模擬電子線路功率放大電路

1、模擬電子線路 第三章 功率放大電路第一節(jié)學(xué)習(xí)要求第二節(jié)功率放大電路的一般問題第三節(jié)乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路第四節(jié)甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器第一節(jié) 學(xué)習(xí)要求：1了解功率放大電路的主要特點(diǎn)及其分類；2 熟悉常用功放電路的工作原理及最大輸出功率和效率 的計(jì)算；3了解集成功率放大電路及其應(yīng)用本章的重點(diǎn)：OCL 、 OTL 功率放大器本章的難點(diǎn)：功率放大電路主要參數(shù)分析與計(jì)算第二節(jié) 功率放大電路的一般問題功放以獲得輸出功率為直接目的。 它的一個(gè)基本問題就是 在電源一定的條件下能輸出多大的功放在大信號(hào)功率 。功率放大器既然要有較大的輸出功率，當(dāng)然也要求電源供給更大的注入功率。因此， 功放的另一基本問題

2、是 工作效率問題 。即有多少注入功率能轉(zhuǎn)換成信號(hào)功率。另外， 信號(hào)下的失真，大功率運(yùn)行時(shí)的熱穩(wěn)定性 等問題也是需要研究和解決的。一、功率放大電路的特點(diǎn)、基本概念和類型1、特點(diǎn)：(1) 輸出功率大(2) 效率高(3) 大信號(hào)工作狀態(tài)(4) 功率 BJT 的散熱2、功率放大電路的類型(1) 甲類功率放大器ffl 5.1特點(diǎn):工作點(diǎn)Q處于放大區(qū)，基本在負(fù)載線的中間，見圖 5.1在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)，三極管都有電流通過。導(dǎo)通角為360度。缺點(diǎn):效率較低，即使在理想情況下，效率只能達(dá)到50%由于有Icq的存在，無論有沒有信號(hào)，電源始終不斷地輸送功率。當(dāng)沒有信號(hào)輸入時(shí)，這些功率全部消耗在晶體管和電阻上，

3、并轉(zhuǎn)化為熱量形式耗散出去；當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，其中一部分轉(zhuǎn)化為有用的輸岀功率。作用:通常用于小信號(hào)電壓放大器；也可以用于小功率的功率放大器。(2)乙類功率放大器特點(diǎn):工作點(diǎn)Q處于截止區(qū)半個(gè)周期內(nèi)有電流流過三極管，導(dǎo)通角為180度。由于lcQ=O，使得沒有信號(hào)時(shí)，管耗很小，從而效率提咼。缺點(diǎn)：波形被切掉一半，嚴(yán)重失真，如圖5.2所示。作用:用于功率放大。(3)甲乙類功率放大器特點(diǎn):工作點(diǎn)Q處于放大區(qū)偏下。大半個(gè)周期內(nèi)有電流流過三極管，導(dǎo)通角大于180度而小于360度。由于存在較小的Icq，所以效率較乙類低，較甲類高。缺點(diǎn)：波形被切掉一部分，嚴(yán)重失真，如圖5.3所示。作用:用于功率放大。返回第三節(jié)乙類

4、雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路、電路組成在圖5.4所示電路中，兩晶體管分別為NPN管和PNP管，由于它們的特性相近，故稱為互補(bǔ)對(duì)稱管圖5.4既避免了輸岀波形的靜態(tài)時(shí)，兩管的ICQ=O ；有輸入信號(hào)時(shí)，兩管輪流導(dǎo)通，相互補(bǔ)充 嚴(yán)重失真，又提高了電路的效率。由于兩管互補(bǔ)對(duì)方的不足，工作性能對(duì)稱, 所以這種電路通常稱為互補(bǔ)對(duì)稱電路。-I-VeqUUJ.4-二、分析計(jì)算1.輸出特性曲線的合成因?yàn)檩攲缧盘?hào)是兩管共同作用的結(jié)果,所以將Ti、T2合成一個(gè)能反映輸出信號(hào)和通過負(fù)載的電流的特性曲線。合成時(shí)考慮到:(1 ) Vi=0 時(shí)，VCEQ1 =Vcc-V CEQ2 =V cc , 因此 Qi =Q2(2)由流

5、過Rl的電流方向知ici與ic2方向相反。即兩個(gè)縱坐標(biāo)軸相反。(3 )特性的橫坐標(biāo)應(yīng)符合：VcEi+VEC2=Vcc-(-Vcc)=2VccVCE1的原點(diǎn)與-VCE2=2Vcc點(diǎn)重合；-VCE2的原點(diǎn)與+VCE1 =2V cc點(diǎn)重合。由以上三點(diǎn)，得兩管的合成曲線如圖5.6所示。這時(shí)負(fù)載線過Vcc點(diǎn)形成一條斜線，其斜率為-/Rl。顯然，允許的ic的最大變化范圍為21cm , VCE的變化范圍為 2(VcC-VcES ) =2Vcem=2I cmRL如果忽略BJT的飽和壓降 VCES , Vcem=|cmRLVC。2.計(jì)算輸出功率Po在輸入正弦信號(hào)幅度足夠的前提下，即能驅(qū)使工作點(diǎn)沿負(fù)載線在截止點(diǎn)與

6、臨界飽和點(diǎn)之間移動(dòng)。如圖5.6所示波形。輸岀功率用輸岀電壓有效值Vo和輸岀電流I0的乘積來表示。設(shè)輸岀電壓的幅值為Vom，則這恰好是圖5.6中厶ABQ的面積。因?yàn)閨om=Vom/RL，所以Av勺。當(dāng)輸入信號(hào)足夠大，使Vim=Vom =圖5.5中的T1、T2可以看成工作在射極輸岀器狀態(tài),Vcem = VCC- VCES VCC和lom=lcm時(shí)，可獲得最大的輸岀功率由上述對(duì)Po的討論可知，要提供放大器的輸岀功率，可以增大電源電壓VCC或降低負(fù)載阻抗RL。但必須正確選擇功率三極管的參數(shù)和施加必要的散熱條件，以保證其安全工作。3.BJT的管耗Pt1 -7曲皿曲）2Rsm 少皿曲）42ff 52幾幾4

7、4、電源提供的功率2譏2 盡 Rf n若心則玖5、效率nV 2 _ 應(yīng)用 2R,三、功率BJT的選擇1、最大管耗和最大輸岀功率的關(guān)系葺）4”1幾幾金p =/ C C 湘1 口 _ 7T、-Rl令込二0%71上式表明:當(dāng) Vom 0.6V cc時(shí)，BJT具有最大的管耗,%ST-丄fWrl12因此，功率三極管的選擇應(yīng)滿足以下條件:例題：P220 , 523已知：v為正弦波，Rl=8W，VcES=O， Pom=9W求（1 ）Vc的最小值,(2)BJT 的 Icm、5）Vi的有效值(3)Pom=9W 時(shí)的 Pv ( 4)BJT 的 Pcm (兀廠何忑二歷即二1莎BJT 的 ICM Iom一 1 2xl

8、25用11/46妙返回第四節(jié)甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器圖5.5所示電路具有電路簡單， 效率高等特點(diǎn)，廣泛用于直流電機(jī)和電磁閥控制系統(tǒng)中。但由于BJT的Icq=O,因此在輸入信號(hào)幅度較小時(shí)， 不可避免地要產(chǎn)生非線性失真-交越失真，如圖5.7所示。VBE1 +VBE2 =0圖57產(chǎn)生交越失真的原因：功率三極管處于零偏置狀態(tài)，即:解決辦法：為消除交越失真，可以給每個(gè)三極管一個(gè)很小的靜態(tài)電流，這樣既能減少交越失真，又不至于使功率和效率有太大影響。就是說，讓功率三極管在甲乙類狀態(tài)下工作。增大Vbei +V BE2。、甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路（OCL）S）二極管偏置擴(kuò)大電路偏置比I=卩鯽亠喀4 =卩BF4亠

9、禹）電E 5.81. 基本電路甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路如圖5.8所示。其中圖5.8（ a）所示的偏置電路是克服交越失真的一種方法。由圖可見，T3組成前置放大級(jí)（注意，圖中末畫岀T3的偏置電路）,Ti和T2組成互補(bǔ)輸岀級(jí)。靜態(tài)時(shí)，在Di、D2上產(chǎn)生的壓降為 Ti、T2提供了一個(gè)適當(dāng)?shù)钠珘?，使之處于微?dǎo)通狀 態(tài)。由于電路對(duì)稱，靜態(tài)時(shí)ici=ic2,iL=0, vo=0。有信號(hào)時(shí)，由于電路工作在甲乙類，即使vi很?。―i 和D2的交流電阻也?。?，基本上可線性地進(jìn)行放大。上述偏置方法的缺點(diǎn)是，其偏置電壓不易調(diào)整。而在圖5.8 (b)中， 流人T4的基極電流遠(yuǎn)小于流過 Rl、 R2的電流， 則由圖可求岀

10、 VCE4=VBE4(R1+R2)/R2，因此，利用 T4管的VBE4 基本為一固定值(硅管約為0.60.7V)，只要適當(dāng)調(diào)節(jié) Ri、R2的比值,就可改變Ti、T2的偏壓值 這種方法，在集成電路中經(jīng)常用到。2.特點(diǎn):圖5.P圖5.9是用NPN管驅(qū)動(dòng)的OCL電路，其特點(diǎn)與圖5.8所示電路一樣(1) 靜態(tài)時(shí)Rl上無電流(2) D1、D2 (或R，或R、D)供給、T2兩管一定的正偏壓，使兩管處于微導(dǎo)通狀態(tài)(3) Rc是T3的集電極負(fù)載電阻，A、B兩點(diǎn)的直流電位差始終為1.4V左右，但交流電(4) 電路要求Ti、T2的特性對(duì)稱;(5) 需要使用對(duì)稱的雙電源。、甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路(OTL )圖 5

11、.101、基本電路圖5.10是采用一個(gè)電源的互補(bǔ)對(duì)稱原理電路，圖中由T3組成前置放大級(jí)，Ti和T2組成互補(bǔ)對(duì)稱電路輸岀級(jí)。靜態(tài)時(shí)，一般只要R1、R2有適當(dāng)?shù)臄?shù)值，就可使|C3、VB2和Vi達(dá)到所需大當(dāng)有信號(hào)Vi時(shí)，在信號(hào)的負(fù)半周，T1導(dǎo)電，有電流通過負(fù)載 Rl,同時(shí)向C充電；在信號(hào)的正半周，T2導(dǎo)電，則己充電的電容C起著圖5.8中電源-Vcc的作用，通過負(fù)載 Rl放電，如圖5.11所示。只要選擇時(shí)間常數(shù)RlC足夠大（比信號(hào)的最長周期還大得多），就可以認(rèn)為用電容 C和一個(gè)電源 Vcc可代替原來的+Vcc和-Vcc兩個(gè)電源的作用。E 5.112. 電路特點(diǎn)（1）靜態(tài)時(shí)Rl上無電流（2）Di、D2（

12、或R，或R、D）供給Ti、T2兩管一定的正偏壓，使兩管處于微導(dǎo)通狀態(tài) 即工作于甲乙類狀態(tài)；（3）Rc3是T3的集電極負(fù)載電阻，bi、b2兩點(diǎn)的直流電位差始終為1.4V左右，但交流電小，給Ti和T2提供一個(gè)合適的偏置，從而使K點(diǎn)電位Vk=Vcc/2(4) 僅需使用單電源，但增加了電容器C,C的選擇要滿足？ =RlC足夠大(比Vi的最大周期還要大得多)，使 Vc=0.5Vcc ；(5) T3的偏置電壓取自 K點(diǎn),具有自動(dòng)穩(wěn)定Q點(diǎn)的作用，調(diào)節(jié)R2可以調(diào)整Vk4 J： Tt Tt乜匕幾3. 靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)整電路如圖5.12所示。S 5.12(1) Vc=0.5V cc 的調(diào)整用電壓表測(cè)量 K 點(diǎn)對(duì)地的

13、電壓，調(diào)整 R2 使 VK=0.5V CC（ 2）靜態(tài)電流 IC1、 IC2 的調(diào)整首先將Rw的阻值調(diào)到最小，接通電源后，在輸入端加入正弦信號(hào)用示波器測(cè)量負(fù)載Rl兩端的電壓波形，然后調(diào)整Rw，輸岀波形的交越失真剛好消失為止。4 、存在的問題及解決辦法（1）存在問題上述情況是理想的。實(shí)際上，圖5.10的輸岀電壓幅值達(dá)不到Vom= Vom/2，這是因?yàn)楫?dāng)Vi為負(fù)半周時(shí)，T1導(dǎo)電，因而iB1增加，由于 RC3上的壓降和 VBE1的存在，當(dāng)K點(diǎn)電位向+VCC接近 時(shí)，T1的基流將受限制而不能增加很多，因而也就限制了 T1輸向負(fù)載的電流， 使Rl兩端得不到足夠的電壓變化量，致使Vom 明顯小于 VCC/

14、2。（ 2 ）改進(jìn)辦法如果把圖5.10中D點(diǎn)電位升高，使Vd +Vcc，例如將圖中D點(diǎn)與+V cc的連線切斷，Vd由另一電源供給，則問題即可以得到解決。通常的辦法是在電路中引人R3、C3等元件組成的所謂自舉電路，如圖 5.13 所示。E 5.13(3 )自舉電路的作用靜態(tài)時(shí)當(dāng)R3C3足夠大時(shí)，VC3不隨Vi變化，可認(rèn)為基本不變。這樣，當(dāng)Vi為負(fù)時(shí)，T1導(dǎo)電，VK將由Vcc/2向更正方向變化，考慮到VD=VC3+VK= VC3+VK，顯然，隨著 K點(diǎn)電位升高，D點(diǎn)電位VD也自動(dòng)升高。因而，即使輸岀電壓幅度升得很高，也有足夠的電流iB1，使T1充分導(dǎo)電。這種工作方式稱為自舉，意思是電路本身把VD提高了。5、幾點(diǎn)說明(1)由于T1、T2的工作電壓均為0.5VCC，因而Po、Pt、Pv等的計(jì)算，只須將乙類互補(bǔ)電路指標(biāo)計(jì)算中的Vcc代之以0.5Vcc即可所以輸入電壓必須稍大于輸(2)