弦波信号发生电路-方波信号发生器任务一-制作正弦波信号发生器非正弦波信号发生电路-方波信号发生器任务一-制作正弦波信号发生器非正弦波信号发生电路-三角波信号发生器任务一-制作正弦波信号发生器非正弦波信号发生电路-三角波信号发生器任务一-制作正弦波信号发生器非正弦波信号发生电路-三角波信号发生器在实际应用中，一般先调节R1R2使三角波的幅值满足要求，再调节R，和C来调节方波和三角波的周期。震荡周期任务一-制作正弦波信号发生器非正弦波信号发生电路-锯齿波信号发生器在实际应用中，一般先调节R1R2使三角波的幅值满足要求，再调节R，和C来调节方波和三角波的周期。震荡周期任务一-制作正弦波信号发生器非正弦波信号发生电路-锯齿波信号发生器在实际应用中，一般先调节R1R2使三角波的幅值满足要求，再调节R，和C来调节方波和三角波的周期。震荡周期任务一-制作正弦波信号发生器非正弦波信号发生电路-锯齿波信号发生器如果三角波是不对称的，即上升时间不等于下降时间，则输出波形成为锯齿波任务一-制作正弦波信号发生器集成时基电路555集成时基电路555是美国Signetics公司于1972年研制推出的集成电路，起初的设计意图是用其代替体积大、定时精度差的机械式延时器。产品投放市场后，其应用远远超出了预期的应用范围，现已发展到电子技术应用的各个领域，成为最受欢迎的集成电路产品之一。任务一-制作正弦波信号发生器集成时基电路555集成时基电路555是一种数字电路与模拟电路混合型的中规模集成电路，其应用十分广泛，可以组成多种波形发生器、定时延时电路、双稳触发电路、报警电路、检测电路和频率变换电路等。任务一-制作正弦波信号发生器集成时基电路555的实际应用-多谐振荡器集成时基电路555是一种数字电路与模拟电路混合型的中规模集成电路，其应用十分广泛，可以组成多种波形发生器、定时延时电路、双稳触发电路、报警电路、检测电路和频率变换电路等。振荡周期任务一-制作正弦波信号发生器集成时基电路555的实际应用-单稳触发器可见输入一窄触发脉冲信号，可得到一宽的矩形脉冲信号，通过改变R、C的大小，可使延时时间在几微秒到几十分钟之间变化，因此单稳态触发器可作为延时器使用。暂稳态的持续时间为任务一-制作正弦波信号发生器集成时基电路555的实际应用-双稳态触发器由集成时基电路555组成的双稳态触发器又称为施密特触发器，其电路、波形和传输特性如图所示任务一-制作正弦波信号发生器5G8038多种函数信号发生集成电路5G8038多种函数信号发生集成电路是集方波、三角波、锯齿波、矩形波及正弦波多种信号波形的产生于一体的集成电路，5G是上海长江无线电元件五厂的产品代号。其外围电路元件很少，使用方便灵活。任务一-制作正弦波信号发生器5G8038多种函数信号发生集成电路5G8038多种函数信号发生集成电路是集方波、三角波、锯齿波、矩形波及正弦波多种信号波形的产生于一体的集成电路，5G是上海长江无线电元件五厂的产品代号。其外围电路元件很少，使用方便灵活。任务一-制作正弦波信号发生器5G8038多种函数信号发生集成电路的应用如图所示为5G8038多种函数信号发生集成电路接成输出方波、三角波和正弦波信号的电路。将5G8038多种函数信号发生集成电路的8脚接在7脚上，电路输出波形的频率为任务一-制作正弦波信号发生器5G8038多种函数信号发生集成电路的应用5G8038的引出端使用灵活，通过不同的外接电路可以实现多种函数信号的发生器，如调频信号发生器、扫频信号发生器、线性