低频功率放大器(课件).

LMMa14.1概述4.2功率放大器的组成和工作特性4.3互补推挽功率放大器4.4功率放大器的保护电路4.5其它形式的功放电路第四章、低频功率放大器返回主目录LMMa2在多路放大电路末级、集成功率放大器、集成运算放大器等模拟集成电路的输出级，往往要求有较高的输出功率或要求具有较大的输出动态范围以驱动下一级负载,如音箱等。4.1、概述这类主要用于向负载提供功率的放大电路称为功率放大电路。LMMa34.1.11.输出功率Po功率放大器应在输出不失真的情况下给出最大的交流输出功率Po以推动负载工作。为此，功放管一般工作在大信号状态,以不超过管子的极限参数（ICM、BVCEO、PCM）为限度。这就使功放管安全工作成为功率放大器的重要问题。LMMa42.效率η功率放大器的效率定义为功率放大器的输出信号功率Po直流电源供给功率放大器功率PE之比,用η表示，即：100%oEpp功率放大器要求高效率地工作，一方面是为了提高输出功率，另一方面是为了降低管耗。直流电源供给的功率除了一部分变成有用的信号功率以外，剩余部分变成晶体管的管耗PC(PC=PE-Po)。管耗过大将使功率管发热损坏。所以，LMMa53.非线性失真功率放大器为了获得足够大的输出功率，需要大信号激励，从而使信号动态范围往往超出晶体管的线性区域，导致输出信号失真。因此减小非线性失真，成为功率放大器的又一个重要问题。概括起来说，要求功率放大器在保证晶体管安全运用的情况下，获得尽可能大的输出功率、尽可能高的效率和尽可能小的非线性失真。LMMa6由于功率放大电路的输出电压和输出电流都很大，信号作用的范围进入了晶体管特性的非线性区，所以在分析时不可再用微变等效电路，而应采用图解法。LMMa74.1.2、功率放大器的分类放大电路按三极管在一个信号周期内导通时间的不同，可分为甲类、乙类以及甲乙类放大。功率放大电路类型很多，目前电子电路中广泛采用乙类（或者甲乙类）互补对称功率放大电路。LMMa8在一个周期内，管子只有半个周期有电流流通的，称为乙类放大。在整个输入信号周期内，管子都有电流流通的，称为甲类放大。若一个周期内有半个多周期内有电流流通，则称为甲乙类放大。t0icT(a)t0icT(b)T2T2t0ic(c)T2T2t0ic(d)T2T2图4-1（a）甲类;（b）乙类;（c）甲乙类;（d）丙类若一个周期内有小于半个多周期内有电流流通，则称为丙类放大。LMMa9甲类放大的优点是波形失真小，但由于静态工作点电流大，故管耗大，放大电路效率低，所以它主要用于小功率放大电路中。乙类与甲类放大由于管耗小，放大电路效率高，在功率放大电路获得广泛应用。由于乙类与甲乙类放大输出波形失真严重，所以在实际电路中均采用两管轮流导通的推挽电路来减少失真。前面所讨论的放大电路主要用于增大电压幅度（通常称为电压放大电路），一般输入、输出信号幅度都比较小，故均采用甲类放大。LMMa104.2.1乙类推挽功率放大器的工作原理4.2.2乙类推挽功率放大器的分析计算4.2.3乙类推挽功率放大器的非线性失真4.2互补推挽功率放大器LMMa11一.电路和工作原理OCL(OutputCapacitorLess，无输出电容)互补对称式功率放大电路，简称OCL电路，如图所示。4.2.1、乙类双电源互补对称功率放大电路OCL互补对称式功率放大电路（OCL电路）RL＋V1V2UE－CCU1Oi2OiOu1Ci2CiCCUiuOCL电路LMMa12静态，即ui=0时，由于两管特性对称，供电电源对称，两管射极电位UE=0，V1、V2均截止，电路中无功率损耗,此时电路不消耗功率。RL＋V1V2UE－CCU1Oi2OiOu1Ci2CiCCUiu两个三极管的静态电流均为0。这种只在信号半个周期内导通的工作状态称为乙类工作状态。动态时：忽略发射结死区电压，在ui的正半周内，V1导通，V2截止。V1以射极输出器的形式将正方向的信号变化传递给负载。电流方向如图中实线箭头所示。工作原理:LMMa13由于V1、V2管轮流导通，相互补足对方缺少的半个周期，RL上仍得到与输入信号波形相接近的电流和电压。故称这种电路为乙类互补对称放大电路。又因为静态时公共发射极电位为零，不必采用电容耦合，故又简称OTL电路。在正半周期，V1导通，V2截止最大输出电压幅度受V1管饱和的限制，约为+UCC。在负半周期，V2导通，V1截止。V2以射极输出器的形式将负方向的信号变化传递给负载。电流方向如图中虚线箭头所示。最大输出电压幅度受V2管饱和的限制，约为-UCC。RL＋V1V2UE－CCU1Oi2OiOu1Ci2CiCCUiuLMMa14(b)OCL电路的工作波形t0t0iu1Ci0t2Cit0Oit0OuLMMa15在如图电路中，尽管两只三极管都只在半个周期内导通（工作在乙类状态），但它们交替工作，使负载得到完整的信号波形。这种形式称为“互补”。射极输出器输出电阻很低，所以，互补对称放大电路具有较强的负载能力，即它能向负载提供较大的功率，实现功率放大作用，所以又把这种电路称为乙类互补对称功率放大电路。LMMa16该电路的特点是：电路简单，效率高，低频响应好，易集成化。缺点是：电路输出的波形在信号过零的附近产生失真（见图(b)）。由于三极管输入特性存在死区，在输入信号的电压低于导通电压期间（-0.7V~0.7V），V1和V2都截止，输出电压为零，出现了两只三极管交替波形衔接不好的现象,故出现了图（b）中的失真，这种失真称为“交越失真。”2.在OCL电路中,每只三极管集电极静态电流为零,因而该电路效率高。LMMa171）输出功率Po当输入正弦信号时，每只三极管只在半周期内工作，忽略交越失真，并设三极管饱和压降UCES=0，在Uom≈UCC时输出电压幅度最大。最大交流输出功率为:21122222omomomomomomoooomLLUUIUIUPUIURR式中，Iom为集电极交流分量电流最大值，Uom为三极管c、e极间交流电压最大值。其中()ommCCCEsatCCUUUU212ccomLUPRLMMa182）每个直流电源提供的功率12DCCCCCCCPUIUI两个直流电源提供的总功率12122OmDCCCCCCCCCCCCLUPUIUIUIUR12001sin()cos22cmcmCCcmIIIIItdtt其中222CCCCDCmCCLLUUPURRLMMa193）OCL电路的效率为ODCPP其中，Po为电路输出功率，PDC为直流电源提供的功率。OCL电路最高效率为2122omoLomDCCCLUPRUPUR21278.5%24CCoLmCCDCCCLUPRUPURLMMa204)管耗:直流电源送入电路的功率，一部分转化为输出功率，另一部分则损耗在三极管中。2121121()()()2224omomomCComCCDCoCCLLLUUUUUPPPPURRR111120,,2CCComomCCComLLdPUUUUPdURR当时即时达到最大值2122CCCmCmLUPPRLMMa213、1）乙类互补对称功放在推挽放大器中,若两管的特性完全一致,那么它们的电流、电压波形完全对称，这样,iC1、iC2可分别写成iC2=I0+Icm1cos(ω1t+π+φ1)+Icm2cos(2ω1t+2π+φ2)+…+Icmncos(nω1t+φn)+…iC1=I0+Icm1cos(ω1t+φ1)+Icm2cos(2ω1t+φ2)+…+Icmncos(nω1t+φn)+…LMMa22iL=iC1-iC2=2Icm1cos(ω1t+φ1)+2Icm3cos(3ω1t+φ3)+…可见输出电流（或电压）中没有偶次谐波成分,即推挽电路可以抑制偶次谐波。实际上由于两管特性的差异及电路的不完全对称,输出电流（或电压）中总会有些偶次谐波成分,这就要求尽量精选配对管子,减小非线性失真。LMMa23在乙类互补对称放大器中，由于V1、V2管没有基极偏流，静态时，当输出信号小于晶体管的死区电压时，管子仍处于截止状态。因此，在输入信号的一个周期内，V1、V2轮流导通时形成的基极电流波形在过零点附近一个区域内出现失真，从而使输出电流和电压出现同样的失真，这种失真称为“交越失真”。如下图:LMMa24uBE2iB1uBE1iB2uiωtωtiB乙类互补对称功率放大电路的交越失真LMMa25为了消除交越失真，可分别给两个晶体管的发射结加很小的正偏压，是两管在静态时均处于微导通状态，两管轮流导通时，交替得比较平滑，从而减小了交越失真。但此时管子已工作在甲乙类放大状态。实际电路中，静态电流通常取得很小，所以这种电路仍可以用乙类互补对称电路的有关公式近似估算输出功率和效率等指标。4.2.2、甲乙类互补对称功率放大电路LMMa26+Vcc-VEEV1V2R3V4R1R2R4(b)利用放大电路进行偏置的电路甲乙类互补对称功率放大电路如下图:RL利用二极管进行偏置的电路+Vcc-VEEV1V2VD1V3RC3(a)VD2Re3uiRLLMMa27t0iu3Veu0tt0Ou当ui为负半周期时,经V3倒相加在V1和V2的基极,使V1导通,V2截止.电流经C流向RL,同时对电容C进行充电．RL利用二极管进行偏置的电路+Vcc-VEEV1V2VD1V3RC3(a)VD2Re3uiC＋－Ou工作原理:LMMa28t0iu3Veu0tt0Ou当ui为正半周期时,经V3倒相加在V1和V2的基极,使V２导通,V１截止.电流经C流向V2,电容C充当电源对V2进行放电．RL+Vcc-VEEV1V2VD1V3RC3(a)VD2Re3uiC＋－Ou电容C要足够大,使电容的充放时间远大于ui的周期.这样在ui周期变化的过程中,uc基本不变,从而使负载RL上获得稳定的交流电.LMMa29由图可以看出，在相同激励信号作用下，丙类功放集电极电流的流通时间最短，一个周期平均功耗最低，而甲类功放的功耗最高。分析表明，相同输入信号下如果维持输出功率不变，4类功放的效率满足：η甲η甲乙η乙η丙。理想情况下，甲类功放的最高效率为50%，乙类功放的最高效率为78.5%，丙类功放的最高效率可达85%～90%。但丙类功放要求特殊形式的负载，不适用于低频。低频功率放大器只使用前3种工作状态。LMMa304.3.14.3.2保护电路*4.3功率放大器的保护电路LMMa314.34.3.1功放管的管耗与散热功放管的管耗是通过热传导的形式以散热的方式消耗掉的。所谓热传导，是指热能从高温点向低温点传送的现象。为衡量媒质导热能力的强弱,引入热阻的概念。一般地,若A、B两点的温度分别为TA、TＢ,其间导热材料的热阻为RT,则A、B两点间传送的热功率P与TA、TB、RT之间,有如下关系:ABTTTPRLMMa32式中,P为热功率,单位为W;RT为热阻,单位为°C/W。具体到功放电路中,当功放管在环境温度Ta下工作时,由于集电极消耗的功率（即管耗PC）转换为热能,使结温升高为Tj（TjTa）。显然，max()jaCjjTTTPPTTR可见,当Ta、RT一定时,功放管的最高结温Tjmax对应着集电极最大允许功耗PCM，maxjaCMTTTPR式中，Tjmax取决于管子的半导体材料。锗管的Tjmax约为75~100℃；硅管约为(175~200)℃。LMMa33一般来说，环境温度越高,其允许最大的集电极功耗越小。手册上给出的PCM是在环境温度为25℃条件下得到的。在设计功放电路时,为了安全工作起见,常取最高环境温度下的集电极最大允许功耗PCM（Tamax）的90％作为功耗的极限值,即对于大功率晶体管一般需要加散热板以改善散热条件,减小热阻,从而提高PCM。PC≤0.9PCM(Tamax)LMMa344.3.2保护电路从前面的讨论中可以看出,管耗PC过大将导致功放管损坏,限制管耗即可有效地保护