模電課件-第7-8章功率放大器與直流電源13

1、第七章第七章 功率放大電路功率放大電路例：例： 擴音系統(tǒng)擴音系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)功率放大器的作用：功率放大器的作用： 用作放大電路的用作放大電路的輸出級輸出級，以，以驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動作、驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動作、 儀儀表指針偏轉(zhuǎn)等。表指針偏轉(zhuǎn)等。 功功率率放放大大電電壓壓放放大大信信號號提提取取7.1 功率放大電路功率放大電路放大器方框圖如下：放大器方框圖如下：負載負載(換能器換能器) 前前 置置 放大器放大器 功功 率率 放大器放大器信號源信號源一、功率放大電路的特點一、功率放大電路的特點由電壓放大電路組成，由電壓放大電路組成，其主要任務(wù)是不失真地其主要

2、任務(wù)是不失真地提高輸入信號電壓的幅提高輸入信號電壓的幅度，以驅(qū)動后面的功率度，以驅(qū)動后面的功率放大電路。放大電路。 其任務(wù)是在保證信號失真其任務(wù)是在保證信號失真在允許范圍內(nèi)的前提下，在允許范圍內(nèi)的前提下，盡可能地提高輸出功率，盡可能地提高輸出功率，以驅(qū)動輸出負載（換能以驅(qū)動輸出負載（換能器）。器）。 (2)功放電路中電流、電壓要求都比較大，功放電路中電流、電壓要求都比較大，必須注意電路參數(shù)不能超過晶體管的必須注意電路參數(shù)不能超過晶體管的極限值極限值: ICM 、U(BR)CEO 、 PCM 。 ICMPCMU(BR)CEOicuce(1) 輸出功率輸出功率Po盡可能大盡可能大(3) 電流、電壓

3、信號比較大，必須注意防止波形失真。電流、電壓信號比較大，必須注意防止波形失真。(4) 電源提供的能量盡可能轉(zhuǎn)換給負載，減少晶體管電源提供的能量盡可能轉(zhuǎn)換給負載，減少晶體管及線路上的損失。即注意提高電路的效率及線路上的損失。即注意提高電路的效率( )。Po : 負載上得到的交流信號功率。負載上得到的交流信號功率。PV ： 電源提供的直流功率。電源提供的直流功率。%100Vo PP (5)功放管散熱和保護問題功放管散熱和保護問題 (6)在分析方法上，通常采用在分析方法上，通常采用圖解法圖解法。綜上所述，對功率放大電路的綜上所述，對功率放大電路的要求要求是：是：v 在保證晶體管安全工作的條件下和允在

4、保證晶體管安全工作的條件下和允許失真的范圍內(nèi)，充分發(fā)揮其潛力，輸許失真的范圍內(nèi)，充分發(fā)揮其潛力，輸出盡量允許大的功率，同時還要減小管出盡量允許大的功率，同時還要減小管子的損耗，以提高其效率。子的損耗，以提高其效率。二、功率放大電路提高效率的主要途徑二、功率放大電路提高效率的主要途徑甲類放大甲類放大輸入信號輸入信號的整個周期內(nèi)均有電流的整個周期內(nèi)均有電流流過管子即管子在一周流過管子即管子在一周內(nèi)都導(dǎo)通。內(nèi)都導(dǎo)通。甲乙類放大甲乙類放大管子在管子在一個周期內(nèi)有半個周期一個周期內(nèi)有半個周期以上導(dǎo)通。以上導(dǎo)通。乙類放大乙類放大管子在一管子在一個周期內(nèi)只有半個周期個周期內(nèi)只有半個周期導(dǎo)通。導(dǎo)通。v乙類放大

5、（乙類放大（c），效），效率最高；率最高；v甲乙類放大（甲乙類放大（b），），效率其次；效率其次；v甲類放大（甲類放大（a），）， 效率最低。效率最低。例：例：如圖如圖(a)所示的射極跟隨器處于所示的射極跟隨器處于甲類工作狀態(tài)，設(shè)甲類工作狀態(tài)，設(shè)VCC=6V，RL=8，三極管的三極管的=40，ICEO、UCES忽略不計。忽略不計。試求在充分激勵下，該電路的最大不試求在充分激勵下，該電路的最大不失真輸出功率和效率。失真輸出功率和效率。 解：當(dāng)靜態(tài)工作點解：當(dāng)靜態(tài)工作點Q平分交流負平分交流負載線時，該電路在充分激勵下有載線時，該電路在充分激勵下有最大的不失真輸出電壓，此時電最大的不失真輸出電壓，此

6、時電路的輸出功率也為最大。路的輸出功率也為最大。 （1）靜態(tài)）靜態(tài) 靜態(tài)工作點靜態(tài)工作點 UCEQ=VCC/2=6/2=3(V) ICQ=(VCCUCEQ)/RL=3/8=0.375(A) 電源供給功率電源供給功率PVQ=VCCICQ=60.375=2.25(W)三極管消耗功率三極管消耗功率 PTQ=UCEQICQ=30.375=1.125(W)負載負載RL上消耗的直流功率上消耗的直流功率 PRQ=ICQ2RL=0.37528=1.125(W)在充分激勵下，在充分激勵下，UcemVCC/2，Icm=Ucem/RLVCC/2RL，由此得：，由此得： W56. 08868222121222L2CC

7、LCCCCcmcemcmcemo RVRVVIUIUPa. 交流輸出功率交流輸出功率(即為即為QED的面積的面積)（2）動態(tài)）動態(tài) WPPIUIUtdtIItUUtdiuP565. 056. 0125. 1sinsin02210221oTQcmcem21CQCEQcmCQcemCEQCCET b. 管子消耗功率管子消耗功率 (即為即為AQD的面積的面積)c. 電源供給功率電源供給功率 (即為矩形即為矩形ABCD的面積的面積) W25. 2sin02210221VQCQCCcmCQCCCCCV PIVtdtIIVtdiVP %2525. 256. 0Vo PP d. 效率效率甲類功放有以下特點：

8、甲類功放有以下特點：v(1) 整個周期內(nèi)均有整個周期內(nèi)均有iC0；v(3)電源始終不斷地輸送功率：電源始終不斷地輸送功率： 靜態(tài)時，這些功率全部消耗在管子和電阻上；靜態(tài)時，這些功率全部消耗在管子和電阻上； 動態(tài)時，其中一部分轉(zhuǎn)化為有用的輸出功率，動態(tài)時，其中一部分轉(zhuǎn)化為有用的輸出功率，信號愈大，輸送給負載的功率愈多。信號愈大，輸送給負載的功率愈多。v(4)輸出功率較??；輸出功率較??；v (5)效率較低。效率較低。v (2) 信號失真小信號失真??；如何解決效率低的問題？如何解決效率低的問題？辦法：辦法：降低降低Q點。點。既降低既降低Q點又不會引起截止失真的辦法：點又不會引起截止失真的辦法：采用采

9、用推挽輸出電路，推挽輸出電路，或或互補對稱射極輸互補對稱射極輸出器。出器。缺點：缺點：但又會引起截止失真。但又會引起截止失真。 互補對稱功放的類型互補對稱功放的類型 無輸出變壓器形式無輸出變壓器形式 （ OTL電路）電路）無輸出電容形式無輸出電容形式 （ OCL電路）電路）OTL: Output TransformerLessOCL: Output CapacitorLess互補對稱：互補對稱：電路中采用兩支晶體管，電路中采用兩支晶體管，NPN、 PNP各一支；兩管特性一致。各一支；兩管特性一致。類型：類型：三、互補對稱功率放大電路三、互補對稱功率放大電路乙類互補對稱放大電路乙類互補對稱放大電

10、路v1 1、電路組成、電路組成 由一對由一對NPN、PNP特性相特性相同的互補三極管組成，采用同的互補三極管組成，采用正、負雙電源供電。也稱為正、負雙電源供電。也稱為OCL互補功率放大電路?；パa功率放大電路。v2 2、工作原理、工作原理 兩個三極管在信號一個兩個三極管在信號一個正、負半周輪流導(dǎo)通，使正、負半周輪流導(dǎo)通，使負負載得到一個完整的波形。載得到一個完整的波形。為分析方便，為分析方便，如圖曲線倒置如圖曲線倒置成成Q點重合點重合乙類互補對稱電路圖解分析：乙類互補對稱電路圖解分析： 由圖可知，由圖可知，Ucem的的最大值為最大值為VCC-UCE(sat)，如果忽略，如果忽略UCE(sat)

11、，則，則: Ucem(max)VCC。 負載斜率相等負載斜率相等且都通過且都通過Q Q點，點，那么合成的負那么合成的負載線成圖示的載線成圖示的一條直線。一條直線。(1) 輸出功率輸出功率Po ： L2CCL2cem(max)omax221RVRUP L2cemcemcmomomomomooo21212122RUUIUIUIUIP 最大不失真輸出功率為最大不失真輸出功率為：(2)直流電源供給功率直流電源供給功率PV ： 22 0102212LCCcemCCcmcmCCC1CCVRVUVI)t(d)tsinI(V)t(diVP L2CCVmax2RVP (3)效率效率 :CCcemLcccemL2

12、cemVO421VURVURUPP %.VVmax57844CCCC (4)管耗管耗 ：總管耗：總管耗： )UUV(RPP4222omomCCLT1T )UUV(R)UUV(R) t(tdsinRU) tsinUV() t(tdsinItsinUV) t(diuP414102102102212omomCCL2cemcemCCLLcemcemCCcmcemCCC1CE1T1 三極管的最大管耗三極管的最大管耗 omL2CCT1max2 . 022 . 0PRVP 問：問：Uom=？ PT1最大最大, PT1max=？用用PT1對對Uom求導(dǎo)得出：求導(dǎo)得出：PT1max發(fā)生在發(fā)生在Uom=0.64V

13、CC處。處。將將Uom=0.64VCC代入代入PT1表達式表達式：甲類放大器與乙類放大器的兩點比較：甲類放大器與乙類放大器的兩點比較：vA、甲類放大器中的電源供給功率、甲類放大器中的電源供給功率PV與信號大小無關(guān)，與信號大小無關(guān)，而乙類放大器的電源供給功率而乙類放大器的電源供給功率PV隨信號的大小而變：隨信號的大小而變： 靜態(tài)時，其值為零；信號增大時，其值隨之增大；靜態(tài)時，其值為零；信號增大時，其值隨之增大； 當(dāng)當(dāng)Ucem最大亦即最大亦即Po 最大時，電源供給功率最大時，電源供給功率PV也達也達到最大。到最大。vB、甲類放大時，靜態(tài)管耗最大。而乙類工作時，靜、甲類放大時，靜態(tài)管耗最大。而乙類工

14、作時，靜態(tài)管耗卻為零，當(dāng)態(tài)管耗卻為零，當(dāng)Uom由小增大時，由于由小增大時，由于PT是是Uom的二的二次函數(shù)，它們之間是非單調(diào)變化關(guān)系。次函數(shù)，它們之間是非單調(diào)變化關(guān)系。當(dāng)當(dāng)Uom=0.64VCC時，時，PT達到最大。達到最大。(5) 選管條件選管條件a、PCM PT1max =0.2Pomb、CCCEOBRVU2)(c、ICMVCC/RL乙類互補對稱電路存在的問題乙類互補對稱電路存在的問題實際測試波形實際測試波形乙類放大的輸入輸出波形關(guān)系乙類放大的輸入輸出波形關(guān)系: 缺點缺點ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL死區(qū)電壓死區(qū)電壓uiuouou o tttt交越失真：交越失真：輸入信號輸入信號

15、 ui在過零在過零前后，輸出信號出現(xiàn)的失真便前后，輸出信號出現(xiàn)的失真便為交越失真。為交越失真。交越失真交越失真ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL(1) 靜態(tài)電流靜態(tài)電流 ICQ、IBQ等于零；等于零；(2) 每管導(dǎo)通時間等于半個周期每管導(dǎo)通時間等于半個周期 ； (3) 存在交越失真。存在交越失真。 乙類放大的特點：乙類放大的特點：1、克服交越失真、克服交越失真交越失真產(chǎn)生的原因：交越失真產(chǎn)生的原因： 在于晶體管特性存在在于晶體管特性存在非線性，非線性，ui IB，則，則221BERRRUU 參數(shù)估算近似參數(shù)估算近似按乙類處理按乙類處理五、五、 基本單電源互補對稱電路基本單電源互補對稱電路

16、電容電容C滿足：滿足：C(510) /2fLRL靜態(tài)時要求靜態(tài)時要求K點電位點電位UK=UC=VCC/2 R1和和R2組成電壓并聯(lián)組成電壓并聯(lián)交直流負反饋網(wǎng)絡(luò)，交直流負反饋網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)定電路的靜態(tài)工穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點，改善放大器作點，改善放大器的動態(tài)性能的動態(tài)性能。3（1 1）輸出功率）輸出功率 PoL2cemo21RUP L2cem(max)omax21RUPL2CC8 RV（2 2）直流電源供給功率）直流電源供給功率PVLCCcemVRVUP 2/CC(max)cemVU當(dāng)當(dāng) 時時L2CCVmax2 RVP （3 3）效率）效率 和管耗和管耗PTVoPP LCCcemL2cem21RVURU

17、 CCcem2VU %5 .78422/CCCmax VVC總管耗總管耗 212omomCCLTUUVRP 六、六、 采用復(fù)合管的功率輸出級采用復(fù)合管的功率輸出級增加復(fù)合管的目的是：增加復(fù)合管的目的是：擴大電流的驅(qū)動能力。擴大電流的驅(qū)動能力。復(fù)合管的構(gòu)成方式：復(fù)合管的構(gòu)成方式：cbeT1T2ibicbecibic方式一：方式一： bcccbcbebbci)(iii,ii,i )(ii,ii121212221121111 becibic 1 2晶體管的類型由復(fù)合管中的第一支管子決定。晶體管的類型由復(fù)合管中的第一支管子決定。方式二：方式二：cbeT1T2ibic復(fù)合管復(fù)合管 （ 達林頓管）達林頓管

18、）構(gòu)成方式很多。不論哪種等效構(gòu)成方式很多。不論哪種等效方式，等效后晶體管的性能確定均如下：方式，等效后晶體管的性能確定均如下：改進后的改進后的OCL準(zhǔn)互補準(zhǔn)互補輸出功放電路：輸出功放電路： T1：電壓推動級電壓推動級 T2、R1、R2： UBE倍增電路倍增電路 T3、T4、T5、T6： 復(fù)合管構(gòu)成的輸出級復(fù)合管構(gòu)成的輸出級準(zhǔn)互補準(zhǔn)互補 輸出級中的輸出級中的T4、T6均為均為NPN型晶體管，兩者特性容易對稱。型晶體管，兩者特性容易對稱。+VCC-VCCR1R2RLuiT1T2T3T4T5T6第八章第八章 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源電源變壓器電源變壓器: 將交流電網(wǎng)電壓將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的交

19、流變?yōu)楹线m的交流電壓電壓u2。整整 流流 電電 路路濾濾 波波 電電 路路穩(wěn)穩(wěn) 壓壓 電電 路路u1u2u3u4uo整整 流流 電電 路路濾濾 波波 電電 路路穩(wěn)穩(wěn) 壓壓 電電 路路整流電路整流電路: 將交流電壓將交流電壓u2變?yōu)槊}動的直流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓u3。濾波電路濾波電路: 將脈動直流電壓將脈動直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷鬓D(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷弘妷簎4。穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路: 清除電網(wǎng)波動及負載變化的影響清除電網(wǎng)波動及負載變化的影響,保持保持輸出電壓輸出電壓uo的穩(wěn)定。的穩(wěn)定。直流穩(wěn)壓電源的組成直流穩(wěn)壓電源的組成t uo(3) 輸出電壓平均值（輸出電壓平均值（Uo）：）：(1) 輸出電壓

20、波形：輸出電壓波形：u1u2aTbDRLuoiL 2022oo45. 0221UUtduU(2) 二極管上的平均電流：二極管上的平均電流： ID = IL1、單相半波整流電路單相半波整流電路一、整流電路一、整流電路2、單相全波整流電路單相全波整流電路u1u2aTbD1RLuoD2u2iL(4) uo平均值平均值Uo：Uo=0.9U2(1) 輸出電壓波形：輸出電壓波形：(2) 二極管上承受的二極管上承受的最高電壓：最高電壓：2RM22UU t uo(3) 二極管上的平均電流：二極管上的平均電流：LD21II 3、單相橋式整流電路單相橋式整流電路橋式整流電路橋式整流電路+-u2正半周時正半周時電流

21、通路電流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo橋式整流電路橋式整流電路-+uou1u2TD4D2D1D3RLu2負半周時負半周時電流通路電流通路i iD1D1tu uD1D1t2RmaxU2Ui iD2D2tL2RU222U2u u2 234tL2RU2ti io oL2RU22U2u uo otu1u2TD4D2D1D3RLuo iou1u2TD4D2D1D3RLuo io4、整流電路的主要參數(shù)整流電路的主要參數(shù) （1）整流輸出電壓平均值（）整流輸出電壓平均值（Uo）2o90 U.U 負載上的負載上的(平均平均)電流電流:L2L90RU.I L2oD45021RU.II 2RM2UU （2）

22、整流二極管的平均電流）整流二極管的平均電流 ID（3）二極管截止時兩端承受的最大反向電壓）二極管截止時兩端承受的最大反向電壓問：若D1開路，電路功能？ 若D1短路，電路如何？u1u2TD4D2D1D3RLuo二、濾波電路二、濾波電路濾波電路的結(jié)構(gòu)特點濾波電路的結(jié)構(gòu)特點: 電容與負載電容與負載 RL 并聯(lián)，或并聯(lián)，或電感與負載電感與負載RL串聯(lián)。串聯(lián)。交流交流電壓電壓脈動脈動直流電壓直流電壓整流整流濾波濾波直流直流電壓電壓1、電容濾波、電容濾波橋式整流電容濾波電路橋式整流電容濾波電路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+(1) RL未接入時未接入時u2tuot整流電路為整流電路為電容充電

23、電容充電充電結(jié)束充電結(jié)束沒有電容沒有電容時的輸出時的輸出波形波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+(2) RL接入（且接入（且RLC較大）時較大）時u2tuotau1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+uoabcdu2t整流電路的輸出整流電路的輸出電流電流iDau1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+iDuot近似估算近似估算:Uo=1.11.2U2。(b) 流過二極管瞬時電流很大。流過二極管瞬時電流很大。整流管導(dǎo)電時間越短整流管導(dǎo)電時間越短 iD的峰值電流越大的峰值電流越大(3) 電容濾波電路的特點電容濾波電路的特點(a) 輸

24、出電壓輸出電壓 Uo與放電時間常數(shù)與放電時間常數(shù) RLC 有關(guān)；有關(guān)；結(jié)論：結(jié)論：電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負載電流電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負載電流較小且負載變動不大的場合。較小且負載變動不大的場合。(c) 輸出特性輸出特性(外特性外特性)uo電容濾波電容濾波純電阻負載純電阻負載1.4U20.9U20IL2、電感濾波電感濾波電感濾波電路電感濾波電路u2u1RLLuoT+_UIUO比較放大比較放大基基 準(zhǔn)準(zhǔn)取取 樣樣URFUO+_C2RL調(diào)整元件調(diào)整元件+三、穩(wěn)壓電路三、穩(wěn)壓電路串聯(lián)型線性直流穩(wěn)壓電路串聯(lián)型線性直流穩(wěn)壓電路一種實際的串聯(lián)式穩(wěn)壓電路一種實際的串聯(lián)式穩(wěn)壓電路UoUB2UBE2( = UB2-UZ）UC2Uo當(dāng)當(dāng) UI 增加使增加使 Uo升高時升高時R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2輸出電壓的確定和調(diào)節(jié)范圍輸出電壓的確定和調(diào)節(jié)范圍