模電課件功率電子電路

1、第四章第四章 功率放大器功率放大器4.1 概概 述述4.2 乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路 4.3 甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路*4.4 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(duì)稱電路甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路u 甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路4.1 4.1 概述概述例：例： 擴(kuò)音系統(tǒng)擴(kuò)音系統(tǒng)實(shí)際負(fù)載實(shí)際負(fù)載什么是功率放大器？什么是功率放大器？ 在電子系統(tǒng)中，模擬信號(hào)被放大后，在電子系統(tǒng)中，模擬信號(hào)被放大后，往往要去推動(dòng)一個(gè)實(shí)際的負(fù)載。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動(dòng)往往要去推動(dòng)一個(gè)實(shí)際的負(fù)載。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動(dòng)作、作、 儀表指

2、針偏轉(zhuǎn)等。推動(dòng)一個(gè)實(shí)際負(fù)載需要的功率很大。儀表指針偏轉(zhuǎn)等。推動(dòng)一個(gè)實(shí)際負(fù)載需要的功率很大。能輸出較大功率的放大器稱為功率放大器能輸出較大功率的放大器稱為功率放大器功功率率放放大大電電壓壓放放大大信信號(hào)號(hào)提提取取電壓放大器電壓放大器功率放大器功率放大器放大電壓信號(hào)放大電壓信號(hào)獲得大的輸出功率獲得大的輸出功率Au Ri RoPo=UoIo小信號(hào)小信號(hào)微變等微變等效電路分析法效電路分析法大信號(hào)大信號(hào)圖解法圖解法本質(zhì)相同本質(zhì)相同一一. 功放電路的特點(diǎn)功放電路的特點(diǎn)（2） 功放電路中電流、電壓要求都比較大，必須功放電路中電流、電壓要求都比較大，必須注意電路參數(shù)不能超過(guò)晶體管的極限值注意電路參數(shù)不能超過(guò)晶

3、體管的極限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。 ICMPCMUCEM（1）輸出功率輸出功率Po盡可能大盡可能大Icuce(3) 電流、電壓信號(hào)比較大，必須注意防止波形失真。電流、電壓信號(hào)比較大，必須注意防止波形失真。(4) 電源提供的能量應(yīng)盡可能多地轉(zhuǎn)換給負(fù)載，盡量電源提供的能量應(yīng)盡可能多地轉(zhuǎn)換給負(fù)載，盡量減少晶體管及線路上的損失。即注意提高電路的減少晶體管及線路上的損失。即注意提高電路的效率（效率（ ）。）。Po: 負(fù)載上得到的交流信號(hào)功率。負(fù)載上得到的交流信號(hào)功率。PE :電源提供的直流功率。電源提供的直流功率。%100EOPP（5）功放管散熱和保護(hù)問(wèn)題）功放管散熱和保護(hù)問(wèn)題二二. 甲

4、類功率放大器分析甲類功率放大器分析1.三極管的靜態(tài)功耗：三極管的靜態(tài)功耗：若若CCCEQVU21的靜態(tài)功耗相等的靜態(tài)功耗相等三極管和負(fù)載電阻三極管和負(fù)載電阻LRCQCEQTIUP CQCCEIVP 電源提供的平均功耗：電源提供的平均功耗：CQCCRLTIVPP21則則+uVCCLRb1RiIcuceQuceQIcQ2.動(dòng)態(tài)功耗動(dòng)態(tài)功耗（當(dāng)輸入信號(hào)（當(dāng)輸入信號(hào)Ui時(shí)）時(shí)）輸出功率輸出功率:omomomom2122IUIUP o 要想要想PO大，就要大，就要使功率三角形的面積使功率三角形的面積大，即必須使大，即必須使Vom 和和Iom 都要大。都要大。最大輸出功率最大輸出功率:CQCComIVP)

5、21(21MNUomIom功率三角形功率三角形iCuCEQUCEQICQVCCCQCCIV41電源提供的功率電源提供的功率CQCCCmCQCCCCCEIVtdtIIVtdiVP)sin(21212020此電路的最高效率此電路的最高效率25. 0 EomPP 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)： 輸出功率小輸出功率小 靜態(tài)功率大，效率低靜態(tài)功率大，效率低CQCCTIVP 21三三. BJT的幾種工作狀態(tài)的幾種工作狀態(tài)甲類：甲類：Q點(diǎn)適中，在正弦信號(hào)的點(diǎn)適中，在正弦信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)均有電流流過(guò)整個(gè)周期內(nèi)均有電流流過(guò)BJT。甲乙類：甲乙類：介于兩者之間，介于兩者之間，導(dǎo)通角大于導(dǎo)通角

6、大于180iCuCEQ1UCEQICQVCCiCuCEQ3ICQVCC乙類：乙類：靜態(tài)電流為靜態(tài)電流為0，BJT只在只在正弦信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通。正弦信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通。iCuCEQ2ICQVCC一一. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)4.2 乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路 uuVCCVCCoiLR乙類狀態(tài)的乙類狀態(tài)的NPN、 PNP射極跟隨器射極跟隨器 互補(bǔ)組成對(duì)稱式功放互補(bǔ)組成對(duì)稱式功放LRuVCCouiVCCLRuiuo二、工作原理二、工作原理ic1 靜態(tài)時(shí)：靜態(tài)時(shí)：動(dòng)態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)時(shí):(設(shè)設(shè)ui為正弦波為正弦波)T1、T2兩個(gè)管子交替工作，在負(fù)載上得到完整的正弦波。兩個(gè)管子交替工作，在負(fù)載上

7、得到完整的正弦波。ui = 0V Ic1=Ic2=0（乙類狀態(tài)）（乙類狀態(tài)） uo = 0Vui 負(fù)負(fù)半周半周T1截止，截止，T2導(dǎo)通導(dǎo)通ui 正半周正半周T1導(dǎo)通，導(dǎo)通，T2截止截止io= ic1io=ic2uu12VCCVCCoiLRio形成形成uo正半周正半周形成形成uo負(fù)半周負(fù)半周ic2Po=0PT=0PE=0uuVCCVCCoiLRuo=VCC-uCE |uo|= | uCE| Uom= Ucemio= iCIom= Icm三、分析計(jì)算三、分析計(jì)算圖解法圖解法IcmUcem 負(fù)載上的最大不失真輸出電壓為負(fù)載上的最大不失真輸出電壓為(極限值）極限值） Uom= Ucem =VCC -

8、UCES VCC uCEiC1iC2QVCCLCCRVUCES動(dòng)畫演示動(dòng)畫演示最大不失真輸出功率最大不失真輸出功率PomaxL2CCL2CESCComax22)(RVRUVP 1.輸出功率輸出功率PoL2omLomomooo222=RURUUIUP 三、分析計(jì)算三、分析計(jì)算uuVCCVCCoiLR時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng)CCVUom 一個(gè)管子的管耗一個(gè)管子的管耗)(d )(21=0LooCCT1tRuuVP 2.管耗管耗PT兩管管耗兩管管耗)d( sin)sin(210LomomCCtRtUtUV )4(12omomCCLUUVR T1T2=PP)4(22omomCCLUUVR uuVCCVCCoiLR3.電

9、源供給的功率電源供給的功率PE ToE=PPPLomCC2RUV 當(dāng)當(dāng)時(shí)， CComVU 2L2CCEmRVP 4.效率效率 CComEo4=VUPP 時(shí)，時(shí)， CComVU % 78.54max 最高效率最高效率 max四三極管的最大管耗四三極管的最大管耗 使使PT1對(duì)對(duì)Uom求導(dǎo)，并令導(dǎo)數(shù)求導(dǎo)，并令導(dǎo)數(shù)=0，有：，有：0)2(1omCCL1 UVRdUdPomT 求得：求得： CC2VUom omCCCCTPRVVVRP2 . 01)2)2(2(1L2222Lmax1 )4(12omomCCLT1UUVRP 管耗：管耗：最大管耗：最大管耗：選功率管的原則：選功率管的原則：1. PCM PT

10、1max =0.2PoM2CCCEOBRVU2)( L2CCoM2RVP uuVCCVCCoiLR輸入輸出波形圖輸入輸出波形圖uiuououo 交越失真交越失真死區(qū)電壓死區(qū)電壓uuVCCVCCoiLR動(dòng)畫演示動(dòng)畫演示乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放的缺點(diǎn)乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放的缺點(diǎn)uu-oLRi2RD12R1VCCDVCCuuRoLi2R1DD2VCC1RVCC交流短路交流短路靜態(tài)時(shí)靜態(tài)時(shí): UBE1+| UBE2| = UD1+ UD2 = 0.7V+0.7V=1.4V兩管均處于微導(dǎo)通狀態(tài)兩管均處于微導(dǎo)通狀態(tài)甲乙類工作狀態(tài)甲乙類工作狀態(tài) IC1= - IC2 Io=0 Uo=0動(dòng)態(tài)時(shí)：動(dòng)態(tài)時(shí)：設(shè)設(shè) ui 加入正弦

11、信號(hào)。加入正弦信號(hào)。電路中增加電路中增加 R1、D1、D2、R2支路支路1.1.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu): :4.3 甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路一一. 甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路功率、效率的計(jì)算套用乙類公式，功率、效率的計(jì)算套用乙類公式，誤差在允許的范圍內(nèi)。誤差在允許的范圍內(nèi)。ui 正半周，正半周，T1通、通、T2止；止；ui 負(fù)半周，負(fù)半周，T2通、通、T1止。止。2.2.基本原理基本原理uB1tUTtiBIBQ波形關(guān)系：波形關(guān)系：ICQiCuBEiBib特點(diǎn)：特點(diǎn)：存在較小的靜態(tài)存在較小的靜態(tài)電流電流 ICQ 、IBQ 。每管導(dǎo)通時(shí)間大每管導(dǎo)通時(shí)間大于半個(gè)周

12、期，基于半個(gè)周期，基本不失真。本不失真。 iCQuceVCC /ReVCCIBQ2.2.帶前置放大級(jí)的甲乙類功率放大器帶前置放大級(jí)的甲乙類功率放大器 -+uu*CCVUPLRO1RR3R4DVCCIR2iT12TT3R2 D 克服交越失真克服交越失真T3前置級(jí)前置級(jí)(甲類狀態(tài)）甲類狀態(tài)）T1 T2互補(bǔ)對(duì)稱功放互補(bǔ)對(duì)稱功放（甲乙類狀態(tài)）（甲乙類狀態(tài)）（計(jì)算同乙類（計(jì)算同乙類）R3和和R4穩(wěn)定輸出電流穩(wěn)定輸出電流3. 電路中增加復(fù)合管電路中增加復(fù)合管增加復(fù)合管的目的：增加復(fù)合管的目的：擴(kuò)大電流的驅(qū)動(dòng)能力。擴(kuò)大電流的驅(qū)動(dòng)能力。 1 2復(fù)合復(fù)合NPN型型cebCibieiT12TbcebiTiCei2

13、11bebeberrr 111211121)1(bbbbccbcIIIIIIII 2121 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。復(fù)合復(fù)合NPN型型復(fù)合復(fù)合PNP型型cbeibTTe1C2iicebCibieiT12T復(fù)合復(fù)合NPN型型復(fù)合復(fù)合PNP型型4. 帶復(fù)合管的帶復(fù)合管的OCL互補(bǔ)輸出功放電路：互補(bǔ)輸出功放電路： T1：電壓推動(dòng)級(jí)（前置級(jí)）電壓推動(dòng)級(jí)（前置級(jí)） T2、R1、R2：UBE擴(kuò)大電路擴(kuò)大電路 T3、T4、T5、T6：復(fù)合管構(gòu)成互補(bǔ)對(duì)稱功放復(fù)合管構(gòu)成互補(bǔ)對(duì)稱功放 輸出級(jí)中的輸出級(jí)中的T4、T6均為均為NPN型晶體管，型晶體管，兩者特性容

14、易對(duì)稱。兩者特性容易對(duì)稱。 靜態(tài)工作：靜態(tài)工作：ui=0，T1導(dǎo)通，導(dǎo)通，R3限限流，合理選擇流，合理選擇R1、R2，b3、b5間間可得到可得到 UBE2 任意倍的電壓。在此任意倍的電壓。在此需要需要3 UBE222122RRRUUBECE uuLRT3TT65oT41T2Ti3RR12R4.帶運(yùn)放前置放大級(jí)的甲乙類功率放大電路帶運(yùn)放前置放大級(jí)的甲乙類功率放大電路 運(yùn)放運(yùn)放A接成同相輸入方式作前置放大級(jí)。接成同相輸入方式作前置放大級(jí)。 引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋。整個(gè)電路的電壓放大倍數(shù)：引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋。整個(gè)電路的電壓放大倍數(shù)： afiofu1RRuuA uu+-DAR+iTT131VRCC43

15、RT2OLCCTVRfRaRR5R6R24R單電源供電；單電源供電；輸出加有大電容。輸出加有大電容。（作用：負(fù)電源、耦合）（作用：負(fù)電源、耦合）（1）靜態(tài)偏置）靜態(tài)偏置二二. 甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路 調(diào)整調(diào)整RW阻值可使阻值可使CCP21VU 電容上電壓電容上電壓CCC21VU +uuTT1324TTC8RVCC1R2RRLR5R6WRUPiO1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)2、工作原理、工作原理C 隔斷直流隔斷直流 IO=0 UO=0（2）動(dòng)態(tài)分析）動(dòng)態(tài)分析（電容起到了負(fù)電源（電容起到了負(fù)電源的作用）的作用）ui負(fù)半周時(shí)，負(fù)半周時(shí)，T1導(dǎo)通、導(dǎo)通、T2截止；截止；ui正半周時(shí)，正半周

16、時(shí)，T1截止、截止、T2導(dǎo)通。導(dǎo)通。+uuTT1324TTC8RVCC1R2RRLR5R6WRUPiO供電總電壓：供電總電壓：VCC-UC=VCC/2供電電壓：供電電壓：UC= -VCC/2功率、效率的計(jì)算套用雙電源互功率、效率的計(jì)算套用雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功放的公式補(bǔ)對(duì)稱功放的公式 將原將原VCC換為換為VCC/2ic1ic2（3）輸出功率及效率）輸出功率及效率若忽略交越失真的影響。則：若忽略交越失真的影響。則：%5 .78max2maxCCoVU+uuTT1324TTC8RVCC1R2RRLR5R6WRUPiOLCCLooRVRUP82)2(22maxmax電路使用單電源，有輸出電容，沒(méi)有輸出變

17、壓器，稱電路使用單電源，有輸出電容，沒(méi)有輸出變壓器，稱為為OTL電路電路此電路存在的問(wèn)題：此電路存在的問(wèn)題：輸出電壓正方向變化的幅度受到限制，達(dá)不到輸出電壓正方向變化的幅度受到限制，達(dá)不到VCC/2。輸出交流電壓的極限值：輸出交流電壓的極限值： Uom VCC /2+uuTT1324TTC8RVCC1R2RRLR5R6WRUPiOUP2. 帶自舉電路的單電源功放帶自舉電路的單電源功放靜態(tài)時(shí)靜態(tài)時(shí)CCP21VU C1充電后，其兩端有充電后，其兩端有一固定電壓一固定電壓VCC/2動(dòng)態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)時(shí)+uuRCCTL1CRR2PR0R837CU2R1RTRiTW5V416TC1、R7為自舉電路為自舉電路A時(shí)

18、時(shí)當(dāng)當(dāng)CCPVU CCA23VU 保證保證T1飽和飽和2. 帶自舉電路的單電源功放帶自舉電路的單電源功放靜態(tài)時(shí)靜態(tài)時(shí)CCP21VU C1充電后，其兩端有充電后，其兩端有一固定電壓一固定電壓VCC/2動(dòng)態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)時(shí)+uuRCCTL1CRR2PR0R837CU2R1RTRiTW5V416TC1、R7為自舉電路為自舉電路Auo向正方向上升時(shí)，由于向正方向上升時(shí)，由于C1很大，很大，兩端電壓基本不變，兩端電壓基本不變，A點(diǎn)電位隨輸出電壓升高而升高。點(diǎn)電位隨輸出電壓升高而升高。使得使得R8上的交流電位也大幅上升，上的交流電位也大幅上升，這就是自舉效應(yīng)。保證輸出幅度達(dá)到這就是自舉效應(yīng)。保證輸出幅度達(dá)到VCC/2。OTL: Output TransformerLessOCL: Output CapacitorLess 總結(jié)：互補(bǔ)對(duì)稱功放的類型總結(jié)：互補(bǔ)對(duì)稱功放的類型互補(bǔ)對(duì)稱功放的類型互補(bǔ)對(duì)稱功放的類型 變壓器耦合式變壓器耦合式 功放功放