戴蓓倩《电子线路》-18

1晶体管的大信号应用－功率放大电路电子电路基础2§1功放电路的特点和分类例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。功率放大电压放大信号提取3特点(1)要求输出功率尽可能大，工作于极限状态。电流、电压要求都比较大，但电路参数不能超过晶体管的极限值:ICM、UCEM、PCM。ICMPCMUCEMIcuce4(2)电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真，即非线性失真要小，用图解法分析。(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。即电路的效率（）要高。Po:负载上得到的交流信号功率。PE：电源提供的直流功率。%100EoPPCOEPPP5根据晶体管导通时间可分为如下四类甲类-------三极管360°导电；甲乙类----三极管180°～360°导电乙类-------三极管180°导电丙类-------三极管180°导电分类6甲乙类180°～360°导电乙类180°导电丙类180°导电甲类360°导电7uotuoibRbuoUSCuiREQicuceUSCESCRU§2简单甲类功率放大电路8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：ESCCQRUI5.0SComUU5.0max9TCSCEdtiUTP01ESCEomORURUP8222maxmax)sin(tIIiIicmCQcCQCESCCQSCTCSCTCSCERUIUdtiTUdtiUTP212001.直流电源输出的功率2.输出功率EomomomoooRUIUIUP2212210%25maxmaxEOPP放大电路的输出没有失真的工作方式称为甲类放大。3.效率22SComEOUUPP11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。12§3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：13§3.1无输出电容的（OCL）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。14ic1ic2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=0V15(1)静态电流ICQ、IBQ等于零；(2)每管导通时间等于半个周期；乙类放大的特点：SComUUmaxLSComRUImaxUomaxiL-USCRLuiT1T2Uo+USC16二、分析计算最大功率：LSCLSCSCoRURUUP21222maxEomomomoooRUIUIUP221221.输出功率Po172.管耗PC41sinsin2121212000111omomSCLLomOmSCLoOSCCCECUUURtdRtUtUUtdRuuUiuP42221omomSCLCCUUURPP18最大管耗与输出功率的关系maxmax222max12.022022ooLSCCSComomSCLomCPPRUPUUUURdUdP时功放管具有最大管耗此式为选管依据193直流电源供给的功率LomSComomSCLLomCOERUUUUURRUPPP242212EP204效率%5.7844221max2SComLomSCLomEOUURUURUPP21三、晶体管的选择1流过晶体管的最大集电极电流应小于ICM;2PCM0.2POmax;3U(BR)CEO2USC.22三、乙类推挽功放电路的交越失真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。23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。iBiBuBEtuitUT24克服交越失真的措施(a)利用二极管提供偏置电压(b)利用三极管恒压源提供偏置甲乙类互补功率放大电路25§3.2利用复合管的互补对称功放电路四种类型的复合管26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27becibic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：28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-USCR1R2RLuiT1T2T3T4T5T629§3.3无输出变压器的（OTL)互补对称功放电路0.5USCRLuiT1T2+USCCAUL+-UC当电路对称时，输出端的静态电位等于USC/2。为了使负载上仅获得交流信号，用一个电容器串联在负载与输出端之间。电容器的容量由放大电路的下限频率确定，即CRfLL2π1=LLπ21fRC30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。0.5USCuit31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+USCRLT1T2T3CRBRe1Re2b1b2A32§3.4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）。33+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：34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。注：该实用功放电路的详细分析计算请参考《模拟电子技术基础》（童诗白主编）。W3.248127.192maxP35§3.5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28V36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）37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38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。§3.6变压器耦合式功放电路39（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。40二、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。41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+-USCiLN2N1N142uiT2T1RL+-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。43uiT2T1RL+-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。443.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22145三、甲乙类变压器耦合式推挽功率放大器Rb1、Rb2、Re的作用：克服交越失真。USCT1T2RLiLuiReRb2Rb146两个三极管都构成静态工作点稳定的共射极放大器。其静态工作点都设在刚刚超过截止区，IB很小，IC也很小，从而降低了直流功耗。直流通道变压器线圈对于直流相当于短路：USCT1T2ReRb2Rb1