以消除交越失真

第5章低频功率放大器25.2互补推挽功率放大器5.3其它形式的功放电路5.4功率器件、散热及保护电路5.1概述3第五章作业(p188~p189)5-65-75-9(1)(2)(3)(4)45.1概述5.1.1功率放大器的主要指标5.1.2功率放大器的分类55.1.1功率放大器的主要指标功率放大：以输出功率为重点，驱动负载。电压放大：不失真地增大输出信号电压幅度，以驱动功放。功率放大实质上也是能量转换电路，它的主要特点就是工作在大信号状态下。1.预备知识电压放大和功率放大有不同的特点及指标要求，在多级放大器中，电压放大器处于前置级和中间级，而功率放大处在末级（也可能包括末前级），以驱动负载。6效率η：放大器的输出信号功率与直流电源供给功率之比。2.主要指标%100UoPP%100UoCPPoP功率放大器在线性区能够向负载提供的最大交流功率。a.工作在线性区；op（1）输出功率注意：b.提供的最大交流功率（管子充分利用或称尽限运用）。UP：直流电源供给集电极和偏置电路等直流功率之和。UP晶体管集电极效率：输出功率Po与电源供给集电极的直流功率之比。UPc（2）功率放大器的效率η和晶体管集电极效率c72.主要指标cUoPPP直流电源供给功率一部分变成了有用的输出信号，剩余的部分主要变成了晶体管的管耗，即：（3）非线性失真由于功放工作在大信号状态下，所以很容易导致输出信号产生非线性失真。要求功放产生的非线性失真尽可能小。结论：功率放大器的任务是:在确保晶体管安全运用情况下，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。UPcP85.1.2功率放大器的分类180导通角90导通角功率放大器根据功放管的导通时间的长短进行分类。（1）甲类（A类）工作状态在输入信号的整个周期内晶体管都是导通的。（2）乙类（B类）工作状态在输入信号的半个周期内晶体管导通。95.1.2功率放大器的分类18090（3）甲乙类（AB类）工作状态是介于甲类和乙类之间的工作状态，晶体管导通的时间大于半个周期，但小于一个周期。（4）丙类（C类）工作状态晶体管导通的时间小于半个周期。90105.1.2功率放大器的分类CESCEUu（5）丁类（D类）工作状态此时，晶体管处于开关状态，即在输入信号的半个周期内饱和导通；在另外半个周期内，晶体管截止。饱和导通：五类功放的效率满足下式：丁丙乙甲乙甲115.2互补推挽功率放大器5.2.1乙类推挽功率放大器的工作原理5.2.2乙类推挽功率放大器的分析计算5.2.3乙类推挽功率放大器的非线性失真12采用乙类的原因：由于晶体管只在半个周期内导通，因此晶体管的集电极静态电流，所以一个周期内晶体管的平均功耗小。5.2.1乙类推挽功率放大器的工作原理显然，集电极电流产生了严重的非线性失真选用两只特性完全相同的异型晶体管，轮流工作在乙类状态。如何解决非线性失真和高效率的矛盾？从而在负载上获得完整的输出波形。0CQI131.电路结构（1）和是一对对称的异型晶体管；（2）和分别与负载组成射极跟随器；（3）采用两组电源供电。两管交替工作，一只在输入信号正半周导通，另一只在负半周导通，犹如一推一挽，在负载上合成完整的波形。1VT2VT1VT2VTLRCCU142.工作原理注：以下的分析中不考虑门限电压。iuCCUouCCU2VT1VT电路0iu两管基极的静态电位为零两管均截止0II2CQ1CQCC2CEQ1CEQUUU152.工作原理iuCCUouCCU2VT1VT电路0iu导通，截止与组成射极跟随器在上得到上半周波形iu1Ei输入信号在正半周的情况1VT2VTLR1VTLR162.工作原理电路0iu导通，截止与组成射极跟随器在上得到下半周波形iuCCUouCCU2VT1VTiu2Ei输入信号在负半周的情况1VT2VTLR2VTLR172.工作原理21EELiiiiuCCUouCCU2VT1VT1Ei2Ei18LCCRUCCU1CEuCESNuoLCCRUCESPuoCCUQ静态时0,2121CQCQCCCEQCEQIIUUU两管的Q重合5.2.2乙类推挽功率放大器的分析计算组合特性曲线iuCCUouCCU2VT1VT1Ei2EiLR1CCUCCLURCCLUR1.组合特性曲线由于功放电路工作在大信号状态下，不能采用微变等效电路分析，必须采用图解法分析。为了便于分析，将VT2的特性曲线倒置在VT1特性曲线的下方，它们的静态工作点重合。CC2EC1CEU2uu19CCULCCRULCCRU0iu工作原理分析0iuiuCCUouCCU2VT1VT1Ei2Ei20CCULCCRULCCRUA2.输出功率LoRUPCC22maxop22cemcmoUIPcemcmUI21不考虑uCES时，输出功率是ΔAQO的面积，此时输出功率最大。两个晶体管的输出功率为：定义电压利用系数CCcemUU/222222121LCCLCESCCLcemoRURuURUP)(时当1即忽略晶体管的饱和压降结论：oP通常所指的输出功率是指在线性区得到的最大输出功率。如一功率放大器输出功率为10W，就是这个意思。实际输出功率与激励信号的大小有关。op213.直流电源供给晶体管集电极的直流功率。均值(为每管集电极的电流平直流电流）0IcmcItdiI200)(21LCCURUP2max21时，当CCUUIP02LCCRU221Ci2CiCCcmUI2CCLcemUURUP2直流电源供给晶体管集电极的直流功率是由两个电源供给的，由于每个晶体管只导通半周期，故流过每个集电极的电流为半个周期的非正弦波。可见，输入信号越大，即ξ越大，需要提供的直流电源供给功率PU就越大；反之，输入信号越小，需要提供的直流电压功率就越小。当输入信号为零时，直流电源不需要提供功率。00minUP时，当这说明电源供给的直流功率不是恒定不变的，而是根据输入信号大小而变化。因此乙类功放的效率高（与甲类进行比较）。224.集电极效率cUopp4时，效率最高＝当1%5.784maxc222LCCoRUPLCCURUP22ηcmax称为理论极限效率。可见，乙类推挽功放的集电极效率与电压利用系数ξ成正比。235.对晶体管的要求（1）集电极功耗Pc：每管的集电极损耗。222LCCoRUP通过管耗的表达式可以画出和ξ的关系曲线)(21oUcPPP2224LCCLCCRURU能否认为输入信号越大越大），管耗就越大呢？(LCCURUP22上式均是对两管而言的，而集电极功耗是对每一管子而言的。管耗也与ξ有关。在选管时，为了保证晶体管安全工作，可以以此作为选管依据。0ddPCmaxmax2max2.022oocPPP时，PPCM20.cPUP21oP21245.对晶体管的要求CCCEOBRUU2)(处于截止状态的晶体管的c极和e极之间承受的反压21CECCcemuUU)(CESCCCCuUUCCU2（3）集电极最大允许电流指功放管导通时，流过管子的最大电流。LCCLcemCMRURUI//CEO)BR(U（2）反向击穿电压结论：为确保晶体管安全工作，必须同时满足上面的三个条件。图示的双电源供电的互补推挽功率放大器称为OCL（OutputCapacitorLess)电路。时当0iu，导通，截止，情况一样。2VT1VT0iu，导通，截止，1VT2VT当25例5－1一双电源互补对称电路如图所示，设已知UCC=12V,RL=16Ω,输入信号为正弦波，求（1）忽略饱和压降时，负载得到的最大输出功率Pomax；(2)每个管子的PCM至少为多少？(3)每个管子的耐压为多少？4.5W162122122LCCoRUPmax）（W9.05.42.02.0maxmaxocPPW9.0CMPV241222)(CCCEOBRUU解：(2)每管允许承受的管耗：故要求管子允许的最大管耗为：(3)每管的耐压为：26例5－2电路如图所示，电源电压±UCC＝±20V，RL＝8Ω，试计算当输入信号为正弦信号，且有效值为10V时，电路的输出功率、管耗、直流电源供给功率和效率。解：时V10iUV14.14102imU导通时，VT1和VT2均构成共集电路，因此,1umAV.1414imomcemUUU故输出功率：W50.12814.14212122LcemoRUP)2(21)(2121oCCooUCCPUIPPPP每管实际承受的管耗：于是而，，LcemcmoRUIIW01.5)50.12814.32014.142(21)2(2121oLCCcemCCPRUUPP27直流电源供给的功率：W522202.1050.1221.PPPCoUW52222081431414222...CCLcemCCoUURUUIP或%..%505520141444100UocPP效率：应当指出，由于输入信号偏小，这时电路未处于充分利用或尽限运用，输出功率未达到线性区最大输出功率，故效率偏低。285.2.3乙类推挽功率放大器的非线性失真tUuimicos设)cos()2cos(2)cos(21101ncmncmEtnItIcmtIIi)cos()22cos(2)cos(21102ncmncmEntnItIcmtIIi1.推挽电路对偶次谐波的抑制推挽电路中，若两管的特性完全一致，则其电压、电流波形也完全对称。21EELiii)3cos(2)cos(23311tItIcmcm可见，对称的电路可以消除偶次谐波成分。292.交越失真及消除方法CESCESPCESNuuu理想传输特性（不考虑门限电压）（1）传输特性在实际传输特性中，必须考虑三极管发射结的门限电压值。可以看出，当输入信号的绝对值小于0.7V时，没有输出，因此输出信号会出现明显的失真。是NPN管的集电极饱和电压CESNU传输特性的斜率为什么为1？302.交越失真及消除方法Vuo/Vuo/Vui/CESCCUUCESCCUU交越失真实际传输特性及输出电压波形如图所示：（2）交越失真交越失真是指发生在信号穿越过零点时产生的失真。312.交越失真及消除方法由图看出，交越失真是由晶体管发射结门限电压引起的，因此，若能给两个晶体管发射结加入适当的正向偏置电压,使每个管子导通时间略超过T/2，以克服两管发射结死区电压的影响，就可以消除交越失真。原理电路（3）消除交越失真的方法a.改为甲乙类工作状态交越失真该图是原理电路，实际上，在集成电路中，正向偏置不会直接采用电压源的方式，可以用电阻、二极管和三极管等元器件来提供。图中，给两个晶体管加入了同样的正偏电压，由于此时晶体管的导通时间已大于半个周期，因此此时的工作状态是甲乙类工作状态。但由于其工作状态十分接近于乙类，故仍可按乙类的功放进行分析。2BBU322.交越失真及消除方法1131CEBBEIRUU21132CEBBEIRUU实际电路1：实际电路2：显然，在该电路中，正向偏压是由和的正向电压提供。1VD2VD电容是保证在交流时，加在和基极的输入信号是相同的。1C2VT3VT在该电路中，是放大级，和构成互补推挽功放，正向偏压是利用流过的直流电流在上产生的压降提供的。1VT2VT3VT1R1CI1R332.交越失真及消除方法212RUIBER)1(211RRUUBEBB32EBBEBBUUU令2211RIRIURRBB且)(212RRIURBB实际电路3：恰当选择电阻R1、R2，使IB1可以忽略不计，则调整R1、