第八章功率放大電路PPT課件

1、例2：溫度控制R1-R3:標(biāo)準(zhǔn)電阻Va : 基準(zhǔn)電壓Rt :熱敏電阻A：電壓放大器RtTVOT 溫度調(diào)節(jié)溫度調(diào)節(jié)過程過程VbVO1R1aR2voVsc+R3Rt 功功 放放b溫控室溫控室A+-vo1加熱元件加熱元件第1頁/共41頁1功率放大電路的定義 功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。它一般直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，帶負(fù)載能力要強(qiáng)。2功率放大電路與電壓放大電路的區(qū)別 (1).本質(zhì)相同電壓放大電路或電流放大電路：主要用于增強(qiáng)電壓幅度或電流幅度。功率放大電路: 主要輸出較大的功率。但無論哪種放大電路，在負(fù)載上都同時(shí)存在輸出電壓、電流和功率，從能量控制的觀點(diǎn)來看，放大電路實(shí)質(zhì)上都是能量轉(zhuǎn)換電路。

2、因此，功率放大電路和電壓放大電路沒有本質(zhì)的區(qū)別。稱呼上的區(qū)別只不過是強(qiáng)調(diào)的輸出量不同而已。第2頁/共41頁(2). 任務(wù)不同(3).指標(biāo)不同(4).研究方法不同電壓放大電路：主要任務(wù)是使負(fù)載得到不失真的電壓信號。輸出的功率并不一定大。在小信號狀態(tài)下工作.功率放大電路：主要任務(wù)是使負(fù)載得到不失真（或失真較?。┑妮敵龉β?。在大信號狀態(tài)下工作。電壓放大電路：主要指標(biāo)是電壓增益、輸入和輸出阻抗.功率放大電路：主要指標(biāo)是功率、效率、非線性失真。電壓放大電路：圖解法、等效電路法功率放大電路：圖解法 第3頁/共41頁(1)(1)輸出功率PoPo盡可能大(2)(2)效率 要高PoPo大，電路的能量損耗也大(3

3、)(3)非線性失真 要小大信號工作狀態(tài)， 與PoPo、 是一對矛盾(4)(4)功放管散熱和保護(hù)問題 3.3.功率放大電路的特殊問題 要求Vo和Io都足夠大第4頁/共41頁根據(jù)靜態(tài)偏置或輸出功放管導(dǎo)通角的不同，功放電路可分為四種:4.4.功率放大電路的分類 甲類甲類 乙類乙類 甲乙類甲乙類丙類丙類第5頁/共41頁類別 工作點(diǎn) 波 形 導(dǎo)通角 特點(diǎn)甲類甲乙類乙類較高較低最低360 180 180 360 無失真效率低失真大效率最高失真大效率較高功放電路分類比較表第6頁/共41頁T1+VccOCL(無輸出電容)雙管：NPN、PNP特性相同且互補(bǔ) 雙共集電路雙電源供電 8.3 8.3 乙類雙電源互補(bǔ)對

4、稱功率放大電乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路路又稱OCL互補(bǔ)功放電路組成T1+Vcc-VccT2RLvo+-Vi+-第7頁/共41頁vi正半周時(shí)結(jié)論： 兩個(gè)三極管，輪流導(dǎo)電（正、負(fù)半周）互補(bǔ)不足忽略三極管的開啟電壓:T1導(dǎo)電iC1通過RLvi負(fù)半周時(shí)T2導(dǎo)電iC2通過RL合成完整、不失真波形互補(bǔ)推挽T1+Vcc-VccT2RLvo+-Vi+-OtiC12TOtiC2TOtiLiC1iC2工作原理第8頁/共41頁負(fù)載上的最大不失真電壓為Vom=VCC -VCESvo=-vce分析計(jì)算第9頁/共41頁L2CESCCL2omomaxR2)VV(R2VPoooIVP1輸出功率Po)VVV(R2VPCES

5、CComL2CCoM略最大不失真功率為：理想最大輸出功率為：以正半周為例wtvsinVomo設(shè)：功率三角形Vom: 峰值Lcemcem22RVVL2cem2 RVL2om2 RV第10頁/共41頁2 2三極管的管耗三極管的管耗P PT T )d(21=0T1tivPCCET2T1P=P)sin(210omtVVCC)4(12omomCCLVVVR)d(sinomtRtVLT1T2PP )4(22omomCCLVVVR第11頁/共41頁3 3直流電源供給功率PV)d(sin220LomCCttRVVCCCCV=IVPLomCC2RVV)d(sin220omCCttIVTOV=PPP第12頁/共4

6、1頁當(dāng)Vom = VCC 時(shí)，max=/4 =78.5。CComLomCC2LomVo4R22RVVVVVPP4效率第13頁/共41頁L22CCT1maxRVP問：Vom=？ PT1最大, PT1max=？用PT1對Vom求導(dǎo)得出：)4(12omomCCL1VVVRPToML2CC2 . 022 . 0PRV功率BJT的選擇1最大管耗和最大輸出功率的關(guān)系將Vom=0.64VCC代入PT1表達(dá)式得:PT1max發(fā)生在Vom=2VCC/=0. 64VCC處第14頁/共41頁2. 功率BJT的選擇(1)最大允許管耗PCM(2)|V(BR)CEO|(3)最大集電極電流ICM0.2POM2VCCLCCR

7、V第15頁/共41頁散熱與最大功耗散熱與最大功耗PCMPCM的關(guān)系的關(guān)系 電源供給的功率，一部分轉(zhuǎn)換為負(fù)載的有用功率，另一部分則消耗在功率管的集電結(jié)，變?yōu)闊崮芏构苄镜慕Y(jié)溫上升。如果晶體管管芯的溫度超過管芯材料的最大允許結(jié)溫TjM(鍺管TjM約為75100,硅管TjM約為150200)，則晶體管將永久損壞。這個(gè)界限稱為晶體管的最大允許功耗PCM。第16頁/共41頁 描述熱傳導(dǎo)阻力大小的物理量稱為熱阻RT。 RT的量綱為/W，它表示每消耗1W功率結(jié)溫上升的度數(shù)。為減小散熱阻力，改善散熱條件，通常采用加散熱器的方法。圖 (a)給出一種鋁型材散熱器的示意圖。加散熱器后，熱傳導(dǎo)阻力等效通路如圖 (b)

8、所示。圖中： RTj內(nèi)熱阻，表示管芯到管殼的熱阻； RTfo管殼到空間的熱交換阻力； RTc管殼到散熱器之間的接觸熱阻，與管殼和散熱器之間的接觸狀況有關(guān)； RTf散熱器到空間的熱交換阻力，與散熱器的形狀、材料以及面積有關(guān)。第17頁/共41頁散熱器和熱傳導(dǎo)阻力等效通路(a)鋁型材散熱器示意圖；(b)熱傳導(dǎo)阻力等效通路(熱阻計(jì)算) 第18頁/共41頁 由圖可見，不加散熱器時(shí)，總熱阻RTo為 由于管殼散熱面積很小，RTfo是很大的。 加散熱器后，由于(RTc+RTf)RTfo，所以，總熱阻RT為 顯然，RTRTo。 功率管的最大允許功耗PCM與總熱阻RT、最高允許結(jié)溫TjM和環(huán)境溫度To有關(guān)，其關(guān)系

9、式為TfoTjToRRRTfTcTjTRRRRTojMCMRTTP第19頁/共41頁二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) 功率管在實(shí)際應(yīng)用中，常發(fā)現(xiàn)功耗并未超額，管子也不發(fā)燙，但卻突然失效。這種損壞不少是由于“二次擊穿”所致。 二次擊穿現(xiàn)象可由圖 (a)來說明。當(dāng)集電極電壓vCE增大時(shí)，首先可能出現(xiàn)一次擊穿(圖中AB段)。這種擊穿是正常的雪崩擊穿。二次擊穿的起點(diǎn)與iB大小有關(guān)。通常將其起、始點(diǎn)連線稱為二次擊穿臨界線，如圖 (b)所示。功率管的二次擊穿現(xiàn)象(a)二次擊穿現(xiàn)象；(b)二次擊穿臨界線第20頁/共41頁 為保證功率管安全可靠地工作，除保證電流小于ICM、功耗小于PCM、工作

10、反壓小于一次擊穿電壓V(BR)CEO外，還應(yīng)避免進(jìn)入二次擊穿區(qū)。所以，功率管的安全工作區(qū)如圖所示。 雙極型功率管的安全工作區(qū)第21頁/共41頁乙類放大的輸入輸出波形關(guān)系:Vi-VccT1T2uo+VccRLiL失真失真死區(qū)電壓死區(qū)電壓vivovovo tttt輸入信號 vi在過零前后，輸出信號出現(xiàn)的失真。第22頁/共41頁vi很小時(shí),在正、負(fù)半周交替過零處會(huì)出現(xiàn)非線性失真，這個(gè)失真稱為交越失真。乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路存在的問題 8.4 8.4 甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路第23頁/共41頁 為解決交越失真，可給三極管稍稍加一點(diǎn)偏置，使之工作在甲乙類甲乙類。(a)

11、利用二極管提供偏置電壓 參數(shù)計(jì)算：與乙類功放同 偏置電壓/VICQ/mATHD /%0.600.0481.220.650.330.2440.702.200.00680.7513.30.0028諧波失真度甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路T1+VccVi+-VccT2RLvo+-(b)利用三極管恒壓源提供偏置VCE4=VBE4(R1+R2)/R2第24頁/共41頁OTLOTL（無輸出變壓器) ) 單電源電容器CoCo選擇：靜態(tài):V:Vk k= =V VCCCC / /2 2LL21fRC(5-10)甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路第25頁/共41頁動(dòng)態(tài)分析設(shè)輸入端在 0.5VCC 直流電平基礎(chǔ)上加入正弦信號。若輸

12、出電容足夠大， VC基本保持在0.5VCC ，負(fù)載上得到的交流信號正負(fù)半周對稱，但存在交越失真。ic1ic2交越失真RLviT1T2+VCCCAVL+-0.5VCCvit時(shí)，T1導(dǎo)通、T2截止；2CCViv 時(shí)，T1截止、 T2導(dǎo)通。2CCViv 第26頁/共41頁輸出功率及效率若忽略交越失真的影響，且 vi 幅度足夠大。則：vLVLmaxvitt參數(shù)計(jì)算：OCLOCL公式中以V VCCCC/ /2 2取代V VCCCC )(8CComL2CCoMCESVVVRVP略理想最大輸出功率為：第27頁/共41頁實(shí)用OTL互補(bǔ)輸出功放電路調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)R,使靜態(tài)使靜態(tài)VAQ=0.5VCCD1 、 D2使使b

13、1和和b2之間的之間的電位差等于電位差等于2個(gè)二極管正個(gè)二極管正向壓降，克服交越失真。向壓降，克服交越失真。Re1 、 Re2：電阻值：電阻值12 ，射極，射極負(fù)反饋電阻，也起限流保護(hù)作用。負(fù)反饋電阻，也起限流保護(hù)作用。D1D2vi+VCCRLT1T2T3CRBRe1Re2b1b2A第28頁/共41頁 當(dāng)輸出功率較大時(shí)往往采用復(fù)合管復(fù)合管有四種形式：達(dá)林頓管：由NPN、PNP復(fù)合而成。復(fù)合管極性= =前面管極性采用復(fù)合管的互補(bǔ)功放第29頁/共41頁改進(jìn)后的OCL準(zhǔn)互補(bǔ)輸出功放電路： T1：電壓推動(dòng)級 T2、R1、R2： VBE倍增電路 T3、T4、T5、T6： 復(fù)合管構(gòu)成的輸出級準(zhǔn)互補(bǔ) 輸出級

14、中的T4、T6均為NPN型晶體管，兩者特性容易對稱。+Vcc-VccR1R2RLviT1T2T3T4T5T6第30頁/共41頁廣泛用于音響、電視和小電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方面。廣泛用于音響、電視和小電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方面。大多數(shù)集成功率放大器大多數(shù)集成功率放大器= =運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器+ +互補(bǔ)功率互補(bǔ)功率輸出。輸出。 使用方法原則上與集成運(yùn)放相同，注使用方法原則上與集成運(yùn)放相同，注意意極限參數(shù)（功耗、最大允許電源電壓等）極限參數(shù)（功耗、最大允許電源電壓等）一般一般加有足夠大的加有足夠大的散熱器散熱器8.5集成功率放大器第31頁/共41頁特點(diǎn)：特點(diǎn)：工作可靠、使用方便。只需在器件外部適工作可靠、使用方便。只需在

15、器件外部適當(dāng)連線，即可向負(fù)載提供一定的功率。當(dāng)連線，即可向負(fù)載提供一定的功率。集成功放LM384LM384：生產(chǎn)廠家：美國半導(dǎo)體器件公司電路形式：OTLOTL輸出功率：8 8 負(fù)載上可得到5W5W功率電源電壓：最大為28V 28V 第32頁/共41頁集成功放 LM384LM384管腳說明: :1414 - 電源端（ V Vcccc）3 3、4 4、5 5、7 - 7 - 接地端（ GNDGND）1010、1111、12 -12 - 接地端（GNDGND）2 2、6 -6 - 輸入端（一般2 2腳接地） 8 -8 -輸出端( (經(jīng)500500 電容接負(fù)載) ) )1 12 23 34 45 5

16、6 67 78 89 9101011111212131314141 -1 - 接旁路電容(5(5 ) )9 9、13 -13 - 空腳（NCNC）第33頁/共41頁集成功放 LM384 LM384 外部電路典型接法：500500 -+ + 0.1 0.1 2.72.7 8 814146 62 21 15 5 V Vccccv vi i8 8 調(diào)節(jié)音量電源濾波電容外接旁路電容低通濾波, ,去除高頻噪聲輸入信號輸出耦合大電容第34頁/共41頁負(fù)載上獲得的信號電壓要增加一倍。負(fù)載上獲得的信號電壓要增加一倍。BTLBTL放大電路輸出功率較大，負(fù)載可以不接地。放大電路輸出功率較大，負(fù)載可以不接地。BTL互補(bǔ)功放第35頁/共41頁BTL原理電路+VCCRLVoVii2i1V1V2V3V4第36頁/共41頁雙通道功放 用于立體聲音響設(shè)備，一般有專門的集成功放產(chǎn)品。 它有一個(gè)左聲道功放和一個(gè)右聲道功放，兩功放技術(shù)指標(biāo)相同。需要在專門的立體聲音源下才能顯現(xiàn)出立體聲效果。 有的高級音響設(shè)備一個(gè)聲道分成二、三個(gè)頻段放大，有相應(yīng)的低頻段、中頻段和高頻段放大器。第37頁/共41頁例：OCL電路中，若 RL=80 、需要輸出功率 PO=50W。90V的電壓對電子電路顯然不合適。利用變壓器阻抗變換關(guān)系( RL