最大输出功率和效率的计算

第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件功率放大电路第九章第九章功率放大电路9.1功率放大电路概述9.2互补功率放大电路9.3功率放大电路的安全运行9.4集成功率放大电路第三版童诗白第三版童诗白本章重点和考点：1.重点掌握功放的最大输出电压、最大输出功率和效率的计算。2.掌握集成功放的使用。本章教学时数：4学时第三版童诗白本章讨论的问题：1.功率放大是放大功率吗？电压放大电路和功率放大电路有什么区别？2.什么是晶体管的甲类、乙类和甲乙类工作状态？3.晶体管的最大耗散功率是否是电路的最大输出功率？晶体管的耗散功率最大时，电路的输出功率是最大吗？4.互补式功放电路的输出功率是否为单管功放电路的二倍？第三版童诗白本章讨论的问题：5.在已知电源电压相同且负载电阻也相同的情况下，如何估算出最大输出功率？6.在已知电源电压相同且负载电阻也相同的情况下，对于不同电路形式的功放，最大输出功率都相同吗？它们与电路中晶体管的工作状态有关吗？7.功放管和小功率放大电路中晶体管的选择有何不同？如何选择？第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件9.1功率放大电路概述能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路，简称功放。功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。功放电路的要求：Pomax大，三极管极限工作=Pomax/PV要高失真要小第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件9.1.1功率放大电路的特点一、主要技术指标1.最大输出功率Pom功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。是交流功率，表达式为Po＝IoUo。最大输出功率是在电路参数确定的情况下，负载上可能获得的最大交流功率2.转换效率功率放大电路的最大输出功率与电源提供的直流功率之比。直流功率等于电源输出电流平均值及电压之积。3.最大输出电压Uom第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件二、功率放大电路中的晶体管在功率放大电路中，为使输出功率尽可能大，要求晶体管工作在极限应用状态。选择功放管时，要注意极限参数的选择，还要注意其散热条件，使用时必须安装合适的散热片和各种保护措施。晶体管集电极电流最大时接近ICM晶体管管压降最大时接近U（BR）CEO晶体管耗散功率最大时接近PCM三、功率放大电路的分析方法采用图解法第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件9.1.2功率放大电路的组成一、为什么共射放大电路不宜用作功率放大电路图9.1.1(a)共射放大电路图9.1.1输出功率和效率的图解分析直流电源提供的直流功率为ICQVCC即图中矩形ABCO的面积。集电极电阻RC的功率损耗为I2CQRC即图中矩形QBCD的面积。晶体管集电极耗散功率为ICQUCEQ即图中矩形AQDO的面积。1.无输入信号作用时第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件图9.1.1输出功率和效率的图解分析2.在输入信号为正弦波时，若集电极电流也为正弦波直流电源提供的直流功率不变负载电阻RL上所获得的功率PO仅为P/Om的一部分。R/L(=RC//RL)上获得的最大交流功率P/Om为)(21)2(20LCQCQLCQmRIIRIP即图中三角形QDE的面积共射放大电路输出功率小，效率低（25℅），不宜作功放。第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件二、变压器耦合功率放大电路传统的功放为变压器耦合式电路电源提供的功率为PV＝ICQVCC，全部消耗在管子上。则可作出交流负载线RL等效到原边的电阻为LLRNNR221)(变压器原边线圈电阻可忽略不计，直流负载线垂直于横轴且过(VCC，0)。第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件CCCQCCCQmVIVIP21220在理想变压器的情况下，最大输出功率为即三角形QAB的面积在输入信号为正弦波时，若集电极电流也为正弦波直流电源提供的功率不变电路的最大效率为:Pom/PV=50℅第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件实用的变压器功率放大电路希望输入信号为零时，电源不提供功率，输入信号愈大，负载获得的功率也愈大，电源提供的功率也随之增大，从而提高效率。变压器耦合乙类推挽功率放大电路图9.13(a)变压器耦合乙类推挽功率放大电路同类型管子在电路中交替导通的方式称为“推挽”工作方式。无输入信号，二管截止有输入信号，二管交替导通第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件功率放大电路的分类在放大电路中，若输入信号为正弦波时，根据晶体管在信号整个周期内导通情况分类甲类(2)tiCOIcm2ICQtiCOIcm2ICQ乙类()tiCOIcmICQ2甲乙类(2)丙类：导通角小于。丁类：功放管工作在开关状态，管子仅在饱和导通时消耗功率。集电极电流iC将严重失真。第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件三、无输出变压器的功率电路OutputTransformerless（OTL电路）用一个大容量电容取代了变压器(电容：几百~几千微法的电解电容器）图9.1.4OTL电路静态时：前级电路应使基极电位为VCC/2，发射结电位为VCC/2，故电容上的电压也VCC/2。单电源供电。T1和T2特性对称工作时：T1和T2轮流导通，电路为射极跟随状态。OTL工作在乙类工作状态，会出现交越失真。如何消除？动画avi\17-4.avi第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件四、无输出电容的功率放大电路OutputCapacitorless（OCL电路）双电源供电,T1和T2特性对称图9.1.5OCL电路静态时:T1和T2均截止，输出电压为零。工作时:T1和T2交替工作，正、负电源交替供电，输出与输入之间双向跟随。不同类型的二只晶体管交替工作，且均组成射极输出形式的电路称为“互补”电路；二只管子的这种交替工作方式称为“互补”工作方式。第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件五、桥式推挽功率放大电路BalancedTransformerless（BTL电路）图9.1.6BTL电路单电源供电，四只管子特性对称静态时，四只晶体管均截止，输出电压为零。当ui0时，T1和T4导通，T2和T3截止，负载上获得正半周电压；当ui0时，T2和T3导通，T1和T4截止，负载上获得负半周电压。因而负载上获得交流功率工作时，第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件9.2.1OCL电路的组成及工作原理一、电路组成RLT1T2+VCC+ui+uoVCCui0T1导通T2截止iC1io=iE1=iC1,uO=iC1RLui0T2导通T1截止iC1io=iE2=iC2,uO=iC2RLui=0T1、T2截止9.2互补功率放大电路目前使用最广泛的功放是OTL电路和OCL电路若考虑三极管的开启电压，输出波形将产生交越失真。动画avi\17-3.avi第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件二、消除交越失真的OCL电路的工作原理tiC0ICQ1ICQ2消除交越失真思路：图9.2.2消除交越失真的OCL电路RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiR3ui=0，给T1、T2提供静态电压UB1、B2＝UD1＋UD2＋UR2UB1、B2略大于T1管发射结和T2管发射结开启电压之和，两管均处于微导通状态，即都有一个微小的基极电流，分别为IB1和IB2。静态时应调节R1，使UE为0,即u0为0。动画avi\17-2.avi第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件当ui=0时，T1、T2微导通。当ui＞0(至)，T1微导通充分导通微导通；T2微导通截止微导通。当ui＜0(至)，T2微导通充分导通微导通；T1微导通截止微导通。当输入信号为正弦交流电时图9.2.3T1和T2管在ui作用下输入特性中的图解分析二管导通的时间都比输入信号的半个周期更长，功放电路工作在甲乙类状态。第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件9.2.2OCL电路的输出功率及效率当输入电压足够大，且又不产生饱和失真的图解分析图9.2.4OCL电路的图解分析图中I区为T1管的输出特性，II区为T2管的输出特性；二只管子的静态电流很小，可认为Q点在横轴上。Uop=VCC–UCES最大输出电压幅值最大不失真输出电压的有效值2UVUCESCCO－＝m动画avi\17-1.avi第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件最大输出功率L2CESCCLO2OR2UVRUP）－（＝＝mm电源VCC提供的电流tisinRUVLCESCCC－＝电源在负载获得最大交流功率时所消耗的平均功率等于其平均电流与电源电压之积。0CCLCESCCVVsinRUV1Ptdt－＝LCESCCCCVRUVV2P）－（＝转换效率CCCESCCVOVUV4PP－＝＝m理想情况下，UCES可忽略；但大功率管UCES较大，不能忽略第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件复习：1.功放电路的性能指标：最大输出电压、最大输出功率和效率2.功放电路的分类：甲类、乙类、甲乙类、丙类和丁类变压器耦合、OTL、OCL和BTL3.OCL功放的性能指标：2UVUCESCCO－＝mUop=VCC–UCESL2CESCCLO2OR2UVRUP）－（＝＝mmLCESCCCCVRUVV2P）－（＝CCCESCCVOVUV4PP－＝＝m第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件9.2.3OCL电路中晶体管的选择一、最大管压降UCEmax=2VCC二、集电极最大电流LCES1CCEmaxCmaxRUV－＝IILCCCmaxRV＝I三、集电极最大功耗）－（　＝＝4UUVR1sinRU)sinUV(2121POM2OMCCL00LOMOMCCTttdttdiuCCE如何求PT的最大功率？RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiR3第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件CCCCOMV6.0V2U0＝，可以求得，令OMTdUdPm0L2CC2maxTP2.0RVP＝晶体管集电极最大功耗仅为最大输出功率的五分之一。在查阅手册选择晶体管时，应使极限参数BUCEO＞2VCCICM＞VCC/RLPCM＞0.2Pom第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件[例9.2.1]在图9.2.2所示电路中已知VCC＝15V，输入电压为正弦波，晶体管的饱和管压降UCES＝3V，电压放大倍数约为1，负载电阻RL＝4欧，（1）求解负载上可能获得的最大功率和效率（2）若输入电压最大有效值为8V，则负载上能够获得的最大功率为多少。解（1）Wmm18R2UVRUPL2CESCCLO2O）－（＝＝628.0VUV4PPCCCESCCVO－＝＝m（2）因为UO≈Ui，所以UOm≈8V。最大输出功率Wmm1648RUP2LO2O＝＝RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiR3第九章功率放大电路赣南师范学院物电学院电工电子教研室－－模拟电路多媒体课件9.4集成功率放大电路OTL、OCL和BTL电路均有各种不同电压增益多种型号的集成电路。只需外接少量元件，