第9章集成运放及应用

第九章功率放大电路第九章功率放大电路第九章功率放大器§9.1概述§9.2互补对称功率放大电路§9.3实际功放电路§9.4集成功率放大器§9.5变压器耦合式功放电路例1：扩音系统功率放大器的作用：用作放大电路的输出级，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。§9.1概述功率放大电压放大信号提取例2：温度控制R1-R3:标准电阻Ua:基准电压Rt:热敏电阻A：电压放大器RtTUOT温度调节过程UbUO1R1aR2uoUsc+R3Rt功放b温控室A+-uo1加热元件分析功放电路应注意的问题(1)功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值:ICM、UCEM、PCM。ICMPCMUCEMIcuce(2)电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。(3)电源提供的能量尽可能转换给负载，减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（）。Pomax:负载上得到的交流信号功率。PE：电源提供的直流功率。%100maxEoPP不合适，因为效率太低。uotuo射极输出器输出电阻低，带负载能力强，可以用做功率放大器吗问题讨论:ibRbuoUSCuiRE估算射极输出器的效率：QicuceUSCESCRU(设RL=RE)为使输出信号的幅值尽可能大(要保证不失真)，静态工作点（Q）设置较高（靠近负载线的中部）。若忽略晶体管的饱和压降和截止区，输出信号uo的峰值最大只能为：uo的取值范围QIcuCEUSCESCRU直流负载线交流负载线UCEQ=0.5USC静态工作点：LSCESCCQRURUI5.05.0SComUU5.0maxTCSCEdtiUTP01LSCLSCLomORURURUP825.02222maxmax%25maxmaxEOPP放大电路的输出没有失真的工作方式称为甲类放大。)sin(tIIiIicmCQcCQCLSCCQSCTCSCTCSCERUIUdtiTUdtiUTP212001.直流电源输出的功率2.最大负载功率3.最大效率(RL=RE时)如何解决效率低的问题？办法：降低Q点。既降低Q点又不会引起截止失真的办法：采用推挽输出电路，或互补对称射极输出器。缺点：但又会引起截止失真。§9.2互补对称功率放大电路互补对称功放的类型无输出变压器形式（OTL电路）无输出电容形式（OCL电路）OTL:OutputTransformerLessOCL:OutputCapacitorLess互补对称：电路中采用两支晶体管，NPN、PNP各一支；两管特性一致。类型：9.2.1无输出电容的互补对称功放电路一、工作原理（设ui为正弦波）电路的结构特点：ui-USCT1T2uo+USCRLiL1.由NPN型、PNP型三极管构成两个对称的射极输出器对接而成。2.双电源供电。3.输入输出端不加隔直电容。ic1ic2动态分析：ui0VT1截止，T2导通ui0VT1导通，T2截止iL=ic1;ui-USCT1T2uo+USCRLiLiL=ic2T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方式，称为乙类放大。因此，不需要隔直电容。静态分析：ui=0VT1、T2均不工作uo=0V乙类放大的输入输出波形关系:ui-USCT1T2uo+USCRLiL交越失真死区电压uiuouou´o´tttt交越失真：输入信号ui在过零前后，输出信号出现的失真便为交越失真。ui-USCT1T2uo+USCRLiL(1)静态电流ICQ、IBQ等于零；(2)每管导通时间等于半个周期；(3)存在交越失真。乙类放大的特点：二、最大输出功率及效率的计算假设ui为正弦波且幅度足够大，T1、T2导通时均能饱和，此时输出达到最大值。ULmax负载上得到的最大功率为：iL-USCRLuiT1T2UL+USC若忽略晶体管的饱和压降，则负载（RL)上的电压和电流的最大幅值分别为：LSCLSCSCoRURUUP21222maxLSCLmSCLmRUIUUaxax电源提供的直流平均功率计算：每个电源中的电流为半个正弦波，其平均值为:两个电源提供的总功率为：USC1=USC2=USC01)(sin21LSCLSCavRUttdRUILSCavavRUII12LSCLSCSCEEERURUUPPP22122tic1LSCRU%5.7842222maxLSCLSCEoRURUPP效率为：LSCLSCSCEEERURUUPPP22122LSCLSCSCoRURUUP21222max三、电路的改进1.克服交越失真交越失真产生的原因：在于晶体管特性存在非线性，uiuT时晶体管截止。iBiBuBEtuitUT克服交越失真的措施：电路中增加R1、D1、D2、R2支路。R1D1D2R2+USC-USCULuiiLRLT1T2静态时:T1、T2两管发射结电位分别为二极管D1、D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态；两管导通时间均比半个周期大一些的工作方式称为“甲乙类放大”。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。uB1tUTtiBIBQ甲乙类放大的波形关系：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。iCQuceUSC/REUSCIBQ为更好地和T1、T2两发射结电位配合，克服交越失真电路中的D1、D2两二极管可以用UBE电压倍增电路替代。2.UBE电压倍增电路B1B2+-BER1R2UIBI合理选择R1、R2大小，B1、B2间便可得到UBE任意倍数的电压。图中B1、B2分别接T1、T2的基极。假设IIB，则221RRRUUBE3.电路中增加复合管增加复合管的目的是：扩大电流的驱动能力。复合管的构成方式：cbeT1T2ibicbecibic方式一：bcccbcbebbciiiiiiiiiii)1(,,)1(,1212122211211becibic12晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。方式二：cbeT1T2ibic复合管构成方式很多。不论哪种等效方式，等效后晶体管的性能确定均如下：改进后的OCL准互补输出功放电路：T1：电压推动级T1、R1、R2：UBE倍增电路T3、T4、T5、T6：复合管构成的输出级准互补输出级中的T4、T6均为NPN型晶体管，两者特性容易对称。+USC-USCR1R2RLuiT1T2T3T4T5T6-UEE+UCCERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第4级：互补对称射极跟随器差动放大器第2级第1级：差动放大器第3级：单管放大器集成运放内部的功率放大器9.2.2无输出变压器的互补对称功放电路一、特点1.单电源供电；2.输出加有大电容。二、静态分析则T1、T2特性对称，,2SCAUU2SCCUU2SCiUu令：0.5USCRLuiT1T2+USCCAUL+-UC三、动态分析设输入端在0.5USC直流电平基础上加入正弦信号。若输出电容足够大，UC基本保持在0.5USC，负载上得到的交流信号正负半周对称，但存在交越失真。ic1ic2交越失真RLuiT1T2+USCCAUL+-时，T1导通、T2截止；2SCiUu时，2SCiUuT1截止、T2导通。0.5USCuit四、输出功率及效率若忽略交越失真的影响，且ui幅度足够大。则：LSCavSCERUIUP22)(sin2210ttdRUILSCav%5.784maxELPPuLULmaxui2SCUttLSCLmSCLmRUIUU22axax、LSCLmLmLRUIUP8222axaxmax×实用OTL互补输出功放电路调节R,使静态UAQ=0.5USCD1、D2使b1和b2之间的电位差等于2个二极管正向压降，克服交越失真。Re1、Re2：电阻值1~2，射极负反馈电阻，也起限流保护作用。D1D2ui+USCRLT1T2T3CRBRe1Re2b1b2A§9.3实际功放电路这里介绍一个实用的OCL准互补功放电路。其中主要环节有：(1)恒流源式差动放大输入级（T1、T2、T3）；(2)偏置电路（R1、D1、D2）；(3)恒流源负载（T5）；(4)OCL准互补功放输出级（T7、T8、T9、T10）；(5)负反馈电路（Rf、C1、Rb2构成交流电压串联负反馈）；(6)共射放大级（T4）；(7)校正环节（C5、R4）；(8)UBE倍增电路（T6、R2、R3）；(9)调整输出级工作点元件（Re7、Rc8、Re9、Re10）。+24VuiRLT7T8RC8-24VR2R3T6Rc1T1T2Rb1Rb2C1RfR1D1D2T3Re3T4Re4C2T5Re5C3C4T9T10Re10Re7Re9C5R4BX差动放大级反馈级偏置电路共射放大级UBE倍增电路恒流源负载准互补功放级保险管负载实用的OCL准互补功放电路：输出功率的估算：输出电压的最大值约为19.7V，设负载RL=8则最大输出功率为：实际输出功率约为20W。W3.248127.192maxP§9.4集成功率放大器特点：工作可靠、使用方便。只需在器件外部适当连线，即可向负载提供一定的功率。集成功放LM384：生产厂家：美国半导体器件公司电路形式：OTL输出功率：8负载上可得到5W功率电源电压：最大为28V集成功放LM384管脚说明:14--电源端（Vcc）3、4、5、7--接地端（GND）10、11、12--接地端（GND）2、6--输入端（一般2脚接地）8--输出端（经500电容接负载）1--接旁路电容（5）9、13--空脚（NC）集成功放LM384外部电路典型接法：500-+0.12.78146215Vccui8调节音量电源滤波电容外接旁路电容低通滤波,去除高频噪声输入信号输出耦合大电容利用变压器的阻抗变换功能，可实现功放电路和负载间的匹配，以弥补其它类型功放电路的不足。一、特点例：OCL电路中，若RL=80、需要输出功率PO=50W。根据公式LSCoRUP22max得电源电压：V9025080SCU90V的电压对电子电路显然不合适。利用变压器阻抗变换关系(RL´=K2RL)，把阻抗变小，便可解决以上问题。§9.5变压器耦合式功放电路（变阻抗）1i1u2u2iLR1N2N变压器原、副边阻抗关系LLRKR222IURL从原边等效：22222211KRKIUKIKUIURLL结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以变比的平方。二、乙类变压器耦合式推挽功率放大器1.原理电路uiT2T1RL+-USCiLN2N1N1放大器：由两个共射极放大器组成，两个三极管的射极接在一起。输入变压器：将输入信号分成两个大小相等相位相反的信号，分别送两个放大器的基极，使T1、T2轮流导通。输出变压器：将两个集电极输出信号合为一个信号，耦合到副边输出给负载。uiT2T1RL+-USCiLN2N1N1uiT2T1RL+-USCiLN2N1N12.动、静态分析静态分析：ui=0，T1、T2均截止，iL=0。变压器线圈对于直流相当于短路。uiT2T1RL+-USCiLN2N1N1动态分析：•ui0时：T1导通、T2截止，ic1经变压器耦合给负载，iL的方向由ic1决定。•若ui为正弦信号，则iL近似为正弦波。•ui0时：T2导通、T1截止，ic2经变压器耦合给负载，iL的方向由ic2决定。ic2ic1T1、T2都只在半个周期内工作，存在交越失真。3.输出功率及效率分析方法和前述互补对称功放电路类似，请自行分析。这里的负载为变压器原边等效负载RL'。uiT2T1RL+-USCiLN2N1N1LLRNN'R221三、甲