第八章功率放大電路

第八章功率放大電路第一頁，共四十三頁，2022年，8月28日基本要求1、熟練掌握功放的特點、互補(bǔ)對稱功放的工作原理、輸出功率及效率的計算。2、理解功放中有關(guān)概念： 功率、效率、交越失真3、了解集成功放應(yīng)用及散熱第二頁，共四十三頁，2022年，8月28日8.1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*8.4集成功率放大器

甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路

甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路8.2乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路

第八章功率放大電路第三頁，共四十三頁，2022年，8月28日8.1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8.1.2功放要解決的問題8.1.3功放三種工作狀態(tài)8.1.4甲類功率放大器分析8.1.5提高功放效率的途徑第四頁，共四十三頁，2022年，8月28日第五頁，共四十三頁，2022年，8月28日8.1功率放大電路的一般問題功率放大器的作用：例：擴(kuò)音系統(tǒng)功率放大電壓放大信號提取如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動作、儀表指針偏轉(zhuǎn)等。功率放大電路：向負(fù)載提供功率的放大電路。用作放大電路輸出級，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。第六頁，共四十三頁，2022年，8月28日8.1.1.功率放大電路的主要特點1）交直共存

和電壓放大電路相同2）直流能量被轉(zhuǎn)換為交流能量和電壓放大電路不同提供大輸出功率輸入大信號，信號動態(tài)范圍大，靜態(tài)電流接近于0圖解法3）任務(wù)4）工作特點5）分析方法6）動態(tài)指標(biāo)Po、PT、η等不失真放大電壓信號

輸入小信號，信號動態(tài)范圍小，有一定靜態(tài)電流圖解法、小信號法Av、Ri、Ro等電壓放大電路功率放大電路第七頁，共四十三頁，2022年，8月28日注意:無論功率放大電路還是電壓放大電路，在負(fù)載上都同時存在輸出電壓、電流和功率，稱呼上的區(qū)別只不過是強(qiáng)調(diào)輸出量不同而已。第八頁，共四十三頁，2022年，8月28日

功率放大器的主要任務(wù)是向負(fù)載提供較大的信號功率，故功率放大器應(yīng)具有以下幾個主要特點。1)輸出功率要足夠大

如輸入信號是某一頻率的正弦信號，則輸出功率的表達(dá)式為

Po=IoUo

改用振幅值表示為Po=

IomUom

功率放大電路的特點第九頁，共四十三頁，2022年，8月28日2)效率要高

功率放大器實質(zhì)上是一個能量轉(zhuǎn)換器，它是將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成交流信號的能量輸送給負(fù)載，因此，要求轉(zhuǎn)換效率高。

式中，Po為信號輸出功率，PV是直流電源向電路提供的功率。在直流電源提供相同直流功率的條件下，輸出信號功率愈大，電路的效率愈高。功率放大電路的特點第十頁，共四十三頁，2022年，8月28日3)非線性失真要小

功率放大器是在大信號狀態(tài)下工作，電壓、電流擺動幅度很大，而且由于三極管是非線性器件，在大信號工作狀態(tài)下，器件本身的非線性問題十分突出，因此，輸出信號不可避免地會產(chǎn)生一定的非線性失真。在實際應(yīng)用中，要采取措施減少失真，使之滿足負(fù)載要求。功率放大電路的特點第十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日4)圖解法進(jìn)行估算

由于功放工作在大信號狀態(tài)，實際上已不屬于線性電路的范圍，故不能用小信號微變電路的分析方法，通常采用圖解法對其輸出功率、效率等指標(biāo)作粗略估算。功率放大電路的特點第十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日8.1.2.功放要解決的問題

提高效率

減小失真

管子的保護(hù)

提高輸出功率第十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日8.1.3.功放三種工作狀態(tài)

三極管根據(jù)正弦信號整個一周期內(nèi)的導(dǎo)通情況，可分為幾個狀態(tài)：乙類：甲類：導(dǎo)通角大于180°#哪種狀態(tài)電路作功放最合適？一個周期內(nèi)均導(dǎo)通有直流基礎(chǔ)，BJT靜態(tài)導(dǎo)通半個周期內(nèi)均導(dǎo)通無直流基礎(chǔ)，BJT靜態(tài)截止#哪種狀態(tài)電路作壓放最合適？甲乙類：第十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日1）三極管的靜態(tài)功耗：若則IcuceQuceQIcQ8.1.4.甲類功率放大器分析電源提供的平均功耗：第十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日2）動態(tài)功耗（當(dāng)輸入信號vi時）放大電路向電阻性負(fù)載提供的輸出功率

在輸出特性曲線上，正好是三角形ABQ的面積，這一三角形稱為功率三角形。

要想PO大，就要使功率三角形的面積大，即必須使Vom

和Iom

都要大。最大輸出功率第十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日電源提供的功率此電路的最高效率第十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日甲類功率放大器存在的缺點：靜態(tài)功率大，輸出功率小，效率低1、無信號時，仍有電流流入，電能全部轉(zhuǎn)為高熱量。2、有信號時，部分功率可進(jìn)入負(fù)載，但許多仍轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃俊＜最惞β史糯笃鞯膬?yōu)點：具有最佳的線性，每個輸出晶體管均放大信號全波，不存在交越失真（SwitchingDistortion），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，高音透明開揚(yáng)，這些優(yōu)點足以補(bǔ)償它的缺點第十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日8.1.5.提高功放效率的途徑

降低靜態(tài)功耗，即減小靜態(tài)電流。甲類電路Q點較高，靜態(tài)電流較大，消耗了大量功率。第十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日uiT1+UCCRLiLNPN型uoui

0VT1截止ui>0VT1導(dǎo)通如何解決乙類電路失真問題？假設(shè)Vbe=0V5.提高功放效率的途徑：降低Q點第二十頁，共四十三頁，2022年，8月28日互補(bǔ)對稱：電路中采用兩個晶體管：NPN、PNP各一支；兩管特性一致。組成互補(bǔ)對稱式射極輸出器。解決乙類電路失真方案NPN型PNP型第二十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日解決乙類電路失真ui>0VT1導(dǎo)通，T2截止假設(shè)Vbe=0VNPN型PNP型第二十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日解決乙類電路失真ui

0VT1截止，T2導(dǎo)通NPN型PNP型假設(shè)Vbe=0V第二十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日8.2乙類雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路8.2.1電路組成（OCL）（OutputCapacitorLess）8.2.5乙類互補(bǔ)對稱電路存在的問題8.2.2工作原理8.2.3分析計算8.2.4功率BJT選擇原則第二十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日8.2.1.電路組成4、輸入輸出不加隔直電容，也稱為OCL互補(bǔ)功率放大電路。

1、采用正、負(fù)雙電源供電2、由一對NPN、PNP特性相同的互補(bǔ)三極管組成3、由三極管組成的射極輸出器工作在乙類狀態(tài)

特點：互補(bǔ)對稱：電路中采用兩個晶體管：NPN、PNP各一支；兩管特性一致。組成互補(bǔ)對稱式射極輸出器。第二十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日ic1ic2

靜態(tài)時：ui=0Vic1、ic2均=0（乙類工作狀態(tài)）

uo=0V動態(tài)時：ui

0VT1截止，T2導(dǎo)通ui>0VT1導(dǎo)通，T2截止iL=ic1

;ui-USCT1T2uo+USCRLiLiL=ic2注意：T1、T2兩個晶體管都只在半個周期內(nèi)工作。8.2.2.工作原理第二十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日8.2.3.分析計算（1）實際輸出功率Po最大不失真輸出功率Pomax最大不失真輸出電壓時的輸出功率忽略VCESui-VCCT1T2+VCCRLiLNPN型PNP型vo第二十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日單個管子在半個周期內(nèi)的管耗（2）管耗PT兩管管耗ui-VCCT1T2+VCCRLiLNPN型PNP型vo第二十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日（3）電源供給的功率PV當(dāng)（4）效率當(dāng)ui-VCCT1T2+VCCRLiLNPN型PNP型vo第二十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日問：Vom=？PT1最大,PT1max=？用PT1對Vom求導(dǎo)得出：PT1max發(fā)生在Vom=0.64VCC處。（5）最大管耗PTm與Pom關(guān)系PTPOPE將Vom=0.64VCC代入PT1表達(dá)式：第三十頁，共四十三頁，2022年，8月28日保證BJT工作在安全區(qū)：1)PCM

PT1max=

0.2POmax2)ICM

Ic1max=

VCC/RL3)V(BR)CEO

2VCC并注意保證足夠的余量8.2.4功率BJT選擇原則：ic1iO第三十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日8.2.5乙類互補(bǔ)對稱電路存在的問題實際測試波形仿真波形存在交越失真第三十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日uiuououo′死區(qū)電壓Vbe1Vbe2交越失真乙類電路存在交越失真原因是什么？第三十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日8.3甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路8.3.1甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路8.3.2甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路第三十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日靜態(tài)偏置增加R1、D1、D2、R2支路R1D1D2R2+USC-USCULuiiLRLT1T21.克服交越失真的措施：2.二極管偏置電路

克服交越失真的措施就是避開死區(qū)電壓區(qū)，使每一個晶體管處于微導(dǎo)通狀態(tài)。8.3.1甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路第三十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日

靜態(tài)時:R1D1D2R2+UCC-UCCULuiiLRLT1T2原理：T1、T2兩管均處于微弱導(dǎo)通狀態(tài)D1、D2的正向?qū)▌討B(tài)時：設(shè)ui加入正弦信號。正半周T2截止T1基極電位進(jìn)一步提高，進(jìn)入良好的導(dǎo)通狀態(tài)；負(fù)半周T1截止T2

基極電位進(jìn)一步降低，進(jìn)入良好的導(dǎo)通狀態(tài)。T1導(dǎo)通T2導(dǎo)通2.二極管偏置電路第三十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日波形特點：R1D1D2R2+UCC-UCCULuiiLRLT1T22.二極管偏置電路利用二極管進(jìn)行偏置電路克服交越失真，但是仍有缺點缺點：偏置電壓不易調(diào)整第三十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日VBE可認(rèn)為是定值3.VBE倍增偏置電路B1B2+-BER1R2UIBI

克服交越失真電路中的D1、D2兩二極管可以用UBE電壓倍增電路替代。

合理選擇R1、R2大小，B1、B2間便可得到UBE任意倍數(shù)的電壓。

圖中B1、B2分別接T1、T2的基極。假設(shè)I>>IB，則C第三十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日8.3.2甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路

（OTL）（OutputTransformerLess）靜態(tài)時，偏置電路使T1微導(dǎo)通，Vcc對電容C充電達(dá)到穩(wěn)態(tài)VK＝VC≈VCC/2。當(dāng)有信號ui時正半周T1導(dǎo)通，有電流通過負(fù)載RL，同時向C充電負(fù)半周T2導(dǎo)通，則已充電的電容C通過負(fù)載RL放電。只要滿足RLC>>T信，電容C就可充當(dāng)原來的－VCC。計算Po、PT、PV和PTm的公式必須加以修正，以VCC/2代替原來公式中的VCC。K第三十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日8.4集成功放特點：工作可靠、使用方便。只需在器件外部適當(dāng)連線，即可向負(fù)載提供一定的功率。集成功放LM384：生產(chǎn)廠家：美國半導(dǎo)體器件公司電路形式：OTL輸出功率：8負(fù)載上可得到5W功率電源電壓：最大為28V實用集成功放簡介第四十頁，共四十三頁，2022年，8月28日集成功放LM384管腳說明:14

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電源端（Vcc）3、4、5、7--