项目9功放电路

项目九功率放大电路及应用9.2集成功放及其应用9.1功率放大电路电压放大电路均属小信号放大电路，它们主要用于增强信号的电压或电流的幅度。实际上，很多电子设备的输出要带动一定的负载，如：驱动扬声器，使之发出声音；驱动电表，使其指针偏转；控制电机工作等，这就要求放大电路要向负载提供足够大的信号功率。能输出信号功率足够大的电路就是功率放大电路，简称功放。9.1.1功率放大电路的任务及功放管的特点9.1功率放大电路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9.2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度，而功率放大器的任务是在信号失真允许的范围内，尽可能输出足够大的信号功率，即不但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。1、功率放大电路的任务：图9.2放大器组成方框图担任功率放大的晶体管习惯上称为功放管，一般由晶体三极管来担任，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，因为场效应管不需要太大的驱动功率。在电路中，功放管都工作在接近于管子参数的极限状态，故选择功放管时要注意不要超过管子的极限参数，并且要留有一定的余量，同时要考虑在电路中采取必要的过流保护、过压保护措施，还要解决好管子的散热问题。在电路中，广泛使用复合管作为功放管。1)输出功率尽可能大2、功放电路的主要指标功放电路根据负载要求向负载提供的有用信号功率。一般对功率放大器都用最大输出功率来衡量它的放大能力。最大输出功率是指在输入信号为正弦波时，电路的输出波形不超过规定的非线性失真指标时，放大器的最大输出电压和最大输出电流有效值的乘积。2)效率要高POPE100%=交流输出功率直流电源功率100%=放大电路提供给负载的功率是由直流电源提供的。放大电路的效率定义为放大电路输出给负载的交流功率与直流电源所提供的功率之比：当直流电源所提供的功率一定时，为了向负载提供尽可能大的信号功率，则必须减少功率放大电路自身的损耗。3)非线性失真要小由于在功率放大电路中，三极管的工作点在大范围内变动，输出波形的非线性失真比小信号放大电路要严重得多。在实际的功率放大电路中，应根据负载的要求来规定允许的信号失真范围。功放电路中直流电源提供的功率除了供给负载外，其它部分主要被功放管所消耗，这部分功率称为管耗：4）管耗：3．使用功放管需要注意的几个问题功放管的作用是把直流电源的能量按照输入信号的变化规律传送给负载。电路工作在大信号情况下，功放管的管耗较大，必需考虑其散热问题。又由于功放管处于大电流、高电压状态，故需考虑其安全和保护问题。功放管的集电极损耗导致管子发热，结温上升。当结温超过允许值时（硅管约150oC，锗管约100oC），晶体管将会损坏。为了使放大器能输出大的功率且功放管又不致损坏，需给功放管安装散热片，以散发集电极产生的热量，必要时还需要采用风冷、水冷、油冷等方法来进行散热。（1）功放管的散热问题为了确保功放管的安全使用，在设计电路时，应使管子工作于其伏安特性的安全区内，尽量减少电路产生过压和过流的可能性。其次要采取适当的过压保护和过流保护电路。为了防止感性负载使电路产生过压或过流，可在感性负载的两端并联阻容网络。（2）功放管的安全使用功率放大电路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之分。9.1.2功放电路的类型1.按照功放管静态工作点分类甲类功放的三极管其静态工作点在放大区的中间，所以在输入信号的整个周期内，管子中都有电流流过。甲类放大电路的优点是失真小，缺点是管耗大，效率低，它主要用于小功率放大电路中。电压放大电路由于信号比较小，实际上都工作在甲类放大状态。乙类功放的三极管其静态工作点在放大区与截止区的交线上，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，乙类放大电路需要两个管子分别对信号的正负半周进行放大，才能完成对信号的放大。甲乙类功放的三极管其静态工作点在靠近截止线的放大区内，在信号的一个周期内，管子有半个多周期内有电流流过，显然，甲乙类放大电路也需要两个管子才能完成对信号的放大。三种功放的工作状态tuCEiCiCIB=0Q002)乙类工作状态3)甲乙类工作状态1)甲类工作状态tuCEiCiCQ00IB=0tuCEiCiCQ00IB=00360T0180T00180360TtiCOIcM2ICQtiCOIcM2ICQtiCOIcMICQ2乙类工作状态()失真大，静态电流为零，管耗小，效率高。甲乙类工作状态(2)失真大，静态电流小，管耗小，效率较高。甲类工作状态(2)失真小，静态电流大，管耗大，效率低。%25max%5.78max三种功放的工作状态乙类工作状态失真大，静态电流为零，管耗小，效率高。QuCEiCOtiCOQQ甲乙类工作状态失真大，静态电流小，管耗小，效率较高。甲类工作状态失真小，静态电流大，管耗大，效率低。三种功放的工作状态2.按功放电路中输出信号与负载的耦合方式分类按功放电路中输出信号与负载的耦合方式，可分成变压器耦合功放电路、OTL功放电路、OCL功放电路和BTL电路等。传统的功率放大电路常常采用变压器耦合方式的功率放大电路。图9.5所示为一个典型的变压器耦合功率放大电路的原理图及工作波形图。在图中T1为输入变压器，T2为输出变压器，当输入电压ui为正半周时，VT1导通，VT2截止；当输入电压ui为负半周时，VT2导通，VT1截止。两个三极管的集电极电流ic1和ic2均只有半个正弦波，但通过输出变压器T2耦合到负载上，负载电流iL和输出电压uo则基本上是正弦波。（1）变压器耦合功率放大电路变压器耦合功率放大电路功率放大电路采用变压器耦合方式的主要优点1、便于实现阻抗匹配，有利于信号的最大传输3、变压器体积庞大，比较笨重，消耗有色金属。2、低频和高频特性不好，在引入负反馈时还容易产生自激，所以除了对频率特性要求不高的电路外，一般都不采用这种功放电路。如下图所示为OCL乙类互补对称功率放大电路，它采用正、负双电源供电，VT1、VT2为两个特性相同的异型三极管。（2）OCL互补对称式功率放大电路一OCL功率放大电路的引出cecoUIPmceMcM21UICCCCC_DCVIViPc%25/DCmaxomaxPPSuCEiCOtiCOQIcMUceMVCCICS49.1.3OCL功率放大电路分析ceuu0甲类共射放大电路++RSC1RbC2ReRL+VCCui+-uo+-us+-一OCL功率放大电路的引出射极跟随器作功率输出级输出电阻小，负载能力强但由于Re的存在，它的静态电流较大，电路效率仍然较低。为了提高效率，必须使电路的静态损耗为0，即IB=0，IC=0，且采用两个极性相反的射极跟随器组成乙类互补功率放大电路甲类共集放大电路一OCL功率放大电路的引出乙类共集放大电路波形失真严重1.电路特点1）双电源Vcc供电；2）T1和T2特性一致；3）静态时，VB=VE=0电路处于乙类工作状态4）T1和T2互补工作，输入、输出双向跟随信号过零时出现交越失真RLT1T2+VCC+ui+uoVCCiC1iC1二OCL电路的组成与工作原理(OCL—OutputCapacitorless)oiBiB1iB2uBE2ottot1t4t1t2t2t3t3t4uBE1uBE2uBE1交越失真死区2.电路存在的问题当输入电压小于死区电压时，三极管截止，引起交越失真二OCL电路的组成与工作原理＋－UCES＋－UoMIcmVcc－UCES+UoMNPNPNP大信号－图解法动态分析三OCL电路的输出功率与效率-UoMVcc－UCES1.最大不失真输出功率+ui+uoMRLT1T2+VCCVCCLoM2Lo2o2RURUPLomax2maxoRUPUCES+-输出电压峰值输出电压最大峰值三OCL电路的输出功率与效率LoMmax22RUL22)(RUVCESCCL22RVCC三OCL电路的输出功率与效率2.电源功率PDCttdSinIIOMAVC0)(21)(2AVCCCDCIVPLOMLOMRUttdSinRU021LsatCECCCCRUVV)(2)(LCCRV22+ui+uoMRLT1T2+VCCVCCUCES+-3.效率%100DComPP理想情况（忽略UCES）下，乙类工作状态的最大效率三OCL电路的输出功率与效率%1004CCOMVU%5.78+ui+uoMRLT1T2+VCCVCCUCES+-LOM2LOMCCoDCT22RURUVPPP令：0ddoMTUPCCCCoM64.02VVU则：时管耗最大OmaxL2CC2Tmax4.02PRπVPomaxT2T12.0PPP4.功放管的最大管耗即：0PUOMPDCPoPT+ui+uoMRLT1T2+VCCVCCUCES+-三OCL电路的输出功率与效率5.选择功放管的原则三个极限参数的选择PCM0.2PomU(BR)CEO2VCCICMVCC/RLRLT1T2+VCC+ui+uoVCC2VCC-UCESUCES三OCL电路的输出功率与效率例1：已知：VCC=24V，RL=8，忽略UCES求Pom以及此时的PDC、PT1，并选管。)W(36822422LCC2omRVP[解]PDC=2V2CC/RL=45.9(W)+ui+uoRLT1T2+VCCVCCUCE+-)(21omDCT1PPP=4.9(W))W(2.7362.0m1TPU(BR)CEO48VICM24/8=3(A)选功率管：PCM=1015WU(BR)CEO=60100VICM=5A例2：已知：VCC=12V，RL=8，UCES=2V。1）求Pom、η以及此时的PDC、PT1，并选管2）计算η=0.6时的Po)W(25.62L2om)(RCESCCPUV[解]PDC=2VCC(VCC-UCES)/RL=9.55(W)+ui+uoRLT1T2+VCCVCCUCE+-%4.65PPDCom)W(25.12.0m1TomPPU(BR)CEO24VICM12/8=1.5(A)选功率管：PCM=5WU(BR)CEO=30VICM=3A设置静态偏置消除交越失真偏置电路:二极管D1、D2电阻R1、R2和电位器RP+Vcc–VEEuoT1T2RLB1B2uiR1RPD1D2R22UBE9.1.4改进型OCL电路一甲乙类互补对称功率放大电路电路1：tiC0ICQ1ICQ2当ui=0时，T1、T2微导通1）当ui0(由小到大到小变化时)T1微导通充分导通微导通；T2微导通截止微导通。2）当ui0(由大到小到大变化时)T2微导通充分导通微导通；T1微导通截止微导通。一甲乙类互补对称功放+Vcc–VEEuoT2RLB1B2ui2UBET19.1.4改进型OCL电路二甲乙类互补对称功率放大电路T5给T1、T2提供静态电压，同时对ui进行放大RLRT3T4V1T2+VCC+ui+uoVEET5电路2：带推动级的互补对称功放克服交越失真的偏置电路)(212BE3CE3RRRUUT1T2T3R2R1UBE的倍增电路9.1.4改进型OCL电路BEBEnUU39.1.4改进型OCL电路甲乙类互补对称功率放大电路电路3：T4RL+VCC+uoT1T2T3VEER*1R2R3R4推动级UBE倍增电路功率和效率计算方法：由于甲乙类互补对称功率放大电路的静态电流很小，其工作原理与分析方法与乙类功率放大电路近似相同。对于甲乙类互补对称功率放大电路的输出功率与效率计算，仍然可以使用乙类功率放大电路的计算公式，这样做计算过程简单，误差也不是很大。9.1.4改进型OCL电路二甲乙类互补对称功率放大电路三准互补对称放大电路1.复合管(