功率放大电路

第9章功率放大电路第9章功率放大电路9.1功率放大电路概述9.2互补对称功率放大电路9.3集成功率放大器第9章功率放大电路9.1低频功率放大电路概述9.1.1(a)甲类(b)乙类(c)甲乙类iBOOOOOOiCiCiCiCiCiCiBiBiBiBiBttttttOOO图9–1甲类、乙类、甲乙类功率放大电路的工作状态示意图•按晶体管导通时间不同，可分为甲类、乙类、甲乙类等实际的放大电路中，输出信号要驱动一定的负载装置，如收音机中扬声器的音圈、电动机控制绕组、计算机监视器或电视机的扫描偏转线圈等。所以，实际的多级放大电路除了应有电压放大级外，还要求有一个能输出一定信号功率的输出级，这类主要用于向负载提供功率的放大电路常称为功率放大电路。第9章功率放大电路甲类功率放大电路的特征是在输入信号的整个周期内，晶体管均导通；乙类功率放大电路的特征是在输入信号的整个周期内，晶体管仅在半个周期内导通；甲乙类功率放大电路的特征是在输入信号的整个周期内，晶体管导通时间大于半周而小于全周。小信号放大电路中（如共射放大电路），在输入信号的整个周期内，晶体管始终工作在线性放大区域，故属甲类工作状态。本章将要介绍的OCL、OTL功放工作在乙类或甲乙类状态。•按照放大信号的频率，分为低频功放和高频功放。前者用于放大音频范围（几十赫兹到几十千赫兹）的信号，后者用于放大射频范围（几百千赫兹到几十兆赫兹）的信号。本课程仅介绍低频功放。第9章功率放大电路9.1.2功率放大电路的特点及主要技术指标1.输出功率要足够大如输入信号是某一频率的正弦信号,则输出功率表达式为oooUIP式中,Io、Uo分别为负载RL上的正弦信号的电流、电压的有效值。如用振幅值表示,,代入公式(9-1),则（9-1）2/2/omoomoUUIIomomoUIP21（9-2）最大输出功率POM是指在正弦输入信号下，输出波形不超过规定的非线性失真指标时，放大电路最大输出电压和最大输出电流有效值的乘积。第9章功率放大电路2.效率要高%100EoPP放大电路输出给负载的功率是由直流电源提供的。在输出功率比较大时，效率问题尤为突出。如果功率放大电路的效率不高，不仅造成能量的浪费，而且消耗在电路内部的电能将转换为热量，使管子、元件等温度升高而损毁。为定量反映放大电路效率的高低，定义放大电路的效率为η,式中，Po为信号输出功率，PE为直流电源向电路提供的功率。可见，效率反映了功放把电源功率转换成输出信号功率（即有用功率）的能力，表示了对电源功率的转换率。(9-3)第9章功率放大电路3.非线性失真要尽量小在功率放大电路中，晶体管处于大信号工作状态，因此输出波形不可避免地产生一定的非线性失真。在实际的功率放大电路中，应根据负载的要求来规定允许的失真度范围。4、分析估算采用图解法由于功放中的晶体管工作在大信号状态，因此分析电路时，不能用微变等效电路分析方法，可采用图解法对其输出功率和效率等指标作粗略估算。第9章功率放大电路5、功放中晶体管的保护及散热问题在功率放大电路中，为使输出功率尽可能大，晶体管往往工作在接近管子的极限参数状态，即晶体管集电极电流最大时接近ICM（管子的最大集电极电流），管压降最大时接近UCEO（管子c-e间能承受的最大管压降），耗散功率最大时接近PCM（管子的集电极最大耗散功率）。因此，在选择功放管时，要特别注意极限参数的选择，以保证管子的安全使用。当晶体管选定后，需要合理选择功放的电源电压及工作点，甚至需要对晶体管加散热措施，以保护晶体管，使其安全工作。功率放大电路的主要技术指标为最大输出功率和转换效率。第9章功率放大电路2.改善器件的散热条件普通功率三极管的外壳较小,散热效果差,所以允许的耗散功率低。当加上散热片,使得器件的热量及时散热后,则输出功率可以提高很多。例如低频大功率管3AD6在不加散热片时,允许的最大功耗Pcm仅为1W,加了120mm×120mm×4mm的散热片后,其Pcm可达到10W。在实际功率放大电路中,为了提高输出信号功率,在功放管一般加有散热片。9.1.3提高输出功率的方法1.提高电源电压第9章功率放大电路9.1.4提高效率的方法提高效率对于功率放大电路来说非常重要，那么，怎样才能最大限度地提高效率呢？在放大电路中，在保证输出信号不失真的情况下，应将放大电路的工作点选得尽可能低，以便减小静态工作点电流，降低静态功率损耗。损耗小了，电路的效率自然就提高了。所以，放大电路的效率与静态工作点的位置有着密切的关系。乙类和甲乙类放大电路的静态工作点较低，故效率较高，理想情况下最高可达78.5%，但随着静态工作点的降低，集电极电流波形产生了较为严重的截止失真，这样的输出波形显然是不允许的。通过采取适当的电路结构，可以使电路既保持管耗小的优点，又不至于产生较大的失真，这样就解决了提高效率和非线性失真严重之间的矛盾。第9章功率放大电路9.2互补对称功率放大电路9.2.1双电源互补对称电路(OCL电路)＋UCCOtui－UEEV1V2uiuoRLtOuottO(a)电路图RLuiuo＋UCCV1RLV2uiuo－UEE(b)正半周(c)负半周O1ci2ci2ci1ci1ci2ci图9–2双电源互补对称电路1、电路组成及工作原理第9章功率放大电路设两管的门限电压均等于零。当输入信号ui=0,则ICQ=0,两管均处于截止状态,故输出uo=0。当输入端加一正弦信号,在正半周时,由于ui0,因此V1导通、V2截止,ic1流过负载电阻RL;在负半周时,由于ui0,因此V1截止、V2导通,电流ic2通过负载电阻RL,但方向与正半周相反。即V1、V2管交替工作,流过RL的电流为一完整的正弦波信号。由于该电路中两个管子导电特性互为补充,电路对称,因此该电路称为互补对称功率放大电路。第9章功率放大电路2.指标计算O波形QUCCUcemuCEIcmUcesUCE波形波形Icm2IcmOUcesUcem2UcemABOuCEUcesQiBL1R(a)(b)1ci2ci1ci1ci1Bi1Bi图9–3双电源互补对称电路的图解分析第9章功率放大电路(1)输出功率Po:LcemcemcmcmcemoRUUIIUP2212122当考虑饱和压降Uces时,cescccemUUU一般情况下,输出电压的幅值Ucem总是小于电源电压UCC值,故引入电源利用系数ξCCcemUU(9-6)(9-4)(9-5)第9章功率放大电路LCComRUP221LCCLcemoRURUP2222121将(9-6)式代入(9-4)当忽略饱和压降Uces时,即ξ=1,输出功率Pom可按下式估算:第9章功率放大电路O1PomPo图9-4Po与ξ关系曲线第9章功率放大电路(2)效率η:η由(9-3)式确定。为此应先求出电源供给功PE。IcmticO图9–5集电极电流ic波形第9章功率放大电路cmcmcavIttdItdiI1)(sin21)(2101201因此,直流电源UCCLCCCCLcemCCcmCCavERUURUUIUIP21111LCCEERUPP2122因考虑是正负两组直流电源,第9章功率放大电路O1PEmPE4221222LCCLCCEoRURUPP当ξ=1时,效率η最高,即%5.784max图9–6PE与ξ的关系曲线第9章功率放大电路(3)集电极功率损耗Pc:22212LCCoEcRUPPPO1PcmaxPcπ2图9-7Pc与ξ的关系曲线(9-14)第9章功率放大电路022LCCcRUddP636.02LCCcRUP22max2omomcPPP4.042max第9章功率放大电路omccPPP2.021maxmax1omcmCCceoomcmIIUBUPP22.0第9章功率放大电路3.存在问题(1)交越失真。OuBEOttuiio,uo交越失真O11CB,ii22CB,ii图9–8互补对称功率放大电路的交越失真第9章功率放大电路(a)＋UCCC1R1RcRbV3V2V1uiuoRL－UEE(b)＋UCCRcRbV2V1uiuoRL－UEE(c)＋UCCRcRbV2V1uiuoRL－UEEVD1VD2V3R1R2V3V4图9–9克服交越失真的几种电路1321RIUUQCEBBE图9-12(a)是利用V3管的静态电流IC3Q在电阻R1上的压降来提供V1、V2管所需的偏压,第9章功率放大电路图9-12(b)是利用二极管的正向压降为V1、V2提供所需的偏压,即2121DDEBBEUUUU图9-12(c)是利用UBE倍压电路向V1、V2管提供所需的偏压,其关系推导如下:)(21'3212212EBBEBBBEUURRRURRRU3321)1(21221BEBEEBBEURRURRRUU第9章功率放大电路(2)用复合管组成互补对称电路1bI1bI1b21Ibce＝12(a)1bI1b1I1b21Ibce＝12(b)1bI1bI1b21Ibce＝12(c)1bI1b1I1b21Ibce(d)＝12图9–10复合管的几种接法2112bcII第9章功率放大电路V1V3V2V4V5＋UCCRcRbuiuoRL－UEER1VD1VD2图9–14复合管互补对称级第9章功率放大电路V1V3V2V5＋UCCRcRbuiuoRL－UEER1VD1VD2V4图9–15准互补对称电路第9章功率放大电路9.2.2单电源互补对称电路(OTL电路)V1V3＋UCCuiuoRLRVD1VD2V4V2＋1bR1eR2bRC2V1A2cR图9–16单电源互补对称电路第9章功率放大电路9.2.3实际功率放大电路举例3DG45×2V1V3V2V5V4V6V8V10V6V7V9Uo3eRC1C2C3C4Ui1bR*3DG452CP10×23DG453CG73DD153DD153DG123CG53DG668015022010eR0.55cR3304cR*2200.51502.2k10kRfR1R210RL82bR620C547F120F120pF120pF0.033FBX2A＋24V－24V22.7V9eR7eRVD1VD25eR1cR4eR8eR0V＋图9–17OCL准互补对称功率放大电路第9章功率放大电路△∞＋＋－＋12~＋18V＋＋－12~－18VV1V3V2V482kR322kR182kR210kR5240R90.5R110.5R10240R722R822R610kR4VD1VD2VD312F/25V5F/25Vui图9-18集成运放作为前置级的OCL电路第9章功率放大电路9.3集成功率放大器9.3.1内部电路组成简介图9-19中虚线框内为DG4100系列单片集成功放内部电路。它由三级直接耦合放大电路和一级互补对称放大电路构成,并由单电源供电,输入及输出均通过耦合电容与信号源和负载相连,是OTL互补对称功率放大电路。第9章功率放大电路V1V3V2V5V4V6＋＋＋V7V8V9V11V10V12V13V14＋＋R1RfR3R2R4R5R6R11R7R12R12R9R10R8C1C2C3C4C7CfC8C6C9uoui6891012131412345C4C5＋UCC图9-19DG4100集成功放与外接元件总电路图第9章功率放大电路因为反馈由输出端直接引至输入端,且放大器的开环增益很高(三级电压放大),整个放大电路为深度负反馈放大器,所以,放大器的闭环电压增益约为1/F,即当信号ui正半周输入时,V2输出也为正半周,经两级中间放大后,V7输出仍为正半周,因此V12、V13复合管导通,V8、V14管截止,在负载RL上获得正半周输出信号；当ui负半周输入时,经过相应的放大