第10章功率放大电路.

《模拟电子技术》太原科技大学第10章功率放大电路10.1功率放大电路的特殊问题及其分类10.2互补对称功率放大电路10.3集成功率放大器10.4功率管的散热与二次击穿《模拟电子技术》太原科技大学本节重点:1、正确理解乙类互补对称功率放大电路放大电路的分析方法；2、掌握乙类互补对称功率放大电路性能指标的计算。《模拟电子技术》太原科技大学例：扩音系统什么是功率放大电路？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。能够输出较大功率的放大电路称为功率放大电路。电压放大功率放大信号提取《模拟电子技术》太原科技大学10.1功率放大电路的特殊问题及其分类10.1.1功率放大电路的特殊问题10.1.2功率放大电路的分类《模拟电子技术》太原科技大学1、安全的提供尽可能大的输出功率10.1.1功率放大电路的特殊问题MomMomMoMoMo)()(21)()()(IUIUP2、提供尽可能高的功率转换效率CCVoPP例如，某放大电路的效率η=50%，说明电源提供的功率只有一半转换成输出功率传给了负载，另一半消耗在电路内部。最大输出功率是指在正弦输入信号下，输出波形不超过规定的非线性失真指标时，放大电路最大输出电压和最大输出电流有效值的乘积。《模拟电子技术》太原科技大学3、允许一定非线性失真4、分析方法采用图解法5、功率管的散热和保护问题6、负载匹配问题功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真。输出功率和非线性失真是一对矛盾，但可以根据应用场合的不同来调和这对矛盾。功率放大电路工作在大信号状态，不采用微变等效电路法。相当大的功率消耗在管子上，为了保证功率管的安全工作，常常要给大功率管加装散热片，必要时还可采用风冷、水冷、油冷等方式来散热。为了获得较大的输出功率和效率，功率放大电路与负载要匹配。《模拟电子技术》太原科技大学1．按放大信号频率分类低频功率放大电路：音频几十Hz~几十kHz高频功率放大电路：射频几百kHz~几十MHz2．按晶体管导通时间分类10.1.2功率放大电路的分类甲类放大电路uCE0iCQiCICQ0ωtθ=360°特点：波形失真小，静态电流大，管耗大，效率低。《模拟电子技术》太原科技大学乙类放大电路iC0ICQ=0θuCE0iCQωt=180°特点：波形失真大，静态电流为零，管耗小，效率高。甲乙类放大电路iC0ICQθuCE0iCQωt180°360°特点：波形失真较小，静态电流小，管耗较小，效率较高。《模拟电子技术》太原科技大学3．按构成放大电路的器件分类分立元件功率放大电路：元件较多，电路设计严格。集成功率放大电路：简洁方便，性能容易满足要求。4．按电路形式分类变压器耦合的功率放大电路无输出变压器的功率放大电路OTLOutputTransformerless，无输出变压器OCLBCLOutputCapacitorless，无输出电容B1ancedTransformerless，平衡式无输出变压器《模拟电子技术》太原科技大学10.2互补对称功率放大电路10.2.1互补对称功率放大电路的引出10.2.2乙类互补对称功率放大电路10.2.3甲乙类互补对称功率放大电路10.2.4OCL准互补对称功率放大电路《模拟电子技术》太原科技大学10.2.1互补对称功率放大电路的引出1.共射放大电路构成的甲类放大电路+VCC+-ui-uo+C2C1VTRBRLRC（1）直流电源提供的直流功率即矩形ABCO的面积。CCCQVIPCCV若将静态工作点设置在直流负载线的中点，则晶体管的基极电流可忽略不计。iCICQIBQVCC/RCABCDEUCEQUCEQ+ICQRL'VCCuCE直流负载线交流负载线OQ《模拟电子技术》太原科技大学（2）集电极电阻RC的功率损耗，即矩形QBCD的面积CEQCCCQCQCCUVIUIPRRiCICQIBQVCC/RCABCDEUCEQUCEQ+ICQRL'VCCuCE直流负载线交流负载线OQ晶体管集电极耗散功率为ICQUCEQ，即矩形AQDO的面积+VCC+-ui-uo+C2C1VTRBRLRC《模拟电子技术》太原科技大学（3）电路可能的最大交流输出功率（4）最大效率L2CQCEOCQLCQMomMomMo21))((21)()(21)(RIIIRIIUPCCLCQCCCQL2CQMoMoM221)()(CCCCVRIVIRIPPPPηVViCICQIBQVCC/RCABCDEUCEQUCEQ+ICQRL'VCCuCE直流负载线交流负载线OQ-1/RL'即三角形QDE的面积甲类放大电路不宜作为功率放大电路。+VCC+-ui-uo+C2C1VTRBRLRC《模拟电子技术》太原科技大学2.单管变压器耦合功率放大电路+VCCuiC1VTRBRLN1N2iCICQBA2VCCuCE交流负载线直流负载线0QVCC《模拟电子技术》太原科技大学（1）直流电源提供的直流功率（2）最大输出功率（3）最大效率iCICQBA2VCCuCE交流负载线直流负载线0QVCCCCCQCCCQMomMomMo21222)(2)()(VIVIUIPCCCQCCVPIV21)(CCMoMVPPη《模拟电子技术》太原科技大学uCE0iCiC0ωt甲类ICQQ如何解决甲类功放效率低的问题？办法：降低Q点。iC0ICQ=0θuCE0iCQωt乙类缺点：乙类功放会引起截止失真。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功率放大电路。《模拟电子技术》太原科技大学3．互补对称功率放大电路的引出+VCC+-ui-uo+VTRLRBiC0ωtπ2πiCωtπ2π00QVCCuCEuCE在输入信号ui的一个周期内，输出电压只有半个周期有输出波形，造成了输出波形严重截止失真。为了补上被截掉的半个周期的输出波形，可用PNP管组成极性相反的射极跟随器对负半周信号进行放大。这样，两个极性相反的射极跟随器互补组合就构成互补对称功率放大电路。《模拟电子技术》太原科技大学10.2.2乙类互补对称功率放大电路乙类互补对称电路必须具有“两管交替工作”和“输出波形合成”两个功能。根据输出波形合成的方法不同，乙类互补对称功率放大电路有两种结构，分别称为变压器耦合乙类互补对称功率放大电路和无输出变压器乙类互补对称功率放大电路。《模拟电子技术》太原科技大学功率放大电路采用变压器耦合方式由于变压器体积庞大，比较笨重，消耗有色金属，而且在低频和高频部分产生移相，使放大电路在引入负反馈时容易产生自激振荡，所以现在常用无输出变压器的功率放大电路。iC2ui+_Tr1VT1VT2+_VCCTr2RLiLiC1iB2iB1uiωt+_ui1+_ui2ui1ωtui2ωtiB1ωtiB2ωtiC1ωtiC2ωt+__+uo1uo2uo2ωtuo1ωtiLωt1．变压器耦合乙类互补对称功率放大电路《模拟电子技术》太原科技大学2.OCL乙类互补对称功率放大电路（1）互补对称：电路中采用两个晶体管：NPN、PNP各一支；两管特性一致。（2）双电源供电。（3）输入输出端无隔直电容。+VCC+-ui-uo+VT1RL-VCCVT2电路组成特点：《模拟电子技术》太原科技大学+VCC+-ui-uo+VT1RL-VCCVT2io（1）工作原理•ui0VＴ1导通，VＴ2截止iC1io=iE1=iC1,uO=iC1RL•ui0VＴ2导通，VＴ1截止iC2io=iE2=iC2,uO=iC2RLuBE1=uBE2=0，VＴ1、VＴ2截止，iC1=iC2=0，uo=0静态分析：ui=0动态分析（设ui为正弦波）：ＶT1、ＶT2两个晶体管都只在半个周期内工作的方式，称为乙类放大。《模拟电子技术》太原科技大学iC11RL-io0ωt0QuCE1VCCVCCRLVCCRL-iC2(Uom)M(Iom)MUCESUomIom-uCE202VCC2VCCuoiC1VT1导通iC2VT2导通ωt（2）参数计算0CQ2CQ1IICCCEQ1VUCCCEQ2VU静态参数计算+VCC+-ui-uo+VT1RL-VCCVT2io《模拟电子技术》太原科技大学iC11RL-io0ωt0QuCE1VCCVCCRLVCCRL-iC2(Uom)M(Iom)MUCESUomIom-uCE202VCC2VCCuoiC1VT1导通iC2VT2导通ωt（2）参数计算CESCCMom)(UVULCESCCLMomMom)()(RUVRUI在理想情况下，忽略饱和压降UCES，则uo的最大幅值io的最大幅值LCCMom)(RVICCMom)(VU《模拟电子技术》太原科技大学最大不失真输出功率①输出功率PoL2omLomomooo222=RURUUIUP+VCC+-ui-uo+VT1RL-VCCVT2ioL2CESCCMo2RUVP在理想情况下，最大输出功率L2CCMo2RVP《模拟电子技术》太原科技大学②管耗PV假设ωtUusinomo41)d(sin)sin(21)d()(212omomCCLLomom0CCLoo0CCV1UUVRωtRωtUωtUVωtRuuVP422omomCCLV2V1VUUVRPPP一个管子管耗两个管子管耗+VCC+-ui-uo+VT1RL-VCCVT2io《模拟电子技术》太原科技大学③直流电源提供的直流功率CCVPLomCCVo2CCRUVPPPV当理想情况下L2CCM2)(CCRVPV④效率CComLomCCL2omo422CCVURUVRUPPηV最大效率%5.784Mη+VCC+-ui-uo+VT1RL-VCCVT2io《模拟电子技术》太原科技大学（3）功率管的选择+VCC+-ui-uo+VT1RL-VCCVT2io功率管的最大管耗412omomCCLV1UUVRPPV1对Uom求导，并令导数等于0。021omCCLomV1UVRdUdPCCCCom6.02VVUMoMo2MV1)(2.0)(2)(PPPCCom2VU将代入PV1表达式：《模拟电子技术》太原科技大学（3）功率管的选择0uCE/ViC/mAICMPCMU(BR)CEO安全工作区IB=0μAMoCM)(2.0PPCC(BR)CEO2VULCCCMRVI反向击穿电压集电极最大允许功率损耗集电极最大允许电流功率管的极限参数应满足以下关系由于乙类互补对称功率放大电路中一个晶体管导通时，另一个晶体管截止，当输出电压uo达到最大不失真输出幅度时，截止管子所承受的反向电压为最大，且近似等于2VCC。《模拟电子技术》太原科技大学【例10-1】已知互补对称功率放大电路，如图所示，设VT1、VT2的饱和压降|UCES|=1V，已知VCC=24V，RL=8Ω。（1）试估算其最大输出功率(Po)M、直流功率、每管的管耗及效率η。（2）说明该功率放大电路对功率管的要求。+VCC+-ui-uo+VT1RL-VCCVT2ioCCVP1VP《模拟电子技术》太原科技大学解：（1）V23)V124()(CESCCMomUVUW33W82321)(21)(2L2MomMoRUPW44W823242)(2LMomCCCCRUVPVW5.5W334421)(21MoV1CCPPPV%754433)(CCMoMVPPη《模拟电子技术》太原科技大学（2）功率管的选择W3.7W8241)(22L2CC2MV1RVPV48V2422CC(BR)CEOVUA3A824LCCCMRVI因此要求所选用功率管的集电极最大允许损耗功率W37)(MV1CM.PP反向击穿电压V4