第04章-功率放大器及其应用

1第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六第4章功率放大器及其应用功率放大器功率放大器的应用本章小结2第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六功率放大器简称功放，是一种向负载提供功率的放大器。一般多级放大器总要带动一定的负载，如扬声器、电动机、仪表指针等，这都需要输出一定的功率，因而一般多级放大器最后一级都要设置为功率放大器。差分放大器功率放大器，提供较强输出功率（电流）以驱动负载多级放大器OUT3第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六4.1功率放大器主要要求：1.掌握功率放大器的分类2.了解功率放大器的工作原理3.了解功率放大器的基本参数及应用4第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六功率放大器的基本特点1.输出功率足够大放大器实质都是将电源的直流功率转化为负载输出的交变功率，转换效率是其重要性能指标，效率高、损耗小才是理想的功放。功放的工作于大信号输入状态，无法使用小信号的微变等效方法。消耗的那部分功率以热能形式散发。2.效率尽可能高3.非线性失真尽可能小4.散热须良好5.分析应用图解法，微变等效电路法不适用5第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六4.1.1甲类功率放大器按照功放管的静态工作点位置不同，其工作状态可以分为甲类、乙类和甲乙类放大等形式。Q点在放大区正中央Q点在放大区与截止区临界Q点在放大区但接近截至区导通角2π导通角π导通角π～2π6第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六1.阻容耦合放大器三极管T的静态工作点位置必须居中，即工作于甲类放大状态，只有这样才能保证输出的电流、电压在线性放大区有最大摆动幅度，才输出最大不失真功率。7第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六A功放的最大不失真输出功率是指在正弦信号输入下，失真不超过额定要求时，电路输出最大信号功率，用最大输出电压有效值和最大输出电流的乘积表示。输出断路测量时，cmcemcmcemom2122IUIUPUcem表示最大不失真的集电极－发射极正弦电压幅值，Icm表示集电极正弦电流的幅值。Pom为三角形ABQ的面积8第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六效率是功放的重要参数，是指负载得到的信号功率和电源供给的功率比值的百分数，即η＝Pom/PV，其中PV为直流电源提供的功率，为20CCCV)(21tdiUPtIItIIisinsincmCQcmCC而20CQCCcmCQCCV)()sin(21IUtdtIIUP故CQCCcmcemm2IUIU则电路效率为功放工作在甲类状态时电源供给功率与输出信号电流iC无关。即无论有无信号输入输出，电源供给功率是固定的。9第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六管耗即功放管消耗的功率，主要发生在发射极上，称为集电极耗散功率PT。20CCET)(21tdiuPtUUuiusincemCEQCECCE为总瞬时值，、式中，tIIisincmCQC20cmCQcemCEQT)()sin)(sin(21tdtIItUUPomCQCEQcmcemCQCEQ21PIUIUIU此式说明电源供给功率由输出信号功率和管耗两部分组成，未加输入信号时管耗最大达到UCEQICQ，有信号输入则管耗减小，减小的部分就是输出功率Pom。10第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六例4.1.1电路如下，UCC＝12V，RL为一只8Ω的扬声器，求最大不失真输出功率、效率及功耗。[解]静态工作点为VUmAI520CEQCQ，Q点11第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六20μA交流负载线上可知，最大不失真的Icm=20mA，Ucem=0.16V，故有mW6.1mA20V16.02121cmcemomIUPmW240mA20V12CQCCVIUP%67.0%100mW240mW6.1VommPPmW4.98mW6.1mA20V5omCQCEQT＝－PIUP虚线是更为理想的交流负载线12第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六2.变压器耦合单管功率放大器利用变压器的阻抗变换作用，可将负载电阻RL换算到变压器一次侧，对于理想变压器来说为变压器的变比。，式中21L2L/NNnRnR可以利用上式把交流负载电阻变换成所需数值。变压器的一次绕组直流电阻很小，Re电阻很小，故直流负载线几乎是竖直的，交横轴uCE于UCC点。可见其交流通路中，有L2CLCoRniRiuTransformer13第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六交流负载线斜率-1/n2RL，交横轴于2UCC，交纵轴于2ICQ。此时输出功率最大，为CQCCcmcemom2121IUIUP此时效率也最大，为%502122CQCCCQCCCQCCcmcemmIUIUIUIU以上推倒过程均为理想状况下，故而可见甲类功放最高效率只有50%，一般变压器也存在损耗，以及管子饱和压降、Re上的压降等原因，实际效率还低得多。14第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六4.1.2推挽功率放大器欲提高功放效率，一是增加放大电路的动态范围以增加输出功率，二是减小电源供给功率，即是要求在UCC一定条件下减少静态电流ICQ，此时通常采用乙类或甲乙类推挽功放。为了防止降低单管Q点位置可能出现削波失真，需要NPN与PNP两个对管交替的放大，一推一拉，输出信号由两管输出信号拼接而成，故名推挽式功放。互补的、参数对称的对管。15第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六1.电路组成与工作原理当输入正弦信号时，正半周信号使VT1导通、VT2截止，负载上输出半个正弦波；负半周信号使VT1截止、VT2导通，负载上输出另半个正弦波。16第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六上述推挽功放中对管工作于甲乙类状态，而不是乙类状态，这是为了减少“交越失真”。为了减少交越失真，可使对管工作点稍高于截止点，即在两管的发射结加上很小的正偏压，各管都有一个很小的静态电流IC，放大器工作于甲乙类状态，而不会对效率有很大影响。由于乙类状态中，三极管静态Q点在截止点，没有基极偏流，而管子的输入特性有一段死区，且特性开始部分非线性比较严重，在两管交替工作时则有图（a）所示的交越失真现象。17第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六2.输出功率、效率的估算在忽略静态电流IC、饱和压降UCES和穿透电流ICEO条件下，可将理想对管按乙类估算，且只分析一个管子的情况就可以了。LCCLcemcmCCcemRURUIUU，由于L2CCL2cemcmcemom212121RURUIUPL2L221LRnRNNR式中则最大输出功率为UCES≈0，可以忽略。18第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六直流电源供给功率为0cmCC0C1CC20C2C1CCV)(sin)(1)()(21ttdIUtdiUtdiiUPcmCC2IU可见，电源供给的功率随输入、输出信号的大小自动调节，显然效率要高于甲类功放。则电路在最大输出功率时的效率为%5.7844221CCcemcmCCcmcemVommUUIUIUPP推挽式功放效率比甲类单管功放高了很多。以上功放都是变压器耦合式功放，具有体积大、不易集成，频率窄，有功率损耗，易产生自激等缺点，无输出变压器功放才是发展趋势。19第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六4.1.3互补对称功率放大器互补对称功放是一种典型的无输出变压器式功放。其利用特性对称的NPN和PNP的对管交替工作、互相补充，一般工作在甲乙类状态，效率接近乙类功放的78.5%。1.甲乙类互补对称功放（OCL）与变压器耦合的乙类推挽功放一样，由于晶体管输入特性死区问题，互补对称电路在乙类状态下也有交越失真。VT3为前置级，静态势其集电极电位UC3=0V。利用VT3集电极电流在VD1、VD2上的压降，为VT1与VT2提供一个合适的正向偏压，使其工作于甲乙类状态，克服交越失真。互补对称对管克服交越失真20第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六一种更为常见的可以设置静态工作电流的互补对称功放电路。VT1、VT2基极间电压为R2R1CE4B2B1B1B2uuuUUuV7.0BE4R1uu时，有当满足B4R2R1iii21BE42R1R2RRuRiu)1(12BE4R2R1B1B2RRuuuu所以调节R2可以方便地调节两功放管的静态电流，这种电路又叫“uBE扩大电路”。21第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六2.单电源互补对称功放（OTL）乙类甲乙类用单电源供电显然更加方便，这种电路也称为OTL（无输出变压器）电路。输出电容C不但起到隔直通交作用，而且利用其储能特性能够在负半周信号输入时提供VT2管放大的工作偏压。2CCcemUU此时，22第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六3.复合管互补对称功放使用复合管可以进一步增强放大效果。复合管仍等效成互补对称的对管，而末级对管为同一类型的更易选配，此种电路称为准互补对称电路。互补对称OCL准互补对称OTL等效NPN管等效NPN管等效PNP管等效PNP管23第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六4.1.4集成功率放大器单片音频功放5G37最大不失真输出功率2~3W，适应工作电压14~20V，负载4~16Ω，可作为普通音频功放应用于收音机、录音机、电视机中。24第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六5G37的典型应用电路2脚为信号输入端，R1、R2是偏置电阻，调节R1可改变输出（6脚）的直流电位，使其值为UCC/2。消振电容C3接于3、4脚之间，用于防止高频自激。脚1接的R3、C2串联支路与5G37内部的反馈电阻共同构成交流电压串联负反馈，改变R3的值可以调节放大器的增益。25第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六用5G37接成的BTL电路用两块5G37可以接成BTL形式的电路，解决低电压工作时输出功率不足的问题。26第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六4.2功率放大器的应用主要要求：1.了解功放实际应用中问题的解决方法2.了解实际功放电路的组成27第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六4.2.1功放应用中的几个问题1.功放管散热功率放大器工作在大电压大电流状态，即使电路效率高也有损耗，这些损耗以热能形式散发，管子会发热。当温度升高到一定温度（锗管75°C~90°C，硅管为150°C）管子会损坏。2.功放管的二次击穿一次击穿是可逆的，为雪崩击穿现象。二次击穿是不可逆的，是结构或制造工艺的缺陷造成的。措施是：尽量增大管子功率容量、改善散热状况等安全手段。3.功放管的过压过流保护28第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六4.2.2功率放大器实际电路OTL功放的实际电路29第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六OCL功放的实际电路30第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六本章小结功率放大器即是将电源静态功率转换为信号动态功率的能量转换电路，电路中类似发动机的作用。按工作状态主要分为甲类、乙类和甲乙类。为了避免交越失真，而实际电路中的三极管往往工作于甲乙类状态，典型电路有双电源供电的OCL电路和单电源供电的OTL两种。31第4章功率放大器及其应用2020年2月22日星期六甲类乙类甲乙类Q点位置放大区交流负载线中点放大与截止区临界接近截止区的放大区域导通角2π（360°）π（180°）π～2π（180～360°）最高效率50%78.5%趋近78.5％失真现象饱和失真，截止失真交越失真无交越失真典型电路变压器耦合共射电路互补对