功率放大电路

9.1概述9.2甲类功率放大器9.4甲乙类功率放大器电路9.5甲乙类单电源功率放大器9.3乙类功率放大器例：扩音系统什么是功率放大电路？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。以输出较大功率为目的的放大电路称为功率放大电路9.1概述功率放大电压放大信号提取功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。为了获得大的输出功率，必须使输出信号电压大；输出信号电流大；放大电路的输出电阻与负载匹配。一、功放电路的特点和要求1、输出功率尽可能大在大功率三极管的输出特性中，除了与普通三极管一样分有放大区、饱和区、截止区外，从使用和安全角度还分有过电流区过电压区过损耗区它们的位置如图所示。过电流区是由最大允许集电极电流确定的，超过此值，β将明显下降。过电压区由c、e间的击穿电压U(BR)CEO所决定。过损耗区由集电极功耗PCM所决定。三极管的极限工作区2、非线性失真要小3、效率要高4、功放管散热和保护问题不可忽视5、分析方法oTV=PPP%100VoPP电源提供的直流功率功率负载上得到的交流信号::VoPP放大电路输出给负载的功率是由直流电源提供的，若效率不高，则能量浪费，管子温度升高，减短管子的寿命二、分类CCETIUP甲类功放：在一个信号周期内都有电流流过晶体管管子的导通角为360o静态电流大于0，管耗大，效率低乙类功放：管子只有半个周期内导通管子的导通角为180o静态电流等于0，效率高甲乙类功放：管子的导通时间大于半个周期但是小于一个周期，比半个周期稍多些丙类功放：管子导通时间小于半个周期9.2甲类功率放大器0CEQULCQCEQRIUCCVCEu可获得的最大交流功率为LRLCQomRIP22RL选择很重要，实际RL都偏小要得到合适RL，就需要进行阻抗匹配，变压器可实现。CESUCEQUouCEu直流电源提供的直流功率集电极电阻RC的功率损耗晶体管集电极耗散功率IuCEuLNNLRR221看的交流等效电阻向从变压器原边向负载方变压器耦合功率放大器CEu结论：输入信号越大,输出功率越大输出功率omomUIoooUIUIPomom2122CCCQomVIP21CEu电源提供的功率CQCCCmCQCCCCCVIVtdtIIVtdiVP)sin(21)(212020结论:有无信号时电源供给的功率都相同，因此输出功率小时，管耗大。无信号时:CQCCVIVP有信号时:效率CCCQomomCCCQomomVoVIUIVIUIPP221静态时管耗最大，即CQCCVTIVPPmax最高效率%50maxVomPP功放管的选择CCCQCMCCCEOBRCQCMVIPVUII22)(三极管的极限工作区CEu小结：1、输入信号越大，Po,越大。2、Po越小，管耗越大，静态管耗最大，等于电源供给功率。3、甲类功放最高效率为50%。4、要管子安全工作的重要参数是PCM、ICM和U(BR)CEO。5、效率低的主要原因是静态损耗大。甲类功率放大器存在的缺点：•输出功率小•静态功率大，效率低9.3乙类功率放大器一、电路组成+ui_+uo_C1C2RBRLRET+++VccRsus+-bce+uo_EBRBRLRET+Vccui+-bce+-ui+uo_RBRLT+Vccbce+-ui+uo_RBRLT+Vccbce结构特点:互补对称：电路中采用两个晶体管：NPN、PNP各一支；两管特性一致。组成互补对称式射极输出器。＋－uuＴ１Ｔ２VCCVCCoiLR互补推挽电路无输出电容乙类互补功率放大电路（OCL电路）(P168及486)二、工作原理（设ui为正弦波）ic1ic2静态时：ui=0Vic1、ic2均=0（乙类工作状态）uo=0V动态时：ui0VT1截止，T2导通ui0VT1导通，T2截止iL=ic1;iL=ic2T1、T2两个管子交替工作，在负载上得到完整的正弦波。＋－uuＴ１Ｔ２VCCVCCoiLR当输入信号处于正半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时NPN型三极管导电，有电流通过负载RL，按图中方向由上到下，与假设正方向相同。当输入信号为负半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时PNP型三极管导电，有电流通过负载RL，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。于是两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电，在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个完整的不失真波形。ui+-+VCC-VCCuo三、分析计算(P488)Icm2ic的最大变化范围为：uCE的最大变化范围为：cmI2LcmCESccRIUV2)(21、输出功率oooIUPLomomRUU22LomRU221LomomRUP221LCESCCRUV2)(21LCCRV221ui+-+VCC-VCCuo2、电源功率PV直流电源提供的功率为半个正弦波的平均功率，信号越大，电流越大，电源功率也越大。LomCCπ0LomCCπ0omCCCCCCVπ2)d(sinπ22)d(sinπ22=RUVttRUVttIVIVP即PV∝Uom。当Uom趋近VCC时，显然PV近似与电源电压的平方成比例。乙类互补功放电路的管耗L2omLomCCoVT22=RURUVPPP3．三极管的管耗PT电源输入的直流功率，有一部分通过三极管转换为输出功率，剩余的部分则消耗在三极管上，形成三极管的管耗。显然将PT画成曲线，如图所示。一个管子的管耗)(d)(π21=π0LooCCT1tRuuVP两管管耗)d(sin)sin(π21π0LomomCCtRtUtUV)4(12omomCCLUUVRT1T2=PP)4(22omomCCLUUVR＋－uuＴ１Ｔ２VCCVCCoiLR三极管的最大管耗)4(1)d(sin)sin(π21=2omomCCLomπ0omT1UUVRtRtUtUVPLCC0omL2CC22T1max2.022.0CESULCCPRVRVP问：Uom=？PT1最大,PT1max=？用PT1对Uom求导，并令导数=0，得出：PT1max发生在Uom=0.64VCC处。将Uom=0.64VCC代入PT1表达式：4、效率CComVo4=VUPP时，CComVU%78.54max最高效率max选功率管的原则：1、每只管子的最大允许管耗必须大于0.2倍的最大输出功率：2、CCCEOBRVU2)(L2CCom2RVP三极管的极限工作区3、LCCCMRVIomCMPP2.0即：CMomPP5小结:1、乙类功放两管轮流工作2、3、L2CCom2)(RUVPCESL2omo2RUPCCom4=VU%78.54maxui+-+VCC-VCCuo当IB=0时ui死区电压死区电压iL=0严格说，输入信号很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不导电。因此在正、负半周交替过零处会出现一些非线性失真，这个失真称为交越失真。乙类互补对称功放的缺点输入输出波形图uiuououo´交越失真死区电压＋－uuＴ１Ｔ２VCCVCCoiLRtuo交越失真uit存在交越失真消除交越失真的OCL电路静态时: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。1.基本原理9.4甲乙类功率放大器电路一.甲乙类双电源互补对称电路电路中增加R1、R2、D1、D2、R3支路uB1ttiBIBQ波形关系：ICQiCuBEiBib特点：存在较小的静态电流ICQ、IBQ。每管导通时间大于半个周期，基本不失真。iCQuceVCCIBQ利用uBE扩大电路进行偏置的互补对称电路22144RRRUUBECE42124CEBEURRRU二、复合管互补功率放大电路1、复合管(P123)IBIEIC1IC2IE1=IB221CCCIII2211BBII1211EBII11211)1(BBII12121)(BI121BI推动管输出管IC增加复合管的目的：扩大电流的驱动能力。12晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。复合NPN型复合PNP型cebCibieiT12TcbeibTTe1C2iibcebiTiCeibecieiiCTb复合管的特点•复合管的β是两个管β1、β2的乘积。•复合管的管型取决于推动管。•使用复合管时，要注意的问题是：输出管的输入电流应与推动管的输出电流一致。2.带复合管的OCL互补输出功放电路T1：电压推动级（前置级）T2、R1、R2：UBE扩大电路T3、T4、T5、T6：复合管构成互补对称功放输出级中的T4、T6均为NPN型晶体管，两者特性容易对称。合理选择R1、R2，b3、b5间可得到UBE2任意倍的电压。22122RRRUUBECE＋v－vLRＶＣＣT3TT65oＣＣＶT41T2Ti3RR12R9.5甲乙类单电源功率放大器一、单电源OTL互补功率放大电路(P485)它由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成。这种电路也称为OTL互补功率放大电路。（1）电路组成LRCCVCiuou（2）工作原理动态时，当输入信号处于正半周时，T1导通，T2截止，ie1流过负载，产生uo,同时对电容充电。当输入信号为负半周时，T1截止，T2导通，电容放电，产生电流ie2通过负载RL，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。UBUA静态时，UB=UA=VCC/2，T1、T2截止，即处于乙类工作状态，电容两端的电压为VCC/2于是两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电，在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个完整的不失真波形。和双电源供电的乙类功率放大器的计算公式的唯一区别是电源电压，只要将原公式中的CCV用2CCV取代即可。例题：在OTL和OCL电路中，VCC均为15V，RL=10Ω,UCES=1V，分别求两电路最大不失真输出时的最大输出功率、电源提供的功率、效率.解：在OTL电路中，最大不失真输出时最大输出功率为：电源提供的功率和效率为：WRUVPLCESCCOm2)2(212WRUVVPLCESCCCCV3)2(%67%100VOmPPLRCCViuouoiCLRCCViuouoiCCV在OCL电路中，最大不失真输出时最大输出功率为：WRUVPLCESCCOM8.9)(212电源提供的功率和效率为：WRUVVPLCESCCCCV4.13)(2%73%100VOmPP1、结构特点.单电源供电；.输出加有大电容。2、基本原理二、甲乙类单电源互补对称电路调整RW阻值的大小，可使CCP21VU此时电容上电压CCC21VU+uuTT1324TTC8RVCC1R2RRLR5R6WRUPiO（1）静态偏置（2）动态分析（电容起到了负电源的作用）ui负半周时，T1导通、T2截止；ui正半周时，T1截止、T2导通。+uuTT1324TTC8RVCC1R2RRLR5R6WRUPiO3、输出功率及效率LCCLooRVRVP8)2(22maxmax%5.78max2maxCCoVV+uuTT1324TTC8RVCC1R2RRLR5R6WRUPiOvo若忽略交越失真的影响。则：例题:如图所示电路中,已知Vcc=15V,输入电压为正弦波,晶体管的饱和管压降VCES=3V,电压放大倍数约为1,负载电阻RL=4。（1）求负载上可能获得的最大功率和效率；（2）若输入电压最大有效值为8V，则负载上能够获得的最大功率为多少？iuou解：LomomRUP221LcemRU