模電-sun2篇7章功率放大電路

2.7.1

功率放大電路的特點和基本類型一、主要特點輸出電壓或輸出電流的幅度較大，功率放大電路必須工作在大信號條件下，因而容易產(chǎn)生非線性失真。如何盡量減小輸出信號的失真是首先要考慮的問題。輸出信號功率的能量來源于直流電源，應(yīng)該考慮轉(zhuǎn)換的效率。半導(dǎo)體器件在大信號條件下運用時，電路中應(yīng)考慮器件的過熱、過流、過壓、散熱等一系列問題，因此要有適當(dāng)?shù)谋Ｗo措施。二、電路基本類型功率放大電路主要有甲類、乙類、甲乙類等功率放大器,由靜態(tài)時功耗大小決定。1、甲類單管功放甲類功率放大為了取得最大的動態(tài)范圍，必須使靜態(tài)工作點Q位于負(fù)載線的中點，靜態(tài)管壓降，靜態(tài)電流基礎(chǔ)上分別疊加交流成分：VCEQ

VCC

/

2ICQV

CC/(2RL

)。vCE

VCEQC

i

ICQcm

I

sin

t在正弦輸入信號vi的驅(qū)動下，晶體管的電壓和電流將在靜態(tài)值的

Vcem

sin

t電源輸出的平均電流為ICQ，因而電源提供的功率負(fù)載上得到的輸出信號功率為由此可得該功率輸出級的效率為PE

VCC

ICQ2O

cm

LP

1

I

2

Rcm

LVCC

ICQR1

I

2

2電源提供的功率PE輸出信號功率PO

當(dāng)晶體管處于最大不失真輸出時，如不考慮其飽和壓降VCES，則極限情況下225%LCC/(2R

)CC

LV

2V

/(8R

)

該類電路的理想效率為Vcem

VCC

/

2

ICQV

CC/(2RL

)IcmV

CC/(2RL

)可見這類放大器的功率轉(zhuǎn)換效率很低，原因是電源VCC所提供的總功率中，大部分消耗在晶體管的管耗和負(fù)載電阻的直流功耗上了。這類單管放大器由于不允許在一個周期內(nèi)出現(xiàn)截止失真，所以必須取

ICQ

Icm

，這顯然是造成較大管耗和負(fù)載直流功耗的根源。為了提高功率輸出級的效率，人們設(shè)想能否使晶體管的靜態(tài)電流

ICQ

0

？若這樣，波形中將出現(xiàn)半個周期的截止區(qū)。但如果再用另一個同樣的電路，使之與前一個電路交替工作(即前一電路中晶體管截止時，后一電路晶體管工作），則負(fù)載上仍可得到完整的正弦波。

把在一個周期內(nèi)，要求完整導(dǎo)通的放大器稱為甲類放大器，而對僅導(dǎo)通半個周期的放大器（

ICQ

0）稱為乙類放大器。根據(jù)靜態(tài)工作點的不同設(shè)置，功率放大器可以工作在乙類θ=180°，甲類θ=360°和甲乙類θ=180°～360°（θ為導(dǎo)通角）。1、甲類功放甲類功率放大在整個信號周期內(nèi)管子都導(dǎo)電。管子的靜態(tài)功耗大P

VCEQ

ICQ2、乙類功放乙類功率放大管子只導(dǎo)電半個周期。靜態(tài)時不消耗功率，因為ICQ

03、甲乙類功放甲乙類功率放大管子的導(dǎo)電時間大于半個周期。靜態(tài)時消耗較小功率，因為ICQ

很小梳理：甲類θ=360°乙類θ=180°甲乙類θ=180～360°乙類放大甲類放大甲乙類放大ICQ略大于0（1）變壓器耦合推挽式功放Tr1、Tr2為輸入和輸出變壓器；

T1、T2為同極型對稱推挽管；

Rb1、Rb2提供靜態(tài)偏置，克服

交越失真。變壓器耦合的突出優(yōu)點是，通過改變變壓器的變比，能找到一個最佳的等效負(fù)載(此時輸出功率最

大，且不失真)。并且，在不提高電源電壓的條件下，可以使輸出電壓的幅度Vom超過電源電

壓。三、乙類功率放大器工作原理乙類功率放大器有變壓器耦合推挽式和互補對稱式兩種類型。電流將從同名端流進(jìn)，形成負(fù)載上的負(fù)半周信

號。vot信號正半周時，T1導(dǎo)電，T2截止，T1集電極電流ic1從同名端流出，所以變壓器次級此時，T1集電極電壓信號和輸入信號反相，而變壓器付邊和T1集電極電壓信號同相（同名端原因）。工作過程：vot從而負(fù)載上得到一個完整的正弦波。信號負(fù)半周時，T1截止，T2導(dǎo)電，T2集電極電流ic2從同名端流進(jìn)，所以變壓器次級電流從同名端流出，形成負(fù)載上的正半周電壓信號。Transformerless)電路OTL雙電源供電電路，稱

OCL(OutputCapacitorless)功放電路OCL（2）互補對稱式變壓器笨重，頻率特性差，單電源供電，又稱OTL(OutputOTL

功率放大器要求輸入端(T1、T2基極)上的靜態(tài)電壓也為VCC/2，即

vI=(VCC/2)+vi。單電源互補對稱功率放大器增加了一只大容量(幾百～幾千微法)的電解電容器。而OCL電路的輸入端上不需要靜態(tài)電壓。單電源供電互補對稱功放電路(OTL)的工作原理靜態(tài)(vi＝0)時，T1、T2

截止，vo＝VCC/2

，所以電容C

上充有VCC/2的電壓，

vo=0。正半周(vi＞0)時，T1導(dǎo)通，T2截止，+VCC→T1

→C→RL→GND。電容充電。負(fù)半周(vi＜0)時，電容C上的電壓VCC/2作為電源，T1截止，T2導(dǎo)通，電容放電，RL→C

→T2→GND

。負(fù)載上流過負(fù)半周信號電流。ovt雙電源供電的互補對稱功放電路工作原理靜態(tài)(vi＝0)時，T1、T2截止，VOQ＝0正半周(vi＞0)時，T1管導(dǎo)通，T2管截止，+VCC→T1→RL→GND負(fù)半周(v

＜0)時，Ti

1管截止，T2管導(dǎo)通，GND→RL→T2→-VCCovt互補對稱功率放大器由于在靜態(tài)條件下T1和T2都處于截止?fàn)顟B(tài)，所以它的靜態(tài)功耗為零，但在動態(tài)時存在嚴(yán)重的交越失真。為了克服交越失真，必須給互補對稱功率放大電路設(shè)置一定的靜態(tài)工作點(使信號vi=0時，T1、T2管都處于微導(dǎo)電狀態(tài))。甲乙類功放克服交越失真的功率輸出電路T1T2處于微導(dǎo)通狀態(tài)，甲乙類放大狀態(tài)2.7.2功放電路的分析計算io

(Vom

/

RL

)

sin

t則輸出：o

omo

o

oV

I

Vom2RL2

2om

om2P

V

I

輸出功率：1、雙電源互補對稱式(OCL)功率放大電路1）、輸出功率Po和電源效率η設(shè)輸入：vi

Vim

sintv

V

sin

t電源提供平均功率：0ECC

o2V i

d

(t)

P

2

1

EOP轉(zhuǎn)換效率:

P

0RLomd

(t)V

sin

t

VCCRL

2VCCVomL

om

R2V

V

CC

om2

RLV2CC4

V

VomVom

VCCmax最大不失真輸出功率為：

POm

Vom

78.5%4互補對稱功放電路的工作波形當(dāng)輸入信號使輸出幅度達(dá)到理想的最大值時，當(dāng)考慮功放管的飽和壓降VCES時，Vom=VCC-VCES，實際效率將小于78.5%(一般為60～70%)。2）、管耗PTT1、T2兩管的總管耗為：TP

PE為求最大管耗PTM，對上式求導(dǎo)，并令dPT/dVom=0,即2

RL

POm2

2VCC

Vom

VomRLCComom

L

L2V

dP

2V

VV

CC

0.64VTCCom

0dV

R

RLPTM

2

R此時：o2RL

P

Vom

22om2RL

VPCComTM2T

2M每個功放管最大功耗為：T1MP

P

1

P

0.2P

2

2VCC2

4Pom

0.4Pom3）、功率管的選取在互補對稱功率放大電路中，功放管必須按以下幾點原則選?。汗茏拥墓腜CM＞0.2Pomax。功放管的耐壓V(BR)CEO＞2VCC。功放管允許的最大集電極電流ICM＞VCC/RL。2、單電源互補對稱式（OTL）功率放大電路2

Vom2RL

Vom

Iom2

2輸出功率：Po

Vo

I

o輸出功率Po設(shè)輸入：vi

Vim

sin

t則輸出：vo

Vom

sin

tio

(Vom

/

RL

)

sin

t00ECC

oomRL2V

sin

t2

V i

d

(t)P

1

d

(t)

VCC

VCCVom

RL電源提供平均功率（單個）：EP

2

VCC

Vom輸出效率η

:

PoV2om2RL

Iom2

2VomPo

Vo

I

o

LCCLom2R

8RV

2V

2Pom

，最大輸出功率及最大效率當(dāng)輸出幅度達(dá)到理想的最大值時輸出功率達(dá)到最大。Vom

VCC

/

2LLEV

V

R

2RV

2P

CC

om

CC

78.5%

42

VCC

Po

VomPEVCEQ=VCC/2功率管應(yīng)該嚴(yán)格配對，大小工作電流時的β一致。在大電流下飽和壓降小，且一致。管子的散熱問題。在大功率場合，必須給管子裝上一定尺寸的散熱板，或進(jìn)行風(fēng)冷和水冷。功放管因在大電流、高電壓下工作，應(yīng)對其采取過壓和過流保護措施。

消除低頻自激的有效方法是

置放大電路的供電回路中加去耦濾波電容。3、功放電路實際應(yīng)用時需考慮的問題2.7.3集成功率放大器一、集成運放的擴流集成運算放大器通常要加±15V電源供電，輸出最大電壓幅度大

電源電壓的80%至85%左右，即選用±15V電源電壓時，其輸出電壓幅度為±12V到±13V左右，而輸出電流僅為100mA以內(nèi),所以提供不出更大的功率。設(shè)想在集成運放的輸出端再加一級互補對稱功放電路。利用T1

、T2

互補管的電流放大作用，達(dá)到擴大輸出電流，最終達(dá)到擴大輸出功率的目的。R1T1D1D

2

VccT2R2

Vcc0

.50

.5v

,oRL

voR1R2LR2TD1D

2

Vcc

VccT10

.50

.5ov

,vo0v

0v0

00v

00v

0

T2管導(dǎo)通00v

vT1管導(dǎo)通00v

v運放輸出為T1T2管基極電流輸出電流為集電極電流二、擴大集成運放的輸出電壓范圍的壓差為+14.3-(-

14.3)=28.6V。靜態(tài)分析：輸入信號v

i為0時，輸出電壓vo

也為0。vB1=+15V,vB2=-15V，集成運放的正、負(fù)電源端電位分別為V⊕=+14.3V和V㈠=-14.3V，它們之間vovB1B

2v10k10k10k10kT1T2

VCC

(30V

)1T

'2T

'T1’和T2’是VCC

(30V

)管子加入信號vi后，T1

、T2管的基極電位分別為：動態(tài)分析：2B1

CCo

o

vo2

2v

1

(V

v

)

v

VCC2

2

21B

2

CC

o

oV

vv

(V

v

)

v

CC

o2

2

2

2V

v

V

v此時運放電源兩端的壓差為：V

V

(vB1

vBE1

)

(vB

2

vEB

2

)

(

CC

o

)

(

CC

o

)

1.4

VCC

1.4

28.6

VovvB1vB

210k10k10k10kT1T2

VCC

(30V

)VCC

(30V

)輸出級三極管1T

'2T

'說明在靜態(tài)和動態(tài)時，電源兩端壓差幾乎一樣，因此運放工作是安全的。vovB

210kvB110k10k10kT1T2

VCC

(30V

)VCC

(30V

)1T

'2T

'當(dāng)輸入信號正半周時：隨著信號增大，

T1’和T1管趨向飽和邊緣，輸出趨向+30V電壓；當(dāng)輸入信號負(fù)半周時：隨著信號的負(fù)向增大，T2’和T2管趨向飽和邊緣，輸出趨向－30V電壓；經(jīng)擴壓后的輸出電壓vO一般可達(dá)±24V以上。運放和OCL電路組成的功率放大電路實際的功率放大電路通常由電壓放大級和功率放大級組成，并引入負(fù)反饋以改善各方面的性能。電壓串聯(lián)型交、直流負(fù)反饋的引入既可穩(wěn)定靜態(tài)時的輸出零電位，又可穩(wěn)定動態(tài)時的閉環(huán)增益和改善非線性失真，并提高輸入電阻，減小輸出電阻。

0

R1

R2V1

R

Vi1RvfA

1

R2R

Avf

2R1A_+vi+15V-15VRLR1R3電壓并聯(lián)型R2T1T2voR1

R2 i

0V

VOCLOTLLV

I

V2R2

22om

omomPo

Vo

Io22

2V

I

V2RLPo

Vo

Io

om

omomEL2V

V

RP

CC

omLVCCVom

RPE

Vom

POPE

4

VCC

Po

VomPE

2

VCCVom

VCC

/

2Vom

VCComCCV

2VCC

0.64VomTMP2T

2MT1M

1

P

0.2P

P梳理：【例1】在圖所示電路中，已知輸入電壓vi為正弦波，兩只晶體管飽和管壓降|VCES|均為

2V。試問：負(fù)載電阻上可能獲得的最大輸出功率Pom＝？效率η=？為了得到最大輸出功率，最大輸入電壓的有效值應(yīng)為多少？解：1.輸出功率和效率計算20

mLP2R

VomVCC4

VCC

|

VCES

|

69.8%PE

4

VCC

PO

VomL2R

(V

|

V

|)2CCCES

162.輸入電壓有效值計算1R

1

R4

11.因為Av|.

1.03i2

|

Av

|VCC

|

VCESV

V【例2】電路

，T3的偏置電路末畫出，輸入電壓為正弦波；C為旁路電容，功放管飽和管壓降為3V。負(fù)載上可能獲得的最大輸出功率P0m?若R5=10k，輸入電壓的最大有效值為1V，則為使負(fù)載獲得最大輸出功率，R8應(yīng)取多大？R5R8解:1．負(fù)載上可能獲得的最大輸出功率P0m讀圖T3放大管6Lo

maxR

RRLV

(12

3)

8

V8

8

L

o

max

om2R

2

8V2P4

WR5R82．若R5=10k，輸入電壓的最大有效值為1V，則為使負(fù)載獲得最大輸出功率，R8應(yīng)取多大？82

1.|

Avf

|

5.66Vi

maxVo

max.|

Avf

|

5.66

R5R88R

56.6

kΩ屬于電壓并聯(lián)負(fù)反饋R5R86Lo

maxR

RRLV

(12

3)

8

V【例3】

電路

，已知集成運放的最大輸出電壓幅值為±13V，晶體管導(dǎo)通時的│VBE│＝0.7V，飽和管壓降│VCES│＝2V?；卮鹣铝袉栴}：為使輸出電壓穩(wěn)定，引入合適的負(fù)反饋，畫圖表示；若電壓放大倍數(shù)的數(shù)值為10，求出反饋電阻的數(shù)值。設(shè)輸入電壓為正弦波，電路的最大輸出功率為多少？解（1）：采用電壓并聯(lián)負(fù)反饋1fvRRA