第五章功率放大電路

第五章功率放大電路第1頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三學(xué)習(xí)指導(dǎo)前面已經(jīng)介紹了一些電子電路，經(jīng)過(guò)這些電路處理后的信號(hào)，往往要送到負(fù)載，去驅(qū)動(dòng)一定的裝置。例如，這些裝置有收音機(jī)中揚(yáng)聲器的音圈、電動(dòng)機(jī)控制繞組、計(jì)算機(jī)監(jiān)視器或電視機(jī)的掃描偏轉(zhuǎn)線圈等。這時(shí)我們要考慮的不僅僅是輸出電壓或電流的大小，而且要有一定的功率輸出。這類(lèi)主要用于向負(fù)載提供功率的放大電路常稱為功率放大電路。本章以分析功率放大電路的輸出功率、效率和非線性失真之間的矛盾為主線，逐步提出解決矛盾的措施。第2頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三主要內(nèi)容：1．功率放大電路的輸出功率、效率和非線性失真之間的關(guān)系。2．乙類(lèi)、甲乙類(lèi)功率放大電路的組成、工作原理、各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算及BJT的選擇。學(xué)習(xí)目標(biāo)：

1．熟練掌握如何解決輸出功率、效率和非線性失真三者之間的矛盾；2．要熟練掌握乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的組成、分析計(jì)算和功率BJT的選擇；3．正確理解甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱功放電路的工作原理及計(jì)算；4．了解各種功率器件及散熱問(wèn)題；5．了解集成功率放大器的使用。第3頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三學(xué)習(xí)方法：

本章是圍繞輸出功率、效率和非線性失真三者之間的矛盾展開(kāi)討論的，所以：1．必須先弄清為什么要把功率放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)下移，使放大器由甲類(lèi)變?yōu)橐翌?lèi)，又由乙類(lèi)變?yōu)榧滓翌?lèi)的原因。2．由于乙類(lèi)、甲乙類(lèi)放大器的輸出具有明顯的失真，學(xué)生要熟練掌握乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路是怎樣解決非線性失真的，即互補(bǔ)對(duì)稱電路組成原理。3．抓住輸出的最大幅值，以乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱功放為例，掌握功率放大器的分析計(jì)算和功率BJT的選擇。4．了解交越失真產(chǎn)生的原因，正確理解甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱功放電路的工作原理及計(jì)算。

第4頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

共射放大器共集放大器共基放大器有電壓放大無(wú)電壓放大有電壓放大有電流放大有電流放大無(wú)電流放大

無(wú)論是功率放大電路、電壓放大電路，還是電流放大電路，在負(fù)載上都同時(shí)存在輸出電壓、電流和功率，上述稱呼上的區(qū)別只不過(guò)是它們各自強(qiáng)調(diào)的輸出量不同而已。概述第5頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例1：擴(kuò)音系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)功率放大器的作用：用作放大電路的輸出級(jí)，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動(dòng)作、儀表指針偏轉(zhuǎn)等。功率放大電壓放大信號(hào)提取第6頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例2：溫度控制R1-R3:標(biāo)準(zhǔn)電阻Ua:基準(zhǔn)電壓Rt:熱敏電阻A：電壓放大器RtTUO室溫T

溫度調(diào)節(jié)過(guò)程UbUO1uoR1aR2VCC+R3Rt

功率放大b溫控室A+-uo1加熱元件第7頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例3：典型的收音機(jī)電路變頻低頻中放功放Ic=0.5mAIc=2mAIc=20mAEc=6VPo=30mW電源供給的功率：PDC=EcIc=120mW轉(zhuǎn)換效率：電源供給的能量大多數(shù)以管耗的形式消耗掉，通常功放電路中的工作管必須加散熱片。檢波第8頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三電壓放大器與功率放大器的區(qū)別：1.任務(wù)不同：

電壓放大—不失真地提高輸入信號(hào)的幅度，以驅(qū)動(dòng)后面的功率放大級(jí)，通常工作在小信號(hào)狀態(tài)。

功率放大—信號(hào)不失真或輕度失真的條件下提高輸出功率，通常工作在大信號(hào)狀態(tài)。2.分析方法：電壓放大—采用小信號(hào)模型分析法和圖解法功率放大—圖解法第9頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.1功率放大電路的一般問(wèn)題1.功率放大電路的主要特點(diǎn)

功率放大電路是以輸出較大功率為目的的放大電路。為了獲得盡可能大的輸出功率，必須使

輸出信號(hào)電壓大

輸出信號(hào)電流大

放大電路的輸出電阻與負(fù)載匹配

管子工作在接近極限狀態(tài)

一般直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，帶載能力要強(qiáng)。第10頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.功率放大電路中的一些特殊問(wèn)題(1)要求盡可能大的輸出功率。管子工作在極限工作狀態(tài)。(2)效率=負(fù)載得到的有用信號(hào)功率Po電源供給的直流功率PDC(3)非線性失真要小。在大信號(hào)狀態(tài)工作必然引起信號(hào)失真，這就存在增大輸出功率和信號(hào)失真之間的矛盾，這就要求在電路結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，盡可能地提高輸出功率并減小非線性失真。(4)半導(dǎo)體三極管散熱的問(wèn)題3.提高效率的途徑降低靜態(tài)功耗，即減小靜態(tài)電流。第11頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.三種工作狀態(tài)三極管根據(jù)正弦信號(hào)整個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通情況，可分為以下幾個(gè)工作狀態(tài)：乙類(lèi)：導(dǎo)通角等于180°甲類(lèi)：一個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通甲乙類(lèi)：導(dǎo)通角大于180°丙類(lèi)：導(dǎo)通角小于180°#

用哪種組態(tài)的電路作功率放大電路最合適？動(dòng)畫(huà)一第12頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三互補(bǔ)對(duì)稱功放的類(lèi)型無(wú)輸出變壓器形式（OTL電路）無(wú)輸出電容形式（OCL電路）OTL:OutputTransformerLessOCL:OutputCapacitorLess互補(bǔ)對(duì)稱：電路中采用兩支晶體管，NPN、PNP各一支；兩管特性一致。類(lèi)型：5.互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的分類(lèi)第13頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.2.1乙類(lèi)雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路1.電路組成由一對(duì)NPN、PNP特性相同的互補(bǔ)三極管組成，采用正、負(fù)雙電源供電。這種電路也稱為OCL互補(bǔ)功率放大電路。2.工作原理兩個(gè)三極管在信號(hào)的正、負(fù)半周輪流導(dǎo)通，使負(fù)載得到一個(gè)完整的波形。

無(wú)輸出電容的互補(bǔ)對(duì)稱功放電路（OCL電路）第14頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三ic1ic2動(dòng)態(tài)分析：(忽略導(dǎo)通壓降）vi

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

;vi-VCCT1T2vo+VCCRLiLiL=ic2T1、T2兩個(gè)晶體管都只在半個(gè)周期內(nèi)工作的方式，稱為乙類(lèi)放大。因此，不需要隔直電容。靜態(tài)分析：vi=0VT1、T2均不工作

vo=0V第15頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三ic1uBEIcm1Qic2uBEIcm2QQ動(dòng)畫(huà)二第16頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.分析計(jì)算（1）最大不失真輸出功率Pomax實(shí)際輸出功率Po第17頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.分析計(jì)算單個(gè)管子在半個(gè)周期內(nèi)的管耗（2）管耗PT兩管管耗最大管耗與最大輸出功率的關(guān)系選管依據(jù)之一第18頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.分析計(jì)算（3）電源供給的功率PV當(dāng)（4）效率當(dāng)?shù)?9頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4、功率管極限參數(shù)限制VcmiL-VCCRLviT1T2Vo+VCC由得第20頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

無(wú)輸出變壓器的互補(bǔ)對(duì)稱功放電路（OTL電路）一、特點(diǎn)1.單電源供電；2.輸出端有大電容。二、靜態(tài)分析則T1、T2特性對(duì)稱，令：0.5VCCRLviT1T2+VCCCAvL+-VC5.2.2乙類(lèi)單電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路第21頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、動(dòng)態(tài)分析(忽略導(dǎo)通壓降）設(shè)輸入端在0.5VCC直流電平基礎(chǔ)上加入正弦信號(hào)。若輸出電容足夠大，VC基本保持在0.5VCC，負(fù)載上得到的交流信號(hào)正負(fù)半周對(duì)稱，但存在交越失真。ic1ic2交越失真RLviT1T2+VCCCAUL+-時(shí)，T1導(dǎo)通、T2截止；時(shí)，T1截止、T2導(dǎo)通。0.5VCCvit第22頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四、輸出功率及效率若忽略交越失真的影響，且vi幅度足夠大。則：VOVOmaxvitt第23頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.3甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱電路存在的問(wèn)題

當(dāng)輸入信號(hào)在0~Vbe之間變化時(shí)，不足以克服死區(qū)電壓，三極管不導(dǎo)通。因此在正、負(fù)半周交替過(guò)零處會(huì)出現(xiàn)一些非線性失真，稱之為交越失真。動(dòng)畫(huà)三第24頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三乙類(lèi)放大的輸入輸出波形關(guān)系:vi-VCCT1T2vo+VCCRLiL死區(qū)電壓ViVoV"oV′o

tttt交越失真iBiBuBEtuitUT第25頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.3.1甲乙類(lèi)雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路1.靜態(tài)偏置可克服交越失真2.動(dòng)態(tài)工作情況二極管等效為恒壓模型#

在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)，兩二極管是否會(huì)出現(xiàn)反向偏置狀態(tài)？理想二極管設(shè)T3已有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)第26頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.3.1甲乙類(lèi)雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路VBE可認(rèn)為是定值R1、R2不變時(shí)，VCE也是定值，可看作是一個(gè)直流電源

功放指標(biāo)的分析計(jì)算利用乙類(lèi)雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功放的有關(guān)公式近似。第27頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.3.2甲乙類(lèi)單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路1.靜態(tài)偏置2.動(dòng)態(tài)工作情況

調(diào)整R1、R2阻值的大小，可使此時(shí)電容上電壓#

在怎樣的條件下，電容C才可充當(dāng)負(fù)電源的角色？此電路存在的問(wèn)題：K點(diǎn)電位受到限制動(dòng)畫(huà)四RLC足夠大第28頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.帶自舉電路的單電源功放自舉電路自舉電路靜態(tài)時(shí)C3充電后，其兩端有一固定電壓動(dòng)態(tài)時(shí)C3充當(dāng)一個(gè)電源#

在怎樣的條件下，電容C3才能起到電源的作用？R3C3足夠大第29頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三調(diào)節(jié)R,使靜態(tài)VAQ=0.5VCCD1、D2使b1和b2之間的電位差等于2個(gè)二極管正向壓降，克服交越失真。Re1、Re2：電阻值1~2，射極負(fù)反饋電阻，也起限流保護(hù)作用。D1D2vi+VCCRLT1T2T3CRBRe1Re2b1b2A4.實(shí)用OTL互補(bǔ)輸出功放電路第30頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三小結(jié)1、功率放大電路是在大信號(hào)下工作，通常采用圖解法進(jìn)行分析。研究的重點(diǎn)是如何在允許的失真情況下，盡可能提高輸出功率和效率。2、與甲類(lèi)功率放大電路相比，乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱功放的主要優(yōu)點(diǎn)是效率高，在理想情況下，其最大效率約為78.5%。為保證BJT安全工作，雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路工作在乙類(lèi)時(shí)，器件的極限參數(shù)必須滿足：PCM＞PT1≈0.2Pom，|V(BR)CEO|＞2VCC，ICM＞VCC/RL。第31頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3、由于BJT輸入特性存在死區(qū)，工作在乙類(lèi)的互補(bǔ)對(duì)稱電路將出現(xiàn)交越失真。常利用二極管或VBE擴(kuò)大電路進(jìn)行偏置的甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱電路克服失真。4、在單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路中，計(jì)算輸出功率、效率、管耗和電源供給的功率，可借用雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路的計(jì)算公式，但要用VCC/2代替原公式中的VCC。5、在集成功放獲得廣泛應(yīng)用的同時(shí)，大功率器件也發(fā)展迅速，主要有達(dá)林頓管、功率VMOSFET和功率模塊。為了保證器件的安全運(yùn)行，可從功率管的散熱、防止二次擊穿、降低使用定額和保護(hù)措施等方面來(lái)考慮。

小結(jié)第32頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：(1)功率放大電路的特殊問(wèn)題。(2)乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的組成、計(jì)算及功放BJT的選擇。第33頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期三功率放大電路自學(xué)提綱