功率放大器ppt

第九章功率放大电路扩音系统功率放大器的作用：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。功率放大电压放大信号提取一、引言功率放大电路的特点及主要研究对象功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。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。一般直接驱动负载，带载能力要强。#功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别吗？没有，都是能量转换。（直流电源的直流电能转化为信号控制的交流电能）电压放大电路使负载得到尽可能大的不失真的电压信号，功率放大获得尽可能大的不失真输出功率。（2）功率放大电路的特点：•要求输出功率尽可能大：输出信号电压和电流大，使放大管工作在极限状态，因此必须保证放大管的安全工作。•要求效率高：效率——负载得到的有用信号功率与电源提供的直流功率之比。•要求非线性失真小：由于功率放大电路是大信号运用，接近晶体管的截止区和饱和区，容易产生非线性失真。可见，输出功率与非线性失真是功率放大电路的一对主要矛盾。•功放管的散热:有相当大的功率消耗在管子上，引起温升三极管根据正弦信号整个周期内的导通情况，可分为四个工作状态：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°（3）功率放大电路的分类甲类放大：三极管360°导电。输入信号在整个周期内都有电流流过放大器件。电压放大器一般工作在甲类。电源始终不断输送功率，在没有交流信号输入时（也意味着没有交流信号输出），没有信号输出功率，电源提供的功率全部消耗在管子（电阻）上（管耗），并转化为热量散发出去；当有信号输入时，其中有一部分转化为有用的信号输出功率。甲类放大的效率不高，理论上不超过50%。乙类放大：三极管180°导电。功率放大电路必须考虑效率问题。静态电流是造成管耗的主要原因。为了降低静态时的工作电流，三极管从甲类工作状态改为乙类工作状态。一周期内只有半个周期iC＞0。没有输入信号时，信号输出功率为零，电源供给的功率为零，管耗为零。信号增大，电源供给的功率增大，输出功率增大。但输出出现了严重的失真。甲乙类放大：导通角大于180°。一周期内有半个周期以上iC＞0。降低了静态工作电流。电压放大电路BJT工作在甲类，乙类和甲乙类放大主要用于功率放大电路。甲乙类和乙类放大虽降低了静态工作电流，但又产生了失真问题。如果不能解决乙类状态下的失真问题，乙类工作状态在功率放大电路中就不能采用。推挽电路或互补对称电路较好地解决了乙类工作状态下的失真问题。1.性能指标：输出功率和效率。若已知Vom，则可得Pom。L2omomRVP最大输出功率与电源损耗的平均功率之比为效率。2.分析方法：因大信号作用，故应采用图解法。3.晶体管的选用：根据极限参数选择晶体管。在功放中，晶体管集电极或发射极电流的最大值接近最大集电极电流ICM，管压降的最大值接近c-e反向击穿电压V(BR)CEO，集电极消耗功率的最大值接近集电极最大耗散功率PCM。称为工作在极限状态。（4）研究的问题有效值射极输出器的输出电阻低，带负载能力强，但做功放不适合。RbvoVCCviibRE射极输出器能否做功率放大？射极输出器效率的估算：(设RL=RE)votvoibQicvceVCCECCRVRbvoVCCviibRE若忽略晶体管的饱和压降和截止区，输出信号vo的峰值最大只能为：vCEvo的取值范围QicVCCECCRV直流负载线交流负载线VCEQ=0.5VCC静态工作点：ECCCQRVI5.0=CCmaxoV5.0V为得到较大的输出信号，假设将射极输出器的静态工作点（Q）设置在负载线的中部，令信号波形正负半周均不失真，如下图所示。TCCCVdtiVTP01L2CCL2CCL2omOR8VR2V50R2VP.maxmax%25maxmaxVOPP)sin(tIIiIicmCQcCQCLCCCQCCTCCCTCCCVRVIVdtiTVdtiVTP212001.直流电源输出的功率2.最大负载功率3.最大效率如何解决效率低的问题？办法：降低Q点。既降低Q点又不会引起截止失真的办法：采用推挽输出电路，或互补对称射极输出器。缺点：会引起截止失真。二、传统的推挽功率放大电路(乙类功率放大器)1、电路结构(变压器耦合)：T1：输入变压器；T2：输出变压器；VT1和VT2：对称放大管。2、工作原理：⑴当vI为正半周时：VT1工作在放大区，VT2工作在截止区。(推)⑵当vI为负半周时：VT1工作在截止区，VT2工作在放大区。(挽)⑶最后在两管的集电极合成一个完整的正弦波，再通过T2耦合到负载RL上。iC13、图解分析：4、传统的乙类推挽功率放大电路的缺点：⑴输入/输出变压器的体积大、重；⑵因为是变压器耦合，故频带窄；⑶存在交越失真和不对称失真；⑷电路采用反馈时，易自激振荡。三、OTL乙类互补对称电路1、电路结构：⑴VT1和VT2分别由NPN和PNP管组成，然后共同对RL组成射极输出器。⑵电路只有一个电源，NPN管由VCC供电，PNP管由电容C供电。R1和R2分别为两管的偏置电阻。2、工作原理：⑴静态时：合理选取R1、R2，使两管均微通，其发射极电位为VCC/2。大电容C已充满电，VC也为VCC/2。⑵当vI为正半周时：VT1放大、VT2截止。其正半周的信号通过VT1管、C到达负载。VT1的供电电压为：VCC-VC=VCC-VCC/2=VCC/2。⑶当vI为负半周时：VT1截止、VT2放大。其负半周的信号通过VT2管和电容C到达负载。VT2的供电电压为：VC=-VCC/2。⑷VT1和VT2各负责输入信号半周波形的放大。所以在负载上iRL=iC1-iC2，合成了一个完整的正弦波。3、讨论：⑴VT1导电是靠VCC供电，VT2导电是靠C供电。所以C必须非常大，否则在负半周会供电不足产生失真。⑵此电路不使用变压器，用电容C来耦合，所以称为：OTL电路。⑶此电路由两管轮流工作，互补对称输出，各处理正弦信号的180度。故又称为：乙类互补对称电路。4、图解分析⑴将两管的输出特性曲线合并，VT2是PNP管，所以VCE2取负值。⑵静态时：2,221CCCECCCEVVVV所以：静态工作点Q在中点处，负载线的斜率由RL来确定。⑶输入电压在正半周时：VT1导电，工作点从Q沿斜线向左上方运动。最大集流为Icm1。⑷输入电压在负半周时：VT2导电，工作点从Q沿斜线向右下方运动。最大集流为Icm2。⑸假设VT1、VT2特性曲线对称：LcemcmcmcmRVIII/21cemcemcemVVV21⑹三极管集电极电压的最大值为：)(2饱和电压cesCCcemVVV⑺OTL乙类互补对称电路的最大输出功率Pom将前式代入上式:（若Vces在0.3V左右时，则可以忽略）LcemLcemomRVRVP22211)21(LCCLcesCComRVRVVP8)2(2122)(2饱和电压cesCCcemVVV⑻直流电源VCC消耗的功率PVPV等于VCC/2与半个周期内三极管集电极电流平均值的乘积。LCCLcesCCCCVRVRVVVP2)2/(2LcesCCLcemcmRVVRVI/)2(/cmCC0cmCCVIV)t(tdSinI12VP由于：所以：⑼OTL乙类互补对称电路的最大效率m%5.78%1004%100R2VRV81%100PPL2CCL2CCVomm电路实际上的效率比上值要低。因为电源提供的功率有一部分转化为集电极的功耗，使管子发热产生了温升。5、OTL乙类互补对称电路的优、缺点优点效率高，理想情况下最在可达到78.5%，在静态时，ic1、ic2为0，即：静态功耗为0。缺点在输入信号为0附近的区域内，VT1和VT2都不导通，因此会出现交越失真。所以上电路若不改进，则没有实用的价值。6、交越失真现象⑴产生交越失真的原因在输入信号正半周或者负半周的起始段，VT1、VT2都处在截止状态，所以这一段输出信号出现了失真，我们称此现象为交越失真。⑵克服交越失真的方法在两个互补管的基极引入R、VD1和VD2支路，保证电路在静态时或起始段，VT1和VT2都处在导通状态，这样就克服了两管都截止的情况，保证了输出信号不出现了失真。二、OTL甲乙类互补对称电路1、电路结构：在VT1和VT2的基极接入R和VD1、VD2。⑴静态时：2、工作原理：由R和VD1、VD2在两个三极管的基极上产生一个偏压，使VT1和VT2微微导通。所以uI=0时，VT1和VT2有一个小小的集流。但是，iL=0。⑵当vI为正半周时：ic1逐渐增大，VT1在放大区工作，ic2逐渐减小，VT2进入截止区。⑶当vI为负半周时：ic2逐渐增大，VT2在放大区工作，ic1逐渐减小，VT1进入截止区。⑷在vI的整个周期内：负载RL上得到了比较理想的正弦波，减小了交越失真。⑴此电路的参数计算，可以近似用乙类互补电路的公式计算；3、讨论：⑵此电路的交越失真小，效率也不错，故应用非常广泛；⑶缺点是：电容体积大，不易集成化；低频效果差，不适用高档音响设备。四、OCL互补对称电路一、电路结构：1、彻底实现了直接耦合2、采用了两路电源(用-VCC替代了OTL电路中的VC)，分别为VT1和VT2供电。二、工作原理：工作原理与OTL电路基本相同，但供电方式不同。1、静态时：CCCECCCEVVVV21,所以：静态工作点Q在中点处，负载线的斜率仍由RL来确定。2、三极管集电极电压的最大值为：)(饱和电压cesCCcemVVV3、OCL互补对称电路的最大输出功率Pom将前式代入上式:（若Uces在0.3V左右时，可以忽略）LcemomRVP221LCCLcesCComRVRVVP2)(2122)(饱和电压cesCCcemVVV比OTL电路的Pom大，这是靠两套电源获得的。4、直流电源VCC消耗的功率PVPV等于VCC与半个周期内三极管集电极电流平均值的乘积。L2CCLcesCCCCVRV2R)UV(V2PLcesCCLcemcmRVVRVI/)(/cmCC0cmCCVIV2)t(tdSinI1VP由于：所以：电源消耗的功率也比OTL电路大得多。5、OCL互补对称电路的最大效率m%5.78%1004%100RV2R2V%100PPL2CCL2CCVomm电路实际上的效率比上值要低。因为电源提供的功率有一部分转化为集电极的功耗，使管子发热产生了温升。OCL与OTL电路的最大效率m相同。三、OCL互补对称电路的优、缺点优点兼顾了OTL电路的所有优点，并省去了C，便于集成化；改善了低频响应。缺点由于负载直接与射极相连，一旦三极管损坏，VCC形成的大电流将直接流过负载，若时间稍长必定会造成负载烧毁。在实用电路中常采用熔断保险丝与负载串联或启用二极管、三极管保护电路。四、讨论1、甲类放大时，静态电流大，因此效率也就低，约在30%左右。2、乙类放大时，静态功耗等于0，因此效率高，约在78%左右。3、OCL的功率是OTL的4倍，但需要两套电源。五、注意由于共集电极电路只能放大电流而不能放大电压，所以上面的电路必须用电压幅度足够大的信号驱动。换句话说：输入和输出电压的幅度近似相等，但输出信号的功率得到了放大。[例]下图两电路的VCC均为20V，负载电阻RL均为16Ω，三极管饱和压降Vces均为2V，分别估算下面OTL和OCL电路的最大输出功率Pom和最大效率ηm。解：估算OTL电路的PomWRVVPLCESCCom2162)22/20(2)2(22WRVVVPLcesCCCCV2.31614.3)210(20)2/(电源消耗的功率最大效率%5.62%100PPVomm解：估算OCL电路的PomWRVVPLCESCCom1.10162)220(2)(22WRVVVPLC