第五章 功率放大电路

DepartmentofElectronicsandInformationScience概述5.2乙类互补功率放大电路5.3其它类型互补功率放大电路DepartmentofElectronicsandInformationScience概述功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。为了获得大的输出功率，必须使输出信号电压大；输出信号电流大；放大电路的输出电阻与负载匹配。前述的电压放大器，三极管（场效应管）均360°导电，称为甲类工作状态，其输出功率由功率三角形确定。DepartmentofElectronicsandInformationScience常用的功率放大器:甲类360°导电(1)甲类功放。Q点一般在交流负载线中央，静态功耗（PQ=VCEQ*ICEQ）大，管子360°导电，工作效率低，理论上不超过25%。效率低的原因是静态功耗太大！DepartmentofElectronicsandInformationScience(2)乙类功放。Q点处ICQ=0,管子导电约180°，单管只能放大一半信号，实用上采用NPN和PNP二个管子互相补充放大。乙类180°导电出现新问题“交越失真”！DepartmentofElectronicsandInformationScience(3)甲乙类功放Q点设在ICQ0处,管子导电大于180°互补对称电路较好地解决了交越失真问题。甲乙类180°～360°导电DepartmentofElectronicsandInformationScience(4)丙类功放管子导电小于180°，用于高頻放大器。丙类180°导电DepartmentofElectronicsandInformationScience乙类互补功率放大电路5.2.1乙类互补功率放大电路的工作原理DepartmentofElectronicsandInformationScience乙类互补对称功率放大电路的工作原理（1）电路组成它由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成。这种电路也称为OCL互补功率放大电路。乙类互补功率放大电路及波形DepartmentofElectronicsandInformationScience（2）工作原理Vi正半周时，NPN管导电，负载RL上流过方向由上到下的电流，与假设正方向相同。Vi负半周时，PNP管导电，反方向电流通过RL，于是两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电。理想情况下，在负载上得到一个完整的不失真波形。动画5-1DepartmentofElectronicsandInformationScience乙类功放存在的缺点。Q点设在ICQ=0处,从输入特性上来说，Q点在原点。输入信号必须克服死区0.5V段和非线性严重的0.5~0.6V段。Ib失真、Ic失真、Vo产生失真。QDepartmentofElectronicsandInformationScience这种在正、负半周交替过零附近出现非线性失真——交越失真。交越失真动画5-2动画5-3DepartmentofElectronicsandInformationScience为解决交越失真，可给三极管稍加一点偏置，(图a加的二极管D1,D2和图b的R1,R2,T4)使之电路工作在甲乙类互补功率放大。(a)利用二极管提供偏置电压(b)利用三极管提供偏置图甲乙类互补功率放大电路DepartmentofElectronicsandInformationScience（3）参数计算1)最大不失真输出功率Pomax设互补功率放大电路为乙类工作状态，输入为正弦波。负载上的最大不失真功率为：L2CCL2CESCCL2CESCCL2oomax22)()2(V=RVRVVRVVRPDepartmentofElectronicsandInformationScience直流电源提供的功率为正弦波的平均功率，信号越大，电流越大，电源功率也越大。LomCCπ0LomCCπ0omCCCCCCVπ2)d(sinπ1)d(sinπ212=RVVttRVVttIVIVP2)电源功率PV即PV∝Vom。当Vom趋近VCC时，PV近似与电源电压的平方成比例。DepartmentofElectronicsandInformationScience)三极管的管耗PT电源输入的直流功率，有一部分通过三极管转换为输出功率，剩余的部分消耗在三极管上，形成管耗。L2omLomCCoVT2π2=RVRVVPPP将PT画成曲线如图。0LomLCComTπ2RVRVdVdP64.0π2CComVVDepartmentofElectronicsandInformationScience管耗PT与Vom成非线性关系，最大值PTmax发生在Vom=0.64VCC处，将Vom=0.64VCC代入PT表达式，可得PTmax为omaxomaxomaxL2CC2L2CCL2CCLCCCCL2omLomCCTmax4.04.08.0264.02π56.22)64.0(π64.022π2=PPPRVRVRVRVVRVRVVPomaxTmax2.0PP对一只三极管管耗与输出幅度的关系DepartmentofElectronicsandInformationScience)效率η当Vom=VCC时，效率达到最大值。%5.784π4ππ22CComomCComomVoVVIVVIPPDepartmentofElectronicsandInformationScience(4)大功率三极管输出特性曲线的分区在大功率三极管的输出特性中，除了与普通三极管一样分有放大区、饱和区、截止区外，从使用和安全角度还分有过电流区过电压区过损耗区它们的位置如图所示。图三极管的极限工作区过电流区是由最大允许集电极电流确定的，超过此值，β将明显下降。过电压区由c、e间的击穿电压V(BR)CEO所决定。过损耗区由集电极功耗PCm所决定。DepartmentofElectronicsandInformationScience其它类型互补功率放大电路除了双电源的标准互补功率放大电路外，还有一些其它类型的互补功率放大电路。5.3.1单电源互补功率放大电路5.3.2采用复合管的互补功率放大电路5.3.3集成功率放大器DepartmentofElectronicsandInformationScience单电源互补功率放大电路1）单一电源供电。2）要求Vp静态电位等于VCC/2。3）电容C串联在负载与输出端之间。4）电路也称为OTL功放电路。5）C由下限频率确定，即CRfLL2π1=LLπ21fRC(1)单电源互补功率放大电路动画5-4图5.07单电源OTL互补功率放大电路DepartmentofElectronicsandInformationScience(2)静态工作点稳定原理图单电源OTL互补功率放大电路设Vp上升，则VpVIIVIIVVpCECBCCBB3331111VpVIIVCECBB2222(3)存在的问题随着输出正半周幅值增大P点增高，导致T2的Ib2减小，P点电位越高，Ib2越小、IC2也越小，输出正半周幅值达不到接近Vcc/2.DepartmentofElectronicsandInformationScience图单电源OTL互补功率放大电路(4)解决办法采用“自举”电路，当Vp电位升高时，电容C两端电压不会突变，D点电位也上升，D点电位可以升到高于Vcc，使Ib2不减小，保证T2的输出。DepartmentofElectronicsandInformationScience采用复合管的互补功率放大电路当输出功率较大时，输出级的推动级，即末前级也应该是一个功率放大级。此时往往采用复合管，复合管有四种形式。复合管的极性由前面的一个三极管决定。由NPN-NPN或PNP-PNP复合而成的一般称为达林顿管。图四种类型的复合管DepartmentofElectronicsandInformationScience图复合管电流关系bbbCCbCCeCIIIIIIIIII1211211212122121)1(复合管电流关系：DepartmentofElectronicsandInformationScience://集成功率放大器LM3845WAudioPowerAmplifierDepartmentofElectronicsandInformationScience://镜像电流源差分放大功率放大推动级，电压放大I1I2I1=I2有源负载过载保护DepartmentofElectronicsandInformationScience://://