第5章功率放大器.

例：扩音系统什么是功率放大器？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。能输出较大功率的放大器称为功率放大器。功率放大电压放大信号提取一.功放电路的特点（2）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。ICMPCMUCEM（1）输出功率Po尽可能大Icuce5.1功率放大器的特点和分类功率放大器往往在接近极限运行状态下工作,导致输出信号存在一定程度的失真.(3)电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。(4)电源提供的能量应尽可能多地转换给负载，尽量减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（）。使用时必须考虑转换效率和管耗问题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（5）功放管散热和保护问题,由于功率管管耗较大,在使用时一般要加散热器,以降低结温,确保三极管安全工作二.功率放大器的几种工作状态甲类：Q点基本在负载线的中点，在正弦信号的整个周期内均有电流流过三极管。iCuCEQ1UCEQICQVCC有较大的静态工作电流ICQ，能对输入信号的整个周期进行放大，因此输出信号的非线性失真小。无论有无输入信号，三极管整个周期内都导通，导通角为360°，功放管的管耗大，即，在没有信号输入时，电源提供的功率全部消耗在三级管和电阻上，有信号输入时，电源提供的功率只有一部份转化为有用的输出功率。因此电路的能量转换效率低。理想情况下，电路的效率最高只能达到50%。乙类：BJT只在正弦信号的半个周期内均导通。iCuCEQ3ICQVCC基本上无静态电流，使得没有信号时，管号很小，电路的能量转换效率高，但只能对半个周期的输入信号进行放大，失真严重，输出波形被切掉50%。导通角为180°静态工作点设置在截止区甲乙类：介于两者之间，导通角大于180°iCuCEQ2ICQVCC三级管静态时处于微导通状态，工作状态介于甲类和乙类之间。静态工作点较低，导通角为180°~360°，不仅能提高电路的能量转换效率（效率比乙类低，比甲类高。）还能克服乙类功率放大电路的失真问题，应用较广泛。三、功率放大器的分类1.按静态工作点位置分（1）甲类（A类）功率放大器：晶体管在整个输入信号周期都导通的,即通角θ＝360°。（2）乙类（B类）功率放大器：晶体管在半个输入信号周期导通,即通角θ＝180°。（3）甲乙类（AB类）功率放大器：是介于甲类和乙类之间的状态,即180°θ360°。（4）丙类（C类）功率放大器：晶体管在小于半个输入信号周期导通,即通角θ180°。η甲η甲乙η乙η丙单管甲类功率放大器的主要缺点是效率低，管耗大。2.按功率放大电路与负载间耦合方式分（1）变压器耦合（2）无输出变压器耦合－互补对称功率放大器1）OCL（OutputCapacitorless）－双电源供电无输出电容2）OTL（OutputTransformerless）－单电源供电有输出电容3）BTL（BalancedTransformerless）－桥式平衡电路234524860110uCE(V)iC(mA)iB=80μA60μA20μA40μAtuCE(V)iC(mA)tQRL选择适当，可得最大不失真输出电压和电流iuouLRCCVCR2CBR1C+-+-RL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。L'LR)NN(R221通过调N1、N2来选出最佳的RL’工作在甲类效率低，变压器体积大，低频响应差，不能集成BRCCVLR'LR1N2N返回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？12CEQCCUV2CCCQLVIRQ点正好在中点时22CCECCCQLVPVIR28222CCCQCCoLVIVPR25%甲类放大电路不适合用于功率放大，仅用于实现电压、电流信号放大甲类双电源互补对称功率放大电路（OCL电路），又称无输出电容的功率放大电路。一.结构互补对称：电路中采用两个晶体管：NPN、PNP各一支；两管参数、特性一致。两管构成的电路形式都为射极输出器，组成互补对称式射极输出器。5.2乙类互补对称功率放大电路＋－uuＴ１Ｔ２VCCVCCoiLR二、工作原理（设ui为正弦波）ic1ic2静态时：电路无静态偏置通路，两管静态参数均为0ui=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。静态时，VB=VA=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。LRCCVCiuou+-+-VAVB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。如图所示。交越失真输入输出波形图uiuououo´交越失真死区电压＋－uuＴ１Ｔ２VCCVCCoiLR静态时三极管处于截止区，由于三极管存在死区电压，当输入信号小于死区电压时，三极管都不导通，输出电压也为0，因此，在输入信号正、负半周交接的附近，无输出信号，输出波形出现一段失真。称为交越失真最大不失真输出功率PomaxL2CCL2CESCComax22)(RVRUVP1.输出功率PoL2omLomomooo222=RURUUIUP三、分析计算＋－uuＴ１Ｔ２VCCVCCoiLR组合特性分析——图解法输出电压越大，输出功率越大，当三极管进入临界饱和时，负载上的最大不失真电压为Uom=VCC-UCES，＋－uuＴ１Ｔ２VCCVCCoiLRiC1uCEiC2QVCCUCESUCESUomL2omomax2RVP一个管子的管耗：直流电源提供的功率与输出功率之差)(d)(21=0LooCCT1tRuuVPππ2.管耗PVT两管管耗)d(sin)sin(210LomomCCtRtUtUVππ)4(12omomCCLUUVRT1T2=PP)4(22omomCCLUUVR＋－uuＴ１Ｔ２VCCVCCoiLR3.电源供给的功率PEToE=PPPLomCC2RUV当时，CComVU2L2CCEmRVP4.效率：输出功率与电源提供的功率之比CComEo4=VUPP时，CComVU%78.54max最高效率max，理想情况下，忽略UCES四．三极管的最大管耗)4(1)d(sin)sin(21=2omomCCLom0omT1UUVRtRtUtUVPLCCππomL2CCT1max2.022.0PRVP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：每个管子的最大功耗omom2L22CCTmax4.042PPRVP总的最大功耗选功率管的原则：1.PCMPT1max=0.2PoM2．CCCEOBRVU2)(L2CCoM2RVP＋－uuＴ１Ｔ２VCCVCCoiLR例如，负载要求的最大功率POm=10W，那么只要选一个功耗PCm大于0.2POm=2W的功率管就行了。tuo交越失真uit1.存在交越失真五、乙类互补对称功放的缺点＋－uuＴ１Ｔ２VCCoiLRVCCuu＋-Ｔ２oLRi2RD12RＴ１1VCCDVCC为解决交越失真，可给三极管稍稍加一点偏置（静态工作电流，使两个功率管在静态工作情况下处于刚刚导通的状态），使之工作在甲乙类。此时的互补功率放大电路如图所示。(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LRCCVCiuou+-+-给功率放大管加适当的静态偏置，每个管子BE结加正偏电压，通常2.克服交越失真的办法TBEUU使管子静态时微导通，180°θ360°即工作在甲乙类。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。电路中增加R1、D1、D2、R2支路1）基本原理3.交越失真的消除电路（甲乙类双电源互补对称电路）uu－＋２ＴRoLi2R1DD2VCC１1ＴRVCCuB1tUTtiBIBQ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。iCQuceVCC/ReVCCIBQT4管和R1、R2形成T2、T3管的偏置电路。T4管的集电极和基极之间接了电阻R1，这种电路是电压并联负反馈电路，而且既有直流反馈又有交流反馈。由于直流反馈，使A、B两点的直流电压很稳定，也就使输出及T2、T3管有一个稳定的直流工作点。T4管组成的是电压并联负反馈，因此，T4的交流输出电阻很小，和电流源IR的交流输出电阻比较，可以忽略不计，即A、B连点的交流电位相同。(a)＋UCCC1R1RcRbV3V2V1uiuoRL－UEE(b)＋UCCRcRbV2V1uiuoRL－UEE(c)＋UCCRcRbV2V1uiuoRL－UEEVD1VD2V3R1R2V3V44、克服交越失真的几种电路－甲乙类双电源互补对称功率放大电路1321RIUUQCEBBE(a)是利用V3管的静态电流IC3Q在电阻R1上的压降来提供V1、V2管所需的偏压,(a)＋UCCC1R1RcRbV3V2V1uiuoRL－UEE(b)＋UCCRcRbV2V1uiuoRL－UEE(c)＋UCCRcRbV2V1uiuoRL－UEEVD1VD2V3R1R2V3V4(b)是利用二极管的正向压降为V1、V2提供所需的偏压,VD1、VD2还具有温度补偿的作用。即2121DDEBBEUUUU(c)是利用UBE倍压电路向V1、V2管提供所需的偏压,3321)1(21221BEBEEBBEURRURRRUU1、基本原理.单电源供电；.输出加有大电容。（1）静态偏置5.3甲乙类单电源互补对称电路（OTL电路）调整RW阻值的大小，可使CCP21VU此时电容上电压CCC21VU+uuTT1324TTC8RVCC1R2RRLR5R6WRUPiO（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。+uuTT1324TTC8RVCC1R2RRLR5R6WRUPiO（3）输出功率及效率若忽略交越失真的影响。则：LCCLooRVRUP8)2(22maxmax%5.78max2maxCCoVU此电路存在的问题：输出电压正方向变化的幅度受到限制，达不到VCC/2。+uuTT1324TTC8RVCC1R2RRLR5R6WRUPiO2.带自举电路的单电源功放+uuRCCTL1CRR2PR0R837CU2R1RTRiTW5V416T自举电路也叫升压电路，利用自举升压二极管,自举升压电容等电子元件，使电容放电电压和电源电压叠加，从而使电压升高．有的电路升高的电压能达到数倍电源电压。C1、R7为自举电路通常用一个电容和一个二极管，电容存储电压，二极管防止电流倒灌，频率较高的时候，自举电路的电压就是电路输入的电压加上电容上的电压，起到升压的作用。自举电路主要是在甲乙类单电源互补对称电路中使用较为普遍。甲