第八章功率放大電路

1、第八章第八章 功率放大電路功率放大電路基本要求基本要求1 1、熟練掌握、熟練掌握功放的特點(diǎn)、功放的特點(diǎn)、互補(bǔ)對稱功放的工互補(bǔ)對稱功放的工作原理作原理、輸出功率及效率的計(jì)算。、輸出功率及效率的計(jì)算。2 2、理解功放中有關(guān)概念：、理解功放中有關(guān)概念：功率、功率、效率效率、交越失真、交越失真3、了解、了解集成功放應(yīng)用及散熱集成功放應(yīng)用及散熱8.1 功率放大電路的一般問題功率放大電路的一般問題8.3 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*8.4 集成功率放大器集成功率放大器u 甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路u 甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路8.2 乙

2、類互補(bǔ)對稱功率放大電路乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路 第八章第八章 功率放大電路功率放大電路8.1 功率放大電路的一般問題功率放大電路的一般問題8.1 .1 功率放大電路的主要特點(diǎn)功率放大電路的主要特點(diǎn)8.1 . 2 功放要解決的問題功放要解決的問題8.1 . 3 功放三種工作狀態(tài)功放三種工作狀態(tài)8.1 . 4 甲類功率放大器分析甲類功率放大器分析8.1 . 5 提高功放效率的途徑提高功放效率的途徑8.1 功率放大電路的一般問題功率放大電路的一般問題功率放大器的作用：功率放大器的作用：例：例： 擴(kuò)音系統(tǒng)擴(kuò)音系統(tǒng)功功率率放放大大電電壓壓放放大大信信號(hào)號(hào)提提取取如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動(dòng)作、如使揚(yáng)聲器發(fā)聲

3、、繼電器動(dòng)作、 儀表指針偏轉(zhuǎn)等。儀表指針偏轉(zhuǎn)等。功率放大電路：功率放大電路：向負(fù)載提供功率向負(fù)載提供功率的放大電路。的放大電路。用作放大電路用作放大電路輸出級(jí)輸出級(jí)，驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。8.1 .1. 功率放大電路的主要特點(diǎn)功率放大電路的主要特點(diǎn)1 1）交直共存）交直共存 和電壓放大電路相同和電壓放大電路相同 2 2）直流能量被轉(zhuǎn)換為交流能量）直流能量被轉(zhuǎn)換為交流能量 和電壓放大電路不同和電壓放大電路不同 提供大輸出功率提供大輸出功率輸入大信號(hào)，信輸入大信號(hào)，信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大，號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大，靜態(tài)電流接近于靜態(tài)電流接近于0 0 圖解法圖解法 3 3）任務(wù)）任務(wù) 4 4）工作特點(diǎn)）工作特點(diǎn) 5

4、 5）分析方法）分析方法 6 6）動(dòng)態(tài)指標(biāo)）動(dòng)態(tài)指標(biāo) PoPo、P PT T、等等 不失真放大電壓信號(hào)不失真放大電壓信號(hào) 輸入小信號(hào)，信輸入小信號(hào)，信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍小，號(hào)動(dòng)態(tài)范圍小，有一定靜態(tài)電流有一定靜態(tài)電流 圖解法、小信號(hào)法圖解法、小信號(hào)法 AvAv、RiRi、RoRo等等 電壓放大電路電壓放大電路功率放大電路功率放大電路注意注意:無論無論功率放大電路功率放大電路還還是是電壓放大電路電壓放大電路，在，在負(fù)載上都負(fù)載上都同時(shí)存在輸出電壓、電流和功同時(shí)存在輸出電壓、電流和功率率，稱呼上的區(qū)別只不過是，稱呼上的區(qū)別只不過是強(qiáng)強(qiáng)調(diào)輸出量不同調(diào)輸出量不同而已。而已。 功率放大器的功率放大器的主要任務(wù)是向

5、負(fù)載提供較大的信號(hào)功率主要任務(wù)是向負(fù)載提供較大的信號(hào)功率，故功率放大器應(yīng)具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)。故功率放大器應(yīng)具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)。1) 1) 輸出功率要足夠大輸出功率要足夠大 如輸入信號(hào)是某一頻率的正弦信號(hào)，則輸出功率的表如輸入信號(hào)是某一頻率的正弦信號(hào)，則輸出功率的表達(dá)式為達(dá)式為 Po =IoUo 改用振幅值表示為改用振幅值表示為 Po = IomUom 128.1 . 1 功率放大電路的特點(diǎn)功率放大電路的特點(diǎn)2) 2) 效率要高效率要高 功率放大器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)功率放大器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器能量轉(zhuǎn)換器，它是將，它是將電源供電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)的能量輸送給負(fù)載給的直流能量轉(zhuǎn)換成交流

6、信號(hào)的能量輸送給負(fù)載，因此，因此，要求轉(zhuǎn)換效率高。要求轉(zhuǎn)換效率高。o=vPP 式中，式中， Po為信號(hào)輸出功率，為信號(hào)輸出功率，PV是直流電源向電路提供是直流電源向電路提供的功率。的功率。在直流電源提供相同直流功率的條件下，輸出信在直流電源提供相同直流功率的條件下，輸出信號(hào)號(hào)功率愈大，電路的效率愈高。功率愈大，電路的效率愈高。OTB IA Sv =PPPP+uVCCLRb1Ri3) 3) 非線性失真要小非線性失真要小 功率放大器是在功率放大器是在大信號(hào)狀態(tài)下工作大信號(hào)狀態(tài)下工作，電壓、電，電壓、電流擺動(dòng)幅度很大，而且由于三極管是非線性器件，流擺動(dòng)幅度很大，而且由于三極管是非線性器件，在大信號(hào)工

7、作狀態(tài)下，在大信號(hào)工作狀態(tài)下，器件本身的非線性問題十器件本身的非線性問題十分突出分突出，因此，因此，輸出信號(hào)不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定輸出信號(hào)不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定的非線性失真的非線性失真。在實(shí)際應(yīng)用中，要采取措施減少。在實(shí)際應(yīng)用中，要采取措施減少失真，使之滿足負(fù)載要求。失真，使之滿足負(fù)載要求。4) 4) 圖解法進(jìn)行估算圖解法進(jìn)行估算 由于功放工作在由于功放工作在大信號(hào)狀態(tài)大信號(hào)狀態(tài)，實(shí)際上已不，實(shí)際上已不屬于線性電路的范圍，故不能用小信號(hào)微變屬于線性電路的范圍，故不能用小信號(hào)微變電路的分析方法，電路的分析方法，通常采用圖解法通常采用圖解法對其輸出對其輸出功率、效率等指標(biāo)作粗略估算。功率、效率等指標(biāo)作

8、粗略估算。8.1 . 2 功放要解決的問題功放要解決的問題F 提高效率提高效率F 減小失真減小失真F 管子的保護(hù)管子的保護(hù)F 提高輸出功率提高輸出功率8.1 . 3. 功放三種工作狀態(tài)功放三種工作狀態(tài) 三極管根據(jù)三極管根據(jù)正弦信號(hào)整個(gè)一周正弦信號(hào)整個(gè)一周期內(nèi)的導(dǎo)通情況期內(nèi)的導(dǎo)通情況，可分為幾個(gè)狀態(tài)：，可分為幾個(gè)狀態(tài)：乙類：乙類：甲類：甲類：導(dǎo)通角大于導(dǎo)通角大于180一個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通一個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通有直流基礎(chǔ)，有直流基礎(chǔ)，BJT靜態(tài)導(dǎo)通靜態(tài)導(dǎo)通半個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通半個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通無直流基礎(chǔ)，無直流基礎(chǔ)，BJT靜態(tài)截止靜態(tài)截止甲乙類：甲乙類：+uVCCLRb1RiIcuceQuceQIcQ8.1 .

9、4. 甲類功率放大器分析甲類功率放大器分析OTB IA Sv =PPPP此電路的最高效率此電路的最高效率25.0vPPO甲類功率放大器存在的缺點(diǎn)：甲類功率放大器存在的缺點(diǎn)：靜態(tài)功率大，輸出功靜態(tài)功率大，輸出功率小，效率低率小，效率低1 1、無信號(hào)時(shí)，仍有電流流入，電能全部轉(zhuǎn)為高熱量。、無信號(hào)時(shí)，仍有電流流入，電能全部轉(zhuǎn)為高熱量。2 2、有信號(hào)時(shí)，部分功率可進(jìn)入負(fù)載，但許多仍轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?。、有信?hào)時(shí)，部分功率可進(jìn)入負(fù)載，但許多仍轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?。甲類功率放大器的?yōu)點(diǎn)：甲類功率放大器的優(yōu)點(diǎn)：具有具有最佳的線性最佳的線性，每個(gè)輸出晶體管均放大信號(hào)全波，每個(gè)輸出晶體管均放大信號(hào)全波，不不存在交越存在交越失真失

10、真（SwitchingDistortion），播音頻的理），播音頻的理想選擇，它能提供非常平滑的音質(zhì)，音色圓潤溫暖，想選擇，它能提供非常平滑的音質(zhì)，音色圓潤溫暖，高音透明開揚(yáng)，這些優(yōu)點(diǎn)足以補(bǔ)償它的缺點(diǎn)高音透明開揚(yáng)，這些優(yōu)點(diǎn)足以補(bǔ)償它的缺點(diǎn)25.0vPPO8.1 . 5. 提高功放效率的途徑提高功放效率的途徑F 降低靜態(tài)功耗降低靜態(tài)功耗， 即減小靜態(tài)電流即減小靜態(tài)電流。 甲類電路甲類電路Q Q點(diǎn)較高，點(diǎn)較高，靜態(tài)電流靜態(tài)電流較大，消耗了較大，消耗了大量功率。大量功率。uiT1+UCCRLiLNPN型型uoui 0V T1截止截止ui 0V T1導(dǎo)通導(dǎo)通假設(shè)假設(shè)Vbe=0V5. 提高功放效率的途徑

11、：降低提高功放效率的途徑：降低Q點(diǎn)點(diǎn)互補(bǔ)對稱：互補(bǔ)對稱： 電路中采用兩個(gè)晶體管：電路中采用兩個(gè)晶體管：NPNNPN、PNPPNP各一支；各一支； 兩管特性一致。組成兩管特性一致。組成互互補(bǔ)對稱式射極輸出器補(bǔ)對稱式射極輸出器。uuVCCVCCoiLRNPN型型PNP型型uuVCCVCCoiLRuuVCCVCCoiLRui 0V T1導(dǎo)通，導(dǎo)通，T2截止截止假設(shè)假設(shè)Vbe=0VNPN型型PNP型型uuVCCVCCoiLRuuVCCVCCoiLRui 0V T1截止，截止，T2導(dǎo)通導(dǎo)通NPN型型PNP型型假設(shè)假設(shè)Vbe=0V8.2 乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路8.2

12、.1 電路組成電路組成（OCL）（Output CapacitorLess）8.2 . 5 乙類互補(bǔ)對稱電路存在的問題乙類互補(bǔ)對稱電路存在的問題8.2 . 2 工作原理工作原理8.2 . 3 分析計(jì)算分析計(jì)算8.2 . 4 4 功率功率BJT選擇原則選擇原則8.2 . 1. 電路組成電路組成4 4、輸入輸出、輸入輸出不加隔直電容不加隔直電容，也稱為，也稱為OCLOCL互補(bǔ)功率放大電路。互補(bǔ)功率放大電路。 1、采用、采用正、負(fù)雙電源正、負(fù)雙電源供電供電2、由一對、由一對NPN、PNP特性相同特性相同的的互補(bǔ)三極管組成互補(bǔ)三極管組成3、由三極管組成的、由三極管組成的射極輸出器工作在射極輸出器工作在

13、乙類狀態(tài)乙類狀態(tài) 特點(diǎn)：特點(diǎn)：互補(bǔ)對稱：互補(bǔ)對稱：電路中采用兩個(gè)晶體管：電路中采用兩個(gè)晶體管：NPN、PNP各一支；各一支；兩管特性一致。組成互補(bǔ)對稱式射極輸出器。兩管特性一致。組成互補(bǔ)對稱式射極輸出器。ic1ic2 靜態(tài)時(shí)：靜態(tài)時(shí)：ui = 0V ic1、ic2均均=0（乙（乙類工作狀態(tài)）類工作狀態(tài)） uo = 0V動(dòng)態(tài)時(shí)：動(dòng)態(tài)時(shí)：ui 0VT1截止，截止，T2導(dǎo)通導(dǎo)通ui 0VT1導(dǎo)通，導(dǎo)通，T2截止截止iL= ic1 ;ui-USCT1T2uo+USCRLiLiL=ic2注意：注意：T1、T2兩個(gè)晶體管都只在半個(gè)周期內(nèi)工作。兩個(gè)晶體管都只在半個(gè)周期內(nèi)工作。8.2 . 2. 工作原理工作原

14、理8.2 . 3. 分析計(jì)算分析計(jì)算（1）實(shí)際輸出功率）實(shí)際輸出功率PoL2CCL2CESCCL2CESCComax22)()2(=RVRVVRVVP L2omLomomooo222=RVRVVIVP 最大不失真輸出功率最大不失真輸出功率Pomax最大不失真輸出電壓時(shí)的輸出功率最大不失真輸出電壓時(shí)的輸出功率忽略忽略VCESui-VCCT1T2+VCCRLiLNPN型型PNP型型vo單個(gè)管子在半個(gè)周期內(nèi)的管耗單個(gè)管子在半個(gè)周期內(nèi)的管耗)(d )(21=0LooCCT1tRvvVP （2）管耗）管耗PT兩管管耗兩管管耗)d( sin)sin(210LomomCCtRtVtVV )d( )sinsi

15、n(2102L2omLomCCttRVtRVV )4(12omomCCLVVVR T2T1T=PPP)4(22omomCCLVVVR ui-VCCT1T2+VCCRLiLNPN型型PNP型型vo（3）電源供給的功率）電源供給的功率PV ToV=PPPLomCC2RVV 當(dāng)當(dāng)時(shí)，時(shí)， CComVV 2L2CCVmRVP （4）效率）效率 CComVo4=VVPP 當(dāng)當(dāng)時(shí)，時(shí)， CComVV % 78.54 ui-VCCT1T2+VCCRLiLNPN型型PNP型型voL2omo2RVP =TP)4(22omomCCLVVVR 乙類功放效率得到很大的提高！乙類功放效率得到很大的提高?。?）最大管耗）

16、最大管耗PTm與與Pom關(guān)系關(guān)系PTPOPE ToV=PPPLomCC2RVV L2omo2RVP =TP)4(22omomCCLVVVR )4(12omomCCLT1VVVRPL2CCT1max22 . 0RVP問：問：Vom=？ PT1最大最大, PT1max=？用用PT1對對Vom求導(dǎo)得出：求導(dǎo)得出：PT1max發(fā)生在發(fā)生在Vom=0.64VCC處。處。（5）最大管耗）最大管耗PTm與與Pom關(guān)系關(guān)系L2CComax2RVPPTPOPE將將Vom=0.64VCC代入代入PT1表達(dá)式表達(dá)式：omax2 . 0 PL2omo2 RVP保證保證BJTBJT工作在安全區(qū)：工作在安全區(qū)：1) PC

17、M CM PT1max T1max = = 0.2 P0.2 POmaxOmax2) ICM CM Ic1max c1max = = V VCC CC / R RL L3) V(BR)CEO (BR)CEO 2V VCCCC并注意保證足夠的余量并注意保證足夠的余量8.2 . 4 4 功率功率BJTBJT選擇原則：選擇原則：ic1i iO O8.2 . 5 乙類互補(bǔ)對稱電路存在的問題乙類互補(bǔ)對稱電路存在的問題實(shí)際測試波形實(shí)際測試波形仿真波形仿真波形存在交越失真存在交越失真uiuououo 死區(qū)電壓死區(qū)電壓uuVCCVCCoiLRVbe1Vbe2交越失真交越失真8.3 甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路甲

18、乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路8.3.1 甲乙類甲乙類雙電源雙電源互補(bǔ)對稱電路互補(bǔ)對稱電路8.3.2 甲乙類甲乙類單電源單電源互補(bǔ)對稱電路互補(bǔ)對稱電路靜態(tài)偏置靜態(tài)偏置增加增加 R1、D1、D2、R2支路支路R1D1D2R2+USC-USCULuiiLRLT1T21.克服交越失真的措施：克服交越失真的措施：2.二極管偏置電路二極管偏置電路 克服交越失真的克服交越失真的措施就是避措施就是避開死區(qū)電壓區(qū)開死區(qū)電壓區(qū)，使每一個(gè)晶體管，使每一個(gè)晶體管處于處于微導(dǎo)通微導(dǎo)通狀態(tài)。狀態(tài)。 8.3.1 甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路 靜態(tài)時(shí)靜態(tài)時(shí):R1D1D2R2+UCC-UCCULuiiLRLT1

19、T2原理：原理：T1、T2兩管均處于微弱導(dǎo)通狀態(tài)兩管均處于微弱導(dǎo)通狀態(tài)D1、 D2的正向?qū)ǖ恼驅(qū)▌?dòng)態(tài)時(shí)：動(dòng)態(tài)時(shí)： 設(shè)設(shè) ui 加入正弦信號(hào)。加入正弦信號(hào)。正半周正半周T2 截止截止T1 基極電位進(jìn)一步提高，基極電位進(jìn)一步提高，進(jìn)入良好的導(dǎo)通狀態(tài)；進(jìn)入良好的導(dǎo)通狀態(tài)；負(fù)半周負(fù)半周T1截止截止T2 基極電位進(jìn)一步降低，基極電位進(jìn)一步降低，進(jìn)入良好的導(dǎo)通狀態(tài)。進(jìn)入良好的導(dǎo)通狀態(tài)。T1導(dǎo)通導(dǎo)通T2導(dǎo)通導(dǎo)通2.二極管偏置電路二極管偏置電路波形特點(diǎn)：波形特點(diǎn)：R1D1D2R2+UCC-UCCULuiiLRLT1T22.二極管偏置電路二極管偏置電路利用二極管進(jìn)行偏置電路克服交越失真，但是利用二極管進(jìn)行

20、偏置電路克服交越失真，但是仍有缺點(diǎn)缺點(diǎn)：仍有缺點(diǎn)缺點(diǎn)：偏置電壓不易調(diào)整偏置電壓不易調(diào)整BE221CEVRRRV VBE可認(rèn)為是定值可認(rèn)為是定值3.VBE倍增偏置電路倍增偏置電路B1B2+-BER1R2UIBI 克服交越失真電路中的克服交越失真電路中的D1、D2兩二極管兩二極管可以用可以用UBE電壓倍增電路電壓倍增電路替代。替代。 合理選擇合理選擇R1、R2大小，大小，B1、B2間間便可得到便可得到 UBE 任意倍數(shù)的電壓。任意倍數(shù)的電壓。 圖中圖中B1、B2分別接分別接T1、T2的基極。假設(shè)的基極。假設(shè)I IB，則，則C8.3.2 甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路（OTL） （

21、Output TransformerLess）靜態(tài)時(shí)，偏置電路使靜態(tài)時(shí)，偏置電路使T1、T2微微導(dǎo)通。導(dǎo)通。當(dāng)有信號(hào)當(dāng)有信號(hào)ui時(shí)時(shí)正半周正半周T1導(dǎo)通，有電流通過負(fù)導(dǎo)通，有電流通過負(fù)載載RL，同時(shí)向，同時(shí)向C充電充電負(fù)半周負(fù)半周T2導(dǎo)通，則已充電的電導(dǎo)通，則已充電的電容容C通過負(fù)載通過負(fù)載RL放電。放電。只要滿足只要滿足RLC T信信，電容，電容C就就可充當(dāng)原來的可充當(dāng)原來的VCC。計(jì)算計(jì)算Po、PT、PV和和PTm的公式的公式必須加以修正，以必須加以修正，以VCC/2代替原代替原來公式中的來公式中的VCC。 K8.4 集成功放集成功放特點(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。只需在器件外