功率放大器及其应用

第5章功率放大器及其应用实训5推挽功率放大器的组装与测试(一)(1)通过组装测试，初步了解推挽功率放大器的组成及工作特点。(2)通过观察功放对管的电流波形，初步认识推挽电路中两功放管交替导通的工作过程，为后面的理论学习打下“感性认识”的基础。(三)1.功率放大器的分类按照功率放大管（简称功放管）静态工作点Q位置的不同，功率放大器的工作状态可分为三类。2.推挽功率放大器功率放大器的主要任务是向负载提供足够大的不失真功率,同时要有较高的效率。为了输出较大功率,功放管的工作电流、电压的变化范围往往很大。为了提高效率，可将放大电路做成推挽式电路，并将功放管的工作状态设置为甲乙类，以减小交越失真（关于交越失真的含义可暂不研究，待实训后思考），如实图5.1所示。图中，电路结构对称，两个功放管V1、V2特性一致。其工作过程为：在输入信号的正半周，V1导通、V2截止，在输出变压器原边上半个绕组中产生电流，耦合到副边，在负载RL中产生半个周期输出信号；在输入信号的负半周，V2导通，V1截止，在输出变压器原边下半个绕组中产生电流，耦合到副边，在负载RL中产生另半个周期输出信号。这样在一个信号周期内，V1、V2“一推一挽”，轮流工作，便在负载上输出一个完整的信号波形。这个工作过程在实训中要重点体会。(四)实训内容1.调整静态工作点(1)将直流毫安表接入电路。调节电位器RP，使两管的集电极电流（即毫安表的读数）为3mA左右。(2)将f=1kHz的正弦电压信号接到输入变压器原边，用示波器观察负载两端的输出电压波形。逐渐加大输入信号幅度，直到负载上输出波形刚好不失真为止。用毫伏表测出此时负载的端电压有效值Uo，并读取直流毫安表的指示IC。2.观察放大器的输出波形及两功放管的电流波形逐渐加大输入信号电压，直到输出电压波形刚好不失真为止，观察并描出负载两端不失真的最大输出电压波形。再观察此时Re1及Re2上的电压波形，由此描出两个管子的iC波形。观察时注意比较两管的电流峰值是否相等，电流相位之间有何关系。将输入变压器中心抽头B点接地，观察并描出输出电压波形（此时波形有交越失真）。(五)(1)整理数据。用式UomCCCULompPIUPRUp,,20分别计算放大器的最大输出功率Pom、电源供给的功率PU及效率η。(2)绘出所观察的波形图。(3)根据波形图,简述两个功放管交替工作、在负载上完成波形合成的工作过程。(4)参考输入变压器中心抽头B点接地时的输出电压波形图,试推测产生交越失真的原因。(六)思考题5.1.1功率放大器的特点1.输出功率足够大为获得足够大的输出功率，功放管的电压和电流变化范围应很大。2.效率要高功率放大器的效率是指负载上得到的信号功率与电源供给的直流功率之比。3.非线性失真要小功率放大器是在大信号状态下工作，电压、电流摆动幅度很大，极易超出管子特性曲线的线性范围而进入非线性区，造成输出波形的非线性失真，因此，功率放大器比小信号的电压放大器的非线性失真问题严重。5.1.2功率放大器的分类功率放大器通常是根据功放管工作点选择的不同来进行分类的，分为甲类放大、乙类放大和甲乙类放大等形式。当静态工作点Q设在负载线线性段的中点、在整个信号周期内都有电流iC通过时，称为甲类放大状态，其波形如图5.1.1(a)所示。若将静态工作点Q设在截止点，则iC仅在半个信号周期内通过，其输出波形被削掉一半，如图5.1.1(b)所示，称为乙类放大状态。若将静态工作点设在线性区的下部靠近截止点处，则其iC的流通时间为多半个信号周期，输出波形被削掉少一半，如图5.1.1(c)所示，称为甲乙类放大状态。5.2变压器耦合功率放大器5.2.1单管功率放大器图5.2.1(a)所示为变压器耦合单管功率放大器的典型电路。它的输入端和前级之间用一个输入变压器耦合，而输出端和负载之间用一个输出变压器耦合。变压器既起隔直流、通交流的作用，又起阻抗变换的作用。利用输出变压器耦合进行阻抗变换，将接在变压器副边的负载电阻RL变换（折算）到变压器原边，可得出其等效交流电阻R′L为LLLRKRNNR2221)(式中，k=N1/N2为变压器的变比。由此式可知，只要适当选择输出变压器的变比，就可以得到合适的R′L阻值，从而在负载上获得较大的输出功率。常用的一些负载如扬声器、电动机、电磁继电器等线圈的电阻仅为几欧至十几欧，若将其不经变换而直接接入集电极电路，是不能得到足够功率的，因而一般须进行阻抗变换。例5.2.1设图5.2.1（a）中负载RL为8Ω的扬声器，集电极电流交流分量的有效值Ic=10mA，输出功率Po=20mW。试求输出变压器的变比。若扬声器直接接入集电极电路中，可得到多大功率？若扬声器直接接入集电极电路中，Po=可见，扬声器直接接入集电极，由于其本身阻抗太小，其获得的功率很小。图5.2.1（a）中，输入变压器的作用也是耦合和阻抗变换，而电容Cb、Ce为交流旁路电容。下面对电路的输出功率及效率进行分析估算。mWRILC8.08)1010(2321.最大不失真输出功率Pom功放电路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，电路输出的最大信号功率，用放大电路的最大输出电压有效值和最大输出电流有效值的乘积来表示，或用最大输出电压幅值和最大输出电流幅值乘积的一半来表示静态时，考虑到输出变压器原边的电阻很小，发射极电阻Re也很小，均可忽略，则晶体管的直流负载线应是一条与横轴交于UCE=UCC点、几乎与横轴垂直的直线，如图5.2.1(b)所示。静态工作点Q的位置以输出功率的要求而定，可以通过调整Rb1、Rb2的分压比来改变偏流IBQ，从而定出ICQ及UCEQ。为了获得尽可能大的输出功率，可将Q点提高到靠近PCM（集电极最大允许耗散功率）线附近。动态时，交流等效电阻为R′L(RL），故交流负载线是一条通过静态工作点Q、斜率为-1/R′L的直线，其斜率取值多少应以输出功率既最大又不失真为最佳，此时的R′L称为最佳负载电阻。为此，其静态工作点的位置必须处于交流负载线的中点，即工作于甲类放大状态。只有这样，输出电压、电流才能在线性放大区有最大振幅，才能输出最大不失真功率。理想情况下，略管子的饱和压降UCES、穿透电流ICEO并使管子尽限运用时，其最大集电极—发射极交流电压幅值UCEM约等于UCC，其最大集电极交流电流幅值ICM约等于ICQ，交流负载线是与横轴交于2UCC、与纵轴交于2ICQ的斜线，如图5.2.1(b)所示此时的输出功率最大。在这样条件下，根据交流负载线的斜率可得出交流等效电阻R′L=在图5.2.1（b）中，最大输出电压有效值为UCEM=，最大输出电流有效值为ICM/，故其最大不CQCCIU2/2/CQI2/2CQI这就是变压器耦合甲类功率放大器的最大不失真输出功率Pom的表达式，显然，Pom为图中三角形ABQ的面积。2.效率η前已指出，功率放大器的效率是指负载得到的信号功率Po和电源供给的功率PU之比，即UOPP式中，PU2021wtcccUdiUP20)()sin(21wtdwtIIUcmCQCCCQCCIU由式(5.2.5)可知，功率放大器工作在甲类状态时，其电源供给的功率PU与输出信号电流iC无关，仅与电源电压UCC及静态电流ICQ有关。也就是说，无论有无信号输入输出，电源供给的功率是固定不变的。由此也可得出，这类功放电路的输出功率越大，电路的效率就越高。当电路输出最大不失真功率时，效率最高，η-m=此式说明，甲类功率放大器的最高效率为50%。应该说明，这个数值只是个理想效率。在实际电路中，由于存在变压器损耗、管子饱和压降及Re上压降等原因，实际效率还要低些。比如，设变压器的效率为ηT（小型变压器的ηT一般为0.75~0.85），则放大器最大输出功率时的总效率%5021CQccCQccUomIUIUPPη′m=ηmηT(5.2.7)3.管耗PT功放电路的管耗PT主要是功放管消耗的功率，发生在集电结上，是集电极耗散功率。PT可由下式求出：PT=式中,uCE、iC为总瞬时值，20)(21wtiucCEuCEQ=UCEQ-UcemsinωtiC=ICQ+Icmsinωt在图5.2.1所示放大器中，UCEQ=UCC，PT=UCCICQ-Po此式说明，当未加输入信号时，输出功率Po=0，管耗最大，为UCCICQ，电源给出的功率全部损耗在管子上。而当加入信号时，输出功率Po≠0，管耗减小，所减小的部分正是输出的信号功率Po。当输出最大功率时，管耗则最小。5.2.2推挽功率放大器对于前述单管功率放大器，当其工作于甲类状态时，即使是最理想情况，其效率也只有50%。这个数值在以功率输出为主的功放电路中是不理想的。在甲类放大电路中，静态电流ICQ是造成管耗高、效率低的主要原因。降低静态电流，使管子工作于乙类状态，可以减少管耗、提高效率，但这样会使输出波形被削掉一半，出现严重失真。若采用工作于乙类或甲乙类的推挽功率放大器，既可提高放大电路的效率，同时又能减少信号的波形失真。下面就来讨论这种电路。图5.2.2是一个典型的推挽功率放大电路。两只晶体管V1和V2型号相同，参数一致。输入变压器T1副边设有中心抽头，以保证输入信号对称地输入，使V1和V2两管的基极信号大小相等、相位相反。输出变压器T2的原边亦设有中心抽头，以分别将V1和V2的集电极电流耦合到T2的副边，向负载输出功率。图中，两个功放管V1、V2工作在甲乙类放大状态，静态工作点靠近截止区，因而静态电流IC1、IC2很小，可近似为零。当有正弦信号ui输入时，通过输入变压器T1的耦合，在T1的副边感应出大小相等、极性相反（对中心抽头而言）的信号，分别加在V1与V2的输入回路中。比如，在ui的正半周，设A点电位高于B点电位，即uAO0、uBO0，于是V1工作、V2截止；在ui的负半周，B点电位高于A点电位，即uAO0、uBO0，于是V2工作、V1截止。这样，在一个信号周期内，两个管子轮流导通、交替工作，两管集电极电流iC1、iC2按相反方向交替流过输出变压器原边的上、下半个绕组，并经副边轮流向负载输出。由于电路对称，iC1与iC2大小相等、流向相反，它们在副边回路中轮流产生正、负半个周期的正弦信号，这样，在负载上就可得到一个完整的正弦波信号。其各主要电压和电流波形见图5.2.3。这里需要说明，上述推挽功率放大器的工作状态之所以设为甲乙类而不是乙类，其目的是为了减少“交越失真”。若设置为乙类状态，由于两管的静态工作点取在晶体管输入特性曲线的截止点上，因而没有基极偏流。这时由于管子输入特性曲线有一段死区，而且死区附近非线性又比较严重，因而在有信号输入、引起两管交替工作时，在交替点的前后便会出现一段两管电流均为零或非线性严重的波形；对应地，在负载上便产生了如图5.2.4(a)所示的交越失真。将工作状态设置为甲乙类（如图5.2.2所示）便可大大减少交越失真。这时，由于两管的工作点稍高于截止点，因而均有一很小的静态工作电流ICQ。这样，便可克服管子的死区电压，使两管交替工作处的负载中电流能按正弦规律变化，从而克服了交越失真，波形如图5.2.4（b）所示。由于ICQ1与ICQ2大小相等，它们在输出变压器原边中的流向相反，因而不会在铁芯中产生直流磁势，工作时不致产生饱和现象。另外，图5.2.2中，电阻Rb1、Rb2、Re的数值均比电压放大器取的小得多。Rb1一般为几千欧，Rb2约为几十欧至几百欧，Re是稳定工作点用的，约为几欧至十几欧。2.输出功率、效率及管耗估算1）最大不失真输出功率Pom为了简化讨论，可以忽略功放管的静态电流，即将功放管的工作状态按乙类电路考虑。同时，由于推挽电路两管完全对称，在作定量分析时，只要分析一个管子的情况就行了。每个管子都是半周导通、半周截止。每管导通那半周的工作情况和单管变压器耦合电路的工作情况相同。忽略饱和压降UCES及穿透电流ICEO，则一个推挽管的工作波形如图5.2.5所示。由图5.2.5LCCLCEMCMCEMomRURUIUP