第二节 互补对称式功率放大电路

1第二节互补对称式功率放大电路电路的组成和工作原理互补对称电路主要参数的估算下页总目录2补充知识：功率放大电路的工作方式根据晶体管静态工作点的位置不同，放大电路可分为三种工作方式。•⑴甲类工作方式：•Q点设置在负载线的中点，在输入信号的正负半周，晶体管都在工作，管子的导通角为360°，输出波形失真小，但静态管子功耗大，效率低。•⑵乙类工作方式：•Q点在负载线的最低点，由于静态时电流为零，无功耗，效率最高。但此时放大电路只在输入信号的正半周工作，负半周时晶体管截止，管子的导通角为180°，输出波形出现严重的失真。•⑶甲乙类工作方式：•Q点略高于乙类时，静态电流很小，静态消耗约为零，效率也很高。晶体的导通时间大于半个周期，管子的导通角大于180°，此时输出波形仍失真严重。3晶体管的三种工作状态：iCiCiCiCiCuCEuCEuCEωtωtωt甲类乙类甲乙类iC●●QQQ●上页返回甲类工作状态晶体管在输入信号的整个周期都导通静态IC较大，波形好,管耗大效率低。乙类工作状态晶体管只在输入信号的半个周期内导通，静态IC=0，波形严重失真,管耗小效率高。甲乙类工作状态晶体管导通的时间大于半个周期，静态IC0，一般功放常采用。4甲类方式•如射极输出器RbuoUSCuiibRE射极输出器的输出电阻低，带负载能力强，但做功放不适合。因为它的效率太低5变压器耦合推挽功率放大电路输入变压器：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。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，–+++––USCT1T2RLiLuiReRb2Rb16直流通道USCT1T2RLiLuiReRb2Rb1USCT1T2ReRb2Rb1变压器线圈对于直流相当于短路对于任何一个三极管都是静态工作点稳定的共射极放大器USCT1ReRb2Rb1两个三极管的静态工作点都设在刚刚超过死区,IB很小,IC也很小,降低直流功耗。Q7交流通道ib1ui0ui0ib2uiT2T1RLRe–++–+–+–++––ic1++––+–ic2+–输入信号正半周，T1导通，T2截止输入信号负半周，T2导通，T1截止USCT1T2RLiLuiReRb2Rb18另外一种：乙类推挽电路信号的正半周T1导通、T2截止；负半周T2导通、T1截止。两只管子交替工作，称为“推挽”。设β为常量，则负载上可获得正弦波。输入信号越大，电源提供的功率也越大。92.OTL电路＋2CCEBIVUUu静态时，输入电压的正半周：＋VCC→T1→C→RL→地C充电。输入电压的负半周：C的“＋”→T2→地→RL→C“－”C放电。C足够大，才能认为其对交流信号相当于短路。OTL电路低频特性差。2)2(CESCComUVU因变压器耦合功放笨重、自身损耗大，故选用OTL电路。113.OCL电路输入电压的正半周：＋VCC→T1→RL→地输入电压的负半周：地→RL→T2→－VCC两只管子交替导通，两路电源交替供电，双向跟随。2CESCComUVU＋静态时，UEQ＝UBQ＝0。12几种电路的比较变压器耦合乙类推挽：单电源供电，笨重，效率低，低频特性差。OTL电路：单电源供电，低频特性差。OCL电路：双电源供电，效率高，低频特性好。13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：互补对称功率放大电路14无输出变压器的互补对称功放电路（OTL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+-UC15三、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。0.5USCuit16四、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：LSCLSCLRUIUU22maxmax、LSCLLLRUIUP8222maxmaxmaxLSCavSCERUIUPπ22)(dsin21π0ttRUILSCav%5.784πmaxELPPuLULmaxui2SCUtt17一、电路组成和工作原理1.OTL乙类互补对称电路R1和R2确定放大电路的静态电位。2VCC调整R1和R2的值，使静态时两管的发射极电位为2VCC电容C2两端的电压也等于动态时电容两端的电压保持0.5VCC的数值基本不变。R2+R1+VCCC2-VT1NPNuIuOVT2PNPRLOTL乙类互补对称电路C1+下页上页首页18otic1otic2otiLotuI交越失真iC1iC2iLuI0时VT1导通VT2截止。uI0时VT2导通VT1截止。iL=iC1–iC2下页上页R2+R1+VCCC2-VT1NPNuIuOVT2PNPRLC1+首页动画19克服交越失真的措施：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。电路中增加R1、D1、D2、R2支路。20R1D1D2R2+USC-USCULuiiLRLT1T2两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基极电位进一步提高，进入良好的导通状态。从而克服死区电压的影响，去掉交越失真。21R2R1uI++VCCC1-VT1NPNuOVT2PNP2VCCRLVD1VD2b1b2R+2.OTL甲乙类互补对称电路iC1iC2iLiB1iB2R、VD1和VD2为两管提供了静态基极电流IB1和IB2避免了uI较小时两管同时截止减小了交越失真。iC1和iC2不为零，静态时为零下页上页首页22OtiC1OtiC2OtiLOTL甲乙类互补对称电路的波形图OtuI下页上页R2R1uI++VCCC1-VT1NPNuOVT2PNP2VCCRLVD1VD2b1b2R+iC1iC2iL首页仿真23无输出电容的互补对称功放电路（OCL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。24ic1ic2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=0V25乙类放大的输入输出波形关系:ui-USCT1T2uo+USCRLiL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。交越失真26ui-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。OCL乙类放大的特点：27克服交越失真的措施：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。电路中增加R1、D1、D2、R2支路。28R1D1D2R2+USC-USCULuiiLRLT1T2两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基极电位进一步提高，进入良好的导通状态。从而克服死区电压的影响，去掉交越失真。29Ucem=VCC–UCES静态时UCE1=+VCC,UCE2=–VCC下页上页OCL甲乙类互补对称输出级-VCCR2R1uI+VCCVT1NPNuOVT2PNPRLVD1VD2b1b2RiC1iC2iL3.OCL甲乙类互补对称电路OCL电路省去了大电容，既改善了低频响应，又有利于实现集成化，应用更为广泛。首页仿真30下页上页OCL电路存在的主要问题：两个三极管的发射极直接连到负载电阻上，如果静态工作点失调或电路内元器件损坏，将造成一个较大的电流长时间流过负载，可能造成电路损坏。为了防止出现此种情况，实际使用的电路中，常常在负载回路接入熔断丝作为保护措施。首页31uI0时工作点沿QA上移。uI0时工作点沿QB下移。Ucem=VCC-UCES若VT1、VT2对称下页上页二、互补对称电路主要参数的估算1.OCL乙类互补对称电路主要参数的估算首页-uCE2QiC1OiC2uCE1AOBOCL互补电路的图解法Icm1Ucem1UCESVCCRLVCC32Ucem=VCC–UCESPom≈2RLV2CCPom==21RLU2cem21RL(VCC–UCES)2下页上页（1）最大输出功率cemCCCEScmLLUVUIRR当满足条件UCESVCC时首页33PV=×Icmsinωtd(ωt)=≈VCCπ1π0π2VCCIcmπRL2V2CCPomPVη=≈=78.5%4π下页上页（2）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。当忽略饱和管压降UCES时，OCL乙类和甲乙类互补对称电路的效率为如果考虑三极管的饱和管压降UCES，则OCL乙类和甲乙类互补对称电路的效率将低于此值。首页34下页上页（3）功率三极管的极限参数在OCL互补对称电路中，流过三极管的最大集电极电流为：▼集电极最大允许电流ICMCCCESCCcmLLVUVIRR因此选择功率三极管时，其集电极最大允许电流应为：CCCMLVIR首页35下页上页在OCL互补对称电路中，两个三极管的集电极电压之和等于2VCC，即▼集电极最大允许反向电压U(BR)CEO当VT2导电时，VT1截止，此时VT1的集电极承受反向电压。当VT2饱和时，VT1的集电极电压达到最大，此时：CE1EC2CC2uuVCE1CE2CC||2uuV或CE1CCCES2CC2||2uVUV因此，功率三极管的集电极最大允许反向电压应为(BR)CEOCC2UV首页36当忽略三极管的管压降时，PTm=0.2Pom下页上页在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，另一部分则消耗在三极管内部，成为三极管的耗散功率PT，使管子发热。▼集电极最大允许耗散功率PCM当集电极输出电压的峰值UOM≈0.6VCC时，三极管的功率损耗达到最大，即PT=PTm。此时，每个三极管的最大管耗为:CCTm2Lπ2VPR因此，在选择功率三极管时应满足，PCM0.2Pom首页37Ucem=–2VCCUCES若VT1、VT2对称下页上页2.OTL互补对称电路主要参数的估算2首页-uCE2QiC1OiC2uCE1AOBOTL互补对称电路的图解法Icm1Ucem1UCESVCC交流负载线2RLVCC38Pom=UcemIcm=2121RLU2cemPom≈81RLV2CCPV=×Icmsinωtd(ωt)2VCCπ1π0PomPvη=≈==78.5%81RLV2CC2πRLV2CC4π21RL(VCC/2–UCES)2=若满足UCES2VCC2πRLV2CC≈πVCCIcm=下页上页（1）最大输出功率（2）效率首页39下页上页（3）功率三极管的极