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8 功率放大电路

8 功率放大电路. 8.1 功率放大电路的一般问题. 8.2 射极输出器 —— 甲类放大的实例. 8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路. 8.4 甲乙类互补对称功率放大电路. 8.1 功率放大电路的一般问题. 1. 功率放大电路的特点及主要研究对象. 2. 功率放大电路提高效率的主要途径. 1. 功率放大电路的特点及主要研究对象. (1) 功率放大电路的主要特点. 信号的传输放大：电压、电流、功率。

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8 功率放大电路

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Presentation Transcript

  1. 8 功率放大电路 8.1 功率放大电路的一般问题 8.2 射极输出器——甲类放大的实例 8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路 8.4 甲乙类互补对称功率放大电路

  2. 8.1 功率放大电路的一般问题 1. 功率放大电路的特点及主要研究对象 2. 功率放大电路提高效率的主要途径

  3. 1. 功率放大电路的特点及主要研究对象 (1) 功率放大电路的主要特点 信号的传输放大：电压、电流、功率。 功率放大——放大功率，以推动一定的负载（如扬声器、打字机、继电器、电动机等等），通常作为多级放大器或功能器件（如运算放大器）的输出级。 注：功率放大电路是对交流信号的功率放大，实质是能量的转换。 功率放大电路与电压放大电路的主要对比： 信号电压放大，不失真 通常在小信号工作状态 电压放大倍数、输入、输出电阻 小信号模型等效电路 信号功率放大，失真小 输出功率、转换效率、非线性失真 通常在大信号工作状态 图 解 法

  4. 1. 功率放大电路的特点及主要研究对象 (2) 要解决的问题 • 要求输出功率尽可能的大，并安全可靠的工作。（因V、I幅度大，管子可能工作在接近极限状态。） • 效率要高。（直流功率转换成有用功率的比例越高，对外部电源的要求就低。） • 非线性失真要小。（在大信号下工作，效率高和非线性失真小是一对矛盾，因此，应根据不同的场合采取不同的要求，给予合适的平衡。） • 功率器件的散热问题。（三极管的散热、耐压、耐流，等等。）

  5. 2. 功率放大电路提高效率的主要途径 在电路中，电源（如VCC）以 直流功率的形式主要输出给两部分： ①一部分是被转换成交流功率消耗在负载上； ②另一部分消耗在电路本身——管子、电阻等，尤其是管耗。 在电压放大电路中，为保证电路不失真的传输放大信号，工作点一般置于交流负载线的中点，这就使得电路在信号为零时（此时输出的交流功率为零），仍然存在管耗，显然，效率不高。 • 提高效率的途径是降低工作点。

  6. ◆ 功率放大电路的四种工作状态 根据正弦信号整个周期内三极管的导通情况划分 甲类：一个周期内均导通(a) 乙类：导通角等于180°(c) 甲乙类：导通角大于180°(b) 丙类：导通角小于180°

  7. 简化电路 带电流源详图的电路图 8.2 射极输出器——甲类放大的实例 特点：电压增益近似为1，电流增益很大，可获得较大的功 率增益，输出电阻小，带负载能力强。

  8. 8.2 射极输出器——甲类放大的实例 输出电压与输入电压的关系 设T1的饱和压VCES≈0.2V vi正半周时，vO正向振幅最大值 vi负半周时，vO负向振幅最大值 若T1首先截止 若T3首先出现饱和

  9. 8.2 射极输出器——甲类放大的实例 当 VBIAS=0.6V 放大器的效率 效率低

  10. 8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路 8.3.1 电路组成 8.3.2 分析计算 8.3.3 功率BJT的选择

  11. vi vo t t 0 0 8.3.1 电路组成 1. 电路组成 由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成，采用正、负双电源供电。这种电路也称为OCL互补功率放大电路。

  12. i i vi vo vo vi vo t t t t t 0 0 0 0 0 8.3.1 电路组成 2. 工作原理 ①当vi= 0 时，vo= 0 ； ②当vi>0（正半周），T1通， T2止， vo>0。 ③当vi<0（负半周），T1止，T2通， vo<0。

  13. 8.3.2 分析计算 U D io iC1 iC1 icm Q -vCES vCE t Q 0 0 vCES vCE1 ±VCEQ ±VCC 0 VCEQ VCC -icm vcem vo -vcem -iC2 0 -VCC -VCEQ iC2 t vCE2 0 Q 分析思路：大信号，图解法。 首先确定输出电流io和输出电压vo变化范围，然后根据定义求输出功率Po、管耗PT、电源供给的功率PV以及效率η。 根据电路分析可得： 输出最大不失真电压幅度： vcem= VCC－vces； 若vces≈0，则vcem≈ VCC 输出最大电流幅度： icm= vcem/ RL。 最大变化范围： 2icem和2vcem 。

  14. iC1 Q -vCES vCE 0 vCES ±VCEQ ±VCC vcem vo -vcem -iC2 0 t 8.3.2 分析计算 1. 最大不失真输出功率Pomax 忽略VCES时 实际输出功率

  15. 8.3.2 分析计算 2. 管耗PT 单个管子在半个周期内的管耗 两管管耗

  16. 当 当 8.3.2 分析计算 3. 电源供给的功率PV 4. 效率 注：实际效率要低于78.5%，因为需要考虑VCES的因数，将使Vom不可能达到VCC 。

  17. 当 ≈0.6VCC 时具有最大管耗 8.3.3 功率BJT的选择 1. 最大管耗和最大输出功率的关系 管耗是选择管子的重要依据之一，因此需要求出最大管耗。 根据求极值的方法： 选管依据之一 ≈0.2Pom 结论：乙类功放电路中，在输出电压幅度为0.6VCC时，管耗最大，相当于0.2Pom。

  18. U D 8.3.3 功率BJT的选择 2．BJT功率管的选择 选择BJT功率管时，应注意极限参数必须满足： ①每只管的最大允许管耗必须大于PT1m=0.2Pom。 ②管子的耐压│V(BR)CEO│应>2VCC。（因为截止管c-e两端最大时承受着约2VCC的电压） ③通过管子集电极的电流Iom=VCC / RL应< ICM。 说明：实际使用中，通常取1.5～2倍的裕量（因为手册中给出的极限值本身就有裕量）。

  19. U D 例1．工作在乙类的OCL电路如图所示。已知VCC=12V，RL=8Ω，vi为正弦电压。 1．求在Vces≈0 的时，电路的最大输出 功率Pomax、及此时的效率η和管耗PT。 2．根据主要极限值选择管子。 3．求管耗最大时的输出功率Po。 4．当η=0.5时，其Po为多少？ 解：（1）因Vces≈0，vom最大可达VCC，

  20. 2．根据主要极限值选择管子。 3．求管耗最大时的输出功率Po。 4．当η=0.5时，其Po为多少？ （4）因为 U （2）所选功率管的最大允许管耗必须PCM必须大于PT1max≈0.2Pom =1.8W; 管子c-e耐压V(BR)CEO应大于2Vcc=24V； 管子的最大集电极电流ICM应大于Iomax=Vcc/RL =12/8=1.5A （3）因为管耗最大时Vom≈0.6VCC，所以管耗最大时的输出功率为：

  21. 8.4 甲乙类互补对称功率放大电路 8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路 8.4.2 甲乙类单电源互补对称电路

  22. 8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路 乙类互补对称电路存在的问题 解决方法：，在静态时，让管子处于一种“微”导通的状态（工作点不在横轴上而是稍微上升一点——“微偏置”），可减小输出信号的非线性失真。 ●甲乙类功放电路就是完成这种设想的电路。

  23. 8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路 设T3已有合适 的静态工作点 1. 静态偏置 可克服交越失真 2. 动态工作情况 二极管等效为恒压模型 交流相当于短路 ★ 因为是“微”偏置，静态电流很小（Q点接近于横轴），所以： 主要技术指标均可按乙类互补对称功放电路的公式计算！

  24. +VCC Re3 T3 T1 vi K D1 RL vo D1 D2 T2 D2 Rc3 RW -VCC R1 T4 R2 8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路 3．构成微偏置的一些电路 ◇除了以上串联两个二极管的方式外，一般用（两个或一个）二极管加上一个小电阻或电位器（以便调节）； ◇还可用一个三极管扩大电路： 通过对R1或R2的调节，就可调节VCE4的大小，即调节微偏置。

  25. +VCC Re3 iC1 T3 T1 vi C K RL vo D1 T2 Rc3 iC2 iL D2 U D 8.4.2 甲乙类单电源互补对称电路 1．基本电路构成及特点 电路接成甲乙类，但只用了一组电源VCC。 输出通过一大电容C与RL相接，通常这种电路为OTL功放电路（输出无变压器）。 2．工作原理 （1）静态工作点 D1、D2导通，使电路处于微导通状态。 由于有iC1=iC2，所以iL=0，vO=0，故静态时，Vk=VC= VCC / 2 ①电容C主要作用是作电源用，注意：这一点非常重要！（因为C足够大，以至充放电时间常数τ=RLC比信号周期长得多，所以交流信号引起的充放电可忽略不计。） 说明： ②静态时，电容C上电压为VCC / 2。注意：这一点也非常重要！ 在电路工作时，T1 、T2管c-e的最大端电压均为VCC / 2。

  26. +VCC Re3 iC1 T3 +VCC T1 vi C T1 C K K C K RL vo D1 T2 T2 vo RL Rc3 vo RL iC2 iL D2 Vi正半周 Vi负半周 U D （2）动态工作原理 在信号vi的正半周，vc3↓，T1截止、T2导通，VCC被T1切断，T2回路由电容C供电，与乙类T2工作时的情况一样； 在信号vi的负半周，vc3 ↑ ，T1导通、T2截止，T1回路由VCC供电， 与乙类T1工作时的情况一样。 若设Vces≈0，则vom最大可达到VCC / 2。

  27. U D 综上分析可知： 甲乙类单电源互补对称功放电路实际上是将电容C 作为电源使用的。在信号周期中，各管均在VCC / 2的电源下工作，即相当于电源为±VCC / 2的甲乙类双电源互补对称功放电路的工作状况。 3．计算主要技术指标 完全按照甲乙类双电源互补对称功放电路的公式计算（即用乙类公式），但应特别注意的是：将公式中的VCC用VCC/2代替！（否则将出错）

  28. +VCC 例：电路如图示。已知Vcc=32V，RL=16 ，VCES=1V。求(1)试计算电路最大不失真输出时的Pom、 、PT、Pv；(2)T1、T2的极限参数PCM、ICM、V(BR)CEO。 R1 T1 D1 vi D2 R2 vo RL T2 R3 R1 T1 D1 vi D2 R2 vo RL T2 R3 解：(1)单电源OTL功放电路； (2)

  29. +VCC R1 T1 D1 vi D2 R2 vo RL T2 R3 -VCC U D 例．OCL功放电路如图所示，T1、T2特性完全对称，试回答： （1）静态时输出电压Vo应是多少？调整哪个电阻能满足这一要求？ （2）若动态时输出电压波形出现交越失真，则调整哪个电阻可消除？如何调整？ （3）设VCC=10V，R1=R3=2KΩ，管子的VBE=0.7V，β=50，PTM=200mW，静态时Vo=0，若D1、D2和R2三个元件中任何一个开路，则将会产生什么后果？ 解： （1）根据功放电路的性质，OCL在静态时应使Vo=0，调整R1或R3可满足要求。因为： Vo=VCC－VR1－VBE1=VCC－VBE1－IR1 或：Vo= VBE2 +VR3+（- VCC）= -VCC+VBE2+IR3 （2）调整R2使T1、T2处于微导通。若仍有交越失真，则可调大R2。 （3）当D1、D2、R2中任一开路时，T1、T2均进入导通状态而非微导通，VCEQ=VCC－Vo=VCC，其理论计算的静态功耗为： 所以T1、T2管将被烧毁。

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