第8章 功率放大器

第8章功率放大电路§1功率放大电路的一般问题§2射极输出器－甲类放大的实例§3互补对称功率放大电路§4甲乙类互补对称功放电路§5集成功率放大器例：扩音系统1、功率放大器的作用：功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。用作放大电路的输出级，以驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。因此，要求同时输出较大的电压和电流。管子工作在接近极限状态。§1功率放大电路的一般问题功率放大电压放大信号提取一、特点与要求2、功放电路的特点(1)在允许的非线性失真范围内，要有尽可能大的输出功率。ICMPCMUCEMiCuCE(2)h参数等效电路法不适用，只能用图解法分析。(3)功率放大管处于极限运用状态。(4)电源提供的能量尽可能转换给负载，减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（）。Pomax:负载上得到的交流信号功率。PE：电源提供的直流功率。%100maxEoPP一、特点与要求提高效率减小失真管子的保护3、要解决的问题功率放大电路与前面介绍的电压放大电路没有本质上的区别！1.按工作点位置分乙类：导通角等于180°甲类：一个周期内均导通甲乙类：导通角大于180°丙类：导通角小于180°iCuCEQiCtQQQ二、分类2.按耦合方式分阻容耦合（OTL）变压器耦合直接耦合二、分类RB+ECC1C2TRERLuiuo特点：电压增益近似为1，电流增益很大，输出电阻小，带负载能力强。(1)1(1)oLuibeLURAUrR§2射极输出器－甲类放大的实例一、电路结构及工作原理uoioui-EE-++ECRLT1REiBIASIREFT3T2iBIAS=IREFuoioui-EE-++ECRLT1一、电路结构及工作原理uoioui-EE-++ECRLT1iBIAStOi(0.6)VuuBiAS0.6VU设发射结偏置电压为则输出电压t设T1的饱和压UCES≈0.2Vuo正向振幅最大值omC0.2VUEuo负向振幅最大值若T1首先截止omBIASLUIR若T3首先出现饱和omE0.2VUEIREFT3T2iBIAS=IREFuoioui-EE-++ECRLT11.85A815v14.82omom113.69W2LUPR14.814.8放大器的效率omCE100%24.7%()PηPP-15v1电路形式2变压器的作用起“隔直通交，阻抗变换”的作用。采用B的优点：提高了电源电压的利用率，使输出动态范围变大。B的初级绕组等效电路三、单管甲类功率放大器Rb1ReRb2RL+ECCeBR'L=n2RLiLU1II1IC(mA)UCE(V)3电路分析（1）直流负载线与静态工作点UCE=EC－IERe≈EC－ICReRe用于稳定Q点，通常很小，故UCE≈EC实际212212()bBCbbBBEBCEeebCbbeRUERRUUUIIRRRERRR这样就可以决定静态工作点UCE≈ECECRb1ReRb2RL+ECCeB三、单管甲类功率放大器Q3电路分析Rb1ReRb2RL+ECCeB三、单管甲类功率放大器IC(mA)UCE(V)UCE≈ECECuotibiot1'1LtgR（2）交流负载线由uce的波形可见，T的uCE在某些时候大于电源电压EC，这是因为变压器的初级绕组中感应电动势的正半周与直流电源的极性一致的缘故。Q3电路分析Rb1ReRb2RL+ECCeB三、单管甲类功率放大器IC(mA)UCE(V)UCE≈ECECuotiot1'1LtgRQ（3）最佳交流负载线当负载RL给定后通过调整Q点和变压器的n，便得到一个最佳交流负载线，即输出电压和电流的幅度均为可能的最大值2EC2ICQ2ICQ接近于ICM2EC接近于UCEM（4）输出功率和效率在忽略饱和压降和穿透电流的情况下POM=UceIc112222cemcmcemcmCCQUIUIEI3电路分析Rb1ReRb2RL+ECCeB三、单管甲类功率放大器IC(mA)UCE(V)UCE≈ECECuotiot1'1LtgRQ2EC2ICQ（4）输出功率和效率直流电源供给的功率：ICQiot无信号有信号PE=ECICQ即不论是否有信号，电源供给的功率总是ECICQ则实际效率约为25%~30%%50%100PPEOM（5）集电极的耗散功率PC=PE－Po在PE不变时：Po↑→PC↓当Po=0时，即无信号输入时，PC=PE这时集电极的耗散功率为最大：PC=PE=2Po4功放电路提高效率与减小失真的矛盾办法：降低Q点但又会引起截止失真采用推挽输出电路，或互补对称射极输出器若能控制ICQ随输入信号变化而变化，则可解决效率问题。Rb1ReRb2RL+ECCeB3电路分析三、单管甲类功率放大器例：对单管甲类功率放大器，电容认为短路，N1∶N2=1000∶160，且为理想变压器，求：（1）负载上所得到的最大不失真功率POM；（2）电路的效率η（3）T的极限参数：PCM、UCEM、ICM212261.695.12BCRUEvRR解：（1）电路静态时，如果忽略T的基极电流，则UE=UB－UBE=1.69－0.7=0.99vICQ=UE/Re=0.99/0.051=19.4mAUCEQ=EC－UE=6－0.99=5v5.1k2k51Ω8Ω6vRb1ReRb2RL+ECCeB三、单管甲类功率放大器19.4iC(mA)uCE(v)5vQ交流负载线：R'L=n2RL=(1000/160)2×8=0.3125k∴α=－tg－1(1/R'L)≈72o72o由此算出交流负载线与横轴的交点为：5+ICQ/tg72o=11.3v与纵轴的交点为：11.3×tg72o=34.8mA72o该电路输出电流的不失真幅度：Icm=34.8－19.4=15.4mA该电路输出电压的不失真幅度：UCEm=5v最大不失真输出功率：POM=UcemIcm/2=5×15.4/2=38.5(mw)5.1k2k51Ω8Ω6vRb1ReRb2RL+ECCeB19.4iC(mA)uCE(v)5vQ11.3v34.833%omCCQPEI（2）电路的效率：（3）极限参数：POM≥2POM=2×38.5=77mwUCEO≥2Ucem=2×5=10vIcm≥2ICM=2×15.4=30.8mA三、单管甲类功率放大器OTL:OutputTransformerLessOCL:OutputCapacitorLess互补对称功放的类型：互补对称功放的类型无输出变压器形式（OTL电路）无输出电容形式（OCL电路）§3互补对称功率放大电路（OTL）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。组成互补对称式射极输出器一、OTL电路iC1iC2T1T2RLECECui-ECT1T2uo+ECRLiL1、电路组成NPN型iCuoRLPNP型iCuoRLic1ic2静态时：ui=0VT1、T2均不工作uo=0V动态时：ui0VT1截止，T2导通ui0VT1导通，T2截止iL=ic1;ui-ECT1T2uo+ECRLiLiL=ic2注意：T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作。2、工作原理（设ui为正弦波）一、OTL电路3、特点：(1)静态电流ICQ、IBQ等于零；(2)每管导通时间等于半个周期；uiuououo´交越失真死区电压4、输入输出波形图ic1ic2ui-ECT1T2uo+ECRLiL一、OTL电路假设（1）ui为正弦波且幅度足够大，T1、T2工作于极限状态；（2）不考虑死区电压，忽略晶体管的饱和压降。负载上得到的最大功率为：则RL上的电压和电流分别为：mmsinsinsinsinooCCooLuUtEtEiIttR2max1222CCCoLLEEEPRR5、分析计算ui-ECT1T2uo+ECRLiLiCuCEQ●CLERECiCuCE●QECCLER一、OTL电路负载上得到的最大功率为：2max1222CCCoLLEEEPRR5、分析计算ui-ECT1T2uo+ECRLiL电源提供的直流平均功率计算：每个电源中的电流为半个正弦波，其平均值为:两个电源提供的总功率为：1201sin()2CCavavLLEEIItdtRR21222CCEEECLLEEPPPERRtic1CLER22max278.5%24oCCLLEPEERRP效率为：一、OTL电路管耗的计算：两个晶体管的总功耗为：000021()2sin1sin()2114CLCCCLCLuEudtREtEEtdtRER1212ETTTPPPP5、分析计算ui-ECT2101()2TceoPuidtT1uo+ECRLiL一、OTL电路6、存在的问题50820LLLUPRV2、阻抗不匹配例如：RL=8Ω，PL=50w时负载两端电压的有效值为幅值ULm=UL=28.3v2此时，电源电压必须大于28.3v，功放管耐压要求大于57v。3、要求两种不同类型的功放管（NPN和PNP）且要求特性比较对称。4、需要两个电源供电。1、存在交越失真。ui-ECT2T1uo+ECRLiL一、OTL电路二、互补对称功率放大电路的改进用一个电源供电的电路EC/2RLT1T2+ECCAUL+-UCui特点单电源供电；输出加有大电容。ui-ECT2T1uo+ECRLiL动态分析若输出电容足够大，其上电压基本保持不变，则负载上得到的交流信号正负半周对称，但存在交越失真。ic1ic2交越失真（UC相当于电源）（1）当ui＞0时，T1导通、T2截止；（2）当ui＜0时，T1截止、T2导通。EC/2RLT1T2+ECCAUL+-UCui电路刚接通时，由于EC的作用，给C充电，直到充电电压为EC/2时，T1、T2静止；二、互补对称功率放大电路的改进用一个电源供电的电路ui+ECRLT1T2T3CRA中间级代替EC/2调节R,使静态,UC3=0.5ECic1ic2EC/2RLT1T2+ECCAUL+-UCui二、互补对称功率放大电路的改进用一个电源供电的电路D1D2ui+ECRLT1T2T3CRARe1Re2D1、D2使b1和b2之间的电位差等于2个二极管正向压降，克服交越失真D的r小，R大，因此，两个二极管的交流压降小，使ui能够顺利地加到功放管。Re1、Re2：电阻值1~2，射极负反馈电阻，也起限流保护作用b1b2§4甲乙类互补对称功放电路一、改善交越失真的电路+EC-ECuiiLRLT1T2A二、改善低频特性的电路（OCL）存在交越失真OTL电路中的电容使低频特性变差。1、OTL电路中的问题D1D2ui+ECRLT1T2T3CRARe1Re2b1b22、克服交越失真的措施：R1D1D2R2静态时:T1、T2两管发射结电位分别为二极管D1、D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态；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基极电位进一步提高，进入良好的导通状态。电路中增加R1、D1、D2、R2支路二、改善低频特性的电路（OCL）+EC-ECuiiLRLT1T2A为更好地和T1、T2两发射结电位配合，克服交越失真，电路中的D1、D2两二极管可以用UBE电压倍增电路替代。3、UBE电压倍增电路B1B2+-BER1R2UIBI合理选择R1、R2大小，B1、B2间便可得到UBE任意倍数的电压。假设IIB，则221RRRUUBE二、改善低频特性的电路（OCL）R1D1D2R2+EC-ECuiiLRLT1T2AR1D1D2R2+EC-ECuiiLRLT1T2A3、UBE电压倍增电路二、改善低频特性的电路（OCL）+EC-ECULuiiLRLT1T2BER1R2IBI二、改善低频特性的电路（OCL）+EC-ECULuiiLRLT1