功率放大電路

1、課題項(xiàng)目:音頻放大電路器的制作 任務(wù)：功率放大電路的制作課程名稱實(shí)用模擬電子電子技術(shù)項(xiàng)目教程授課類型新授班級13應(yīng)用電子3+2班日期2014.5.6課時6教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)：了解功率放大電路的常見類型，區(qū)分OCL功率放大電路與OTL功率放大電路的結(jié)構(gòu)，分析其工作原理。安裝調(diào)試常用集成音頻功率放大電路能力目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生的理解能力，分析能力，動手能力情感目標(biāo)：能安裝調(diào)試音頻放大電路教學(xué)重點(diǎn)功率放大電路的結(jié)構(gòu)，工作原理教學(xué)難點(diǎn)功率放大電路的結(jié)構(gòu)，工作原理教學(xué)方法講述法；演示法；案例教學(xué)法課前準(zhǔn)備1.相關(guān)項(xiàng)目模塊2.參考教材3.教案教學(xué)后記及改進(jìn)措施課 堂 教 學(xué) 安 排一、功率放大電路的特點(diǎn)功率放大電

2、路在多級放大電路中處于最后一級，又稱輸出級，其任務(wù)是輸出足夠大的功率去驅(qū)動負(fù)載，如揚(yáng)聲器、伺服電動機(jī)、指示儀表等。從能量控制的觀點(diǎn)來看，功率放大電路與電壓放大電路沒有本質(zhì)的區(qū)別，但由于功率放大電路的任務(wù)是輸出功率，通常在大信號狀態(tài)下工作，所以功率放大電路與電壓放大電路相比，功率放大電路又有一些新的特點(diǎn)：1.輸出功率大為了獲得大的功率輸出，功放管的輸出電壓和電流的幅度足夠大，往往在接近極限狀態(tài)下工作。 2.效率高由于輸出功率大，因此直流電源消耗的功率也大，這就存在一個效率問題。所謂效率就是負(fù)載得到的有用信號功率和電源供給的直流功率的比值。 3.非線性失真功率放大電路是在大信號下工作，通常工作在在

3、飽和區(qū)與截止區(qū)的邊沿，所以不可避免地會產(chǎn)生非線性失真。 4.三極管的散熱功率放大器在輸出功率的同時，三極管消耗的能量亦較大，為了充分利用允許的管耗而使三極管輸出足夠大的功率，三極管的散熱就成為一個重要問題。 5.性能指標(biāo) 以分析功率為主，主要計(jì)算輸出功率、管子消耗功率、電源供給的功率和效率。 此外，在分析方法上，由于三極管處于大信號下工作，通常采用圖解法。二、功率放大電路的分類根據(jù)功率放大電路中三極管靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置的不同，可分成甲類、乙類和甲乙類三種甲類放大器的工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)的中間，這種電路的優(yōu)點(diǎn)是在輸入信號的整個周期內(nèi)三極管都處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出信號失真較?。ㄇ懊嬗懻摰碾妷悍糯笃鞫脊ぷ髟谶@

4、種狀態(tài)），缺點(diǎn)是在沒有輸入信號時，三極管有較大的靜態(tài)電流，這時管耗大, 電路能量轉(zhuǎn)換效率低。乙類放大器的工作點(diǎn)設(shè)置在截止區(qū)，這時, 由于三極管的靜態(tài)電流=0， 所以能量轉(zhuǎn)換效率高，它的缺點(diǎn)是只能對半個周期的輸入信號進(jìn)行放大，非線性失真大。 甲乙類放大電路的工作點(diǎn)設(shè)在放大區(qū)但接近截止區(qū)，靜態(tài)時三極管處于微導(dǎo)通狀態(tài)，這樣可以有效克服乙類放大電路的失真問題，且能量轉(zhuǎn)換效率也較高，目前使用較廣泛。乙類互補(bǔ)對稱功率大電路（OCL電路）一、電路組成及工作原理圖5.2.2(a)是雙電源乙類互補(bǔ)功率放大電路。 這類電路又稱無輸出電容的功率放大電路，簡稱OCL電路。為NPN型管，為PNP型管,兩管參數(shù)對稱。兩管

5、的基極相連作為輸入端，兩管的射極相連作為接負(fù)載的輸出端，兩管的集電極分別接上一組正電源和一組負(fù)電源。從電路可知，每個管子組成共集電極組態(tài)放大電路，即射極電壓跟隨器電路。 1.靜態(tài)分析靜態(tài)時，由于電路無偏置電壓，兩三極管都工作在截止區(qū)，此時、均為零，負(fù)載上無電流通過，輸出電壓。2.動態(tài)分析設(shè)輸入信號為正弦電壓，如圖5.2.2(b)所示。在輸入信號為正半周，三極管導(dǎo)通，截止，管的射極電流經(jīng)自上而下流過負(fù)載，在上形成正半周輸出電壓，。在輸入信號為負(fù)半周，三極管導(dǎo)通，截止，管的射極電流經(jīng)自下而上流過負(fù)載，在負(fù)載上形成負(fù)半周輸出電壓，。這樣在負(fù)載上獲得了完整的正弦波信號電壓，如圖5.2.2(c)所示。輸

6、出電壓雖未被放大，但由于，具有電流放大作用，因此具有功率放大作用。這種電路的結(jié)構(gòu)和工作情況處于對稱狀態(tài)，且兩管在信號的正、負(fù)半周輪流導(dǎo)通工作，故稱之為互補(bǔ)對稱電路。圖5.2.3中顯示了乙類對稱互補(bǔ)功率放大電路的電流和電壓的波形。圖中為了便于分析，將管的特性曲線倒置在特性曲線的右下方。由圖可見，允許的的最大變化范圍為，的變化范圍為，如果忽略管子的飽和壓降，則。二、乙類雙電源互補(bǔ)功率放大電路功率參數(shù)計(jì)算對功率放大電路主要根據(jù)圖5.2.3所示的正弦波形來分析計(jì)算輸出功率、電源供給功率、管耗及效率等參數(shù)。1.輸出功率輸出功率是負(fù)載上的電流和電壓有效值的乘積，即 當(dāng)信號足夠大時，所以最大不失真輸出功率

7、2.直流電源供給的功率直流電源供給的功率是電源供給管子的電流平均值與電源電壓的乘積。我們知道，對于最大電流為的正弦半波電流，其直流平均電流，所以,電源提供的功率 考慮到正、負(fù)兩組電源供電，所以電路電源供給的總功率 當(dāng)輸出功率做大時，所以 3.管耗電源供給的功率的一部分轉(zhuǎn)化為功率輸出后，其余部分消耗在功率管上變?yōu)闊崃?，利用式和?.2.4）可得 顯然，當(dāng)，即無信號時，管子的損耗為零。當(dāng)輸出電壓時，由式可求出乙類互補(bǔ)對稱電路每個管子的管耗為 0.137 可用求極值的方法，求出最大管耗。對式（5.2.6）求導(dǎo)，并令其為零 得 說明當(dāng)0.6時，管耗最大，代入式（5.2.6）得到每只管子的最大功耗值為

8、0.24.效率效率是指輸出功率與電源供給的功率之比，即 當(dāng)時 78.5 5.功率管的選擇條件功率管的極限參數(shù)、，應(yīng)滿足下列條件（1）功率管最大允許功耗0.2 （2）功率管的最大耐壓 2 這是由于，當(dāng)一只管子飽和導(dǎo)通時，另一只管子承受的最高反壓為2。（3）功率管的最大集電極電流 甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路一、甲乙類雙電源互不對稱功率放大電路（OCL）1.交越失真前面討論了有兩個射極輸出器組成的乙類基本互補(bǔ)對稱電路圖5.2.2（a），實(shí)際上這種電路并不能使輸出波形很好地反映輸入的變化，由于沒有直流偏置，管子的必須在大于一個數(shù)值（即門坎電壓，硅管約為0.6V，鍺管約為0.2 V）時，才有顯著變化。當(dāng)

9、輸入信號低于這個數(shù)值時，和管都截止，和基本為零，負(fù)載上無電流電壓，出現(xiàn)一段死區(qū)，如圖5.3.1所示。這種現(xiàn)象稱為交越失真。 2.甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路 為減少和克服交越失真，通常采用圖5.2.5所示的電路。由前置激勵電壓放大級上的集電極靜態(tài)電流流經(jīng)、形成的壓降，供給和兩管一定的正偏壓，使兩管在靜態(tài)時處于微導(dǎo)通狀態(tài)。由于電路對稱，兩管的靜態(tài)電流相等，因而負(fù)載上無靜態(tài)電流流過，兩管的發(fā)射極電壓=0。這樣，當(dāng)有信號時，就可使放大器輸出在零點(diǎn)附近仍能基本得到放大，也就是和 基本呈線性關(guān)系，此時電路就工作在甲乙類。但是，為了提高工作效率，在設(shè)置偏壓時，應(yīng)盡可能接近乙類狀態(tài)。二、甲乙類單電源互補(bǔ)

10、對稱功率放大電路（OTL）1.基本電路及工作原理 雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路由于靜態(tài)時輸出端電位為零，負(fù)載可以直接連接，不需要耦合電容，因而它具有低頻響應(yīng)好、輸出功率大、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，但需要雙電源供電，使用起來有時會感到不便，如果采用單電源供電，只需在兩管發(fā)射極與負(fù)載之間接入一個大容量電容即可。這種電路通常又稱無輸出變壓器的電路，簡稱OTL電路，如圖5.2.6所示。圖中組成前置放大級，和組成互補(bǔ)對稱電路輸出級。靜態(tài)時，通過調(diào)節(jié)的阻值，可使點(diǎn)的電位，電容兩端的靜態(tài)電壓也為，這樣兩管的集、射極之間如同分別加上了和的電源電壓，取代了雙電源功放電路中的。另外，點(diǎn)的電位通過、分壓后，作為管放大電路的偏

11、置電壓。當(dāng)有輸入信號時，在信號的負(fù)半周，的集電極電壓信號為正半周，導(dǎo)通，截止，以射極輸出器形式將信號傳送給負(fù)載, 同時對電容充電，隨著輸入信號的減小，點(diǎn)的電位逐漸上升。若輸入信號足夠大，在輸入信號到達(dá)負(fù)的幅值時刻，處于飽和狀態(tài)，點(diǎn)的電位接近于，由于電容的容量大，其兩端的電壓基本不變，使負(fù)載獲得輸出信號電壓正半周的幅值為；在輸入信號的正半周，的集電極電壓信號為負(fù)半周，導(dǎo)通，截止，這時電容上的電壓（）作為管的直流工作電源，通過向放電，只要選擇時間常數(shù)足夠大（比信號周期大得多），可認(rèn)為電容兩端的電壓基本不變，隨著輸入信號的增加，點(diǎn)的電位逐漸下降，若輸入信號足夠大，在輸入信號到達(dá)正幅值時刻，處于飽和狀

12、態(tài)，點(diǎn)的電位接近于0，使負(fù)載獲得輸出信號負(fù)半周電壓的幅值為。2.功率參數(shù)的計(jì)算單電源互補(bǔ)對稱功放電路的每一個功率管的實(shí)際工作電壓為，為雙電源互補(bǔ)對稱電路功放電路功率管電源電壓的一半。因此在計(jì)算功率參數(shù)時，可利用雙電源功放電路的計(jì)算公式（5.2.1）（5.2.13），只需將其中的參數(shù)全部改為就可以了。例如最大輸出信號電壓的幅值為，而其最大輸出功率。 3.具有自舉電路的電路 從上述單電源互不對稱功放電路的分析可知，在輸入信號作用下，負(fù)載兩端可獲得輸出電壓最大幅值為。上述情況時理想的，實(shí)際上，圖5.2.6是達(dá)不到的，這是因?yàn)楫?dāng)為負(fù)半周時，導(dǎo)通，它輸出到負(fù)載的電流增加，因而的基極電流也增加，由于的壓降

13、和的存在，當(dāng)點(diǎn)的電位向接近時，的基極電流將受限制而不能增加很多，因而也就限制了輸向負(fù)載的電流，式負(fù)載兩端得不到足夠的電壓變化量，致使輸出電壓幅值遠(yuǎn)小于。圖5.2.7所示為具有自舉電路的單電源甲乙類互補(bǔ)對稱功放電路，該電路在圖5.2.6電路的基礎(chǔ)上增加了由、組成的自舉電路。靜態(tài)時，若不考慮上較小的壓降，而，因此電容兩端電壓被充電到。在動態(tài)時，由于的時間常數(shù)足夠大，電容兩端電壓基本不變，不隨輸入信號的的變化而改變。這樣當(dāng)輸入信號為負(fù)半周時，導(dǎo)通，將有向更正的方向變化，考慮到點(diǎn)的電位，顯然，隨著點(diǎn)的電位升高，點(diǎn)的電位也自動升高。在對和電源隔離作用下，可使，這樣即使輸出電壓幅度升得很高，也有足夠的電流

14、流過的基極，使充分導(dǎo)通，使接近。這種工作方式稱為自舉，意思是電路本身把提高了。值得注意的是，圖5.2.7中的互補(bǔ)對稱電路與前置級是直接耦合的，前后級之間存在著互相聯(lián)系何影響。調(diào)整時不能采用分級調(diào)整的方法，因此調(diào)整比較困難。對于圖5.2.7電路，一般可以改變的阻值的大小來改變，從而改變、的基極電位，使和的集電極和發(fā)射極之間的電壓相等（均為）。用來調(diào)節(jié)消除交越失真，使交越失真剛好消除。但由于調(diào)節(jié)是為了改變的大小，這又會影響、的基極電位，致使功率管工作點(diǎn)改變，因此又可能重新產(chǎn)生交越失真或過調(diào)。調(diào)節(jié)雖能消除交越失真，但又會影響點(diǎn)的電位。因此，和要反復(fù)調(diào)整才能符合要求。另外，在調(diào)整時，千萬不能將、斷開，否則，會使的基極電位升高，的基極電位變低，使、的電流變得很大而導(dǎo)致?lián)p壞。復(fù)合互補(bǔ)對稱功率放大電路在輸出功率要求較大時，輸出管就要求采用中功率或大功率管。但是，要是較大功率的和管的輸入特性和輸出特性都接近是很困難的，而選擇特性相同的兩個管或兩個管作輸出，則比較容易。可是這樣在一個信號作用下難以實(shí)現(xiàn)兩輸出管交替工作。解決這個矛盾的方法通常時采