功率放大電路的分類及特點(diǎn)分析

［教學(xué)目的］1、掌握互補(bǔ)功率放大電路的工作原理，熟悉實(shí)際功放OCL電路2、掌握LM386集成功放的工作原理、引腳圖及其使用［教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)］1、互補(bǔ)功率放大電路的最大輸出功率、轉(zhuǎn)換效率和最大輸出電壓的計(jì)算2、LM386集成功放的應(yīng)用［教學(xué)時(shí)數(shù)］4學(xué)時(shí)［教學(xué)內(nèi)容］第一節(jié)功率放大電路概述一、功率放大電路的特點(diǎn)二、放大電路的組成第二節(jié)互補(bǔ)功率放大電路一、OCL電路的組成及工作原理二、OCL電路的輸出功率及效率第三節(jié)集成功率放大電路一、集成功率放大電路的分析二、集成功率放大電路的主要性能指標(biāo)三、集成功率放大電路的應(yīng)用［電子教案］4學(xué)時(shí)本章討論的問(wèn)題：功率放大是放大功率嗎？電壓放大電路和功率放大電路有什么區(qū)別？2.什么是晶體管的甲類、乙類和甲乙類工作狀態(tài)？3.晶體管的最大耗散功率是否是電路的最大輸出功率？晶體管的耗散功率最大時(shí)，電路的輸出功率是最大嗎？4.互補(bǔ)式功放電路的輸出功率是否為單管功放電路的二倍？5.在已知電源電壓相同且負(fù)載電阻也相同的情況下，如何估算出最大輸出功率？6.在已知電源電壓相同且負(fù)載電阻也相同的情況下，對(duì)于不同電路形式的功放，最大輸出功率都相同嗎？它們與電路中晶體管的工作狀態(tài)有關(guān)嗎？7.功放管和小功率放大電路中晶體管的選擇有何不同？如何選擇？9.1功率放大電路概述（45分鐘）功放既不是單純追求輸出高電壓，也不是單純追求輸出大電流，而是追求在電源（直流）電壓確定的情況下，輸出盡可能大的功率。功放電路的要求：1.Pomax大，三極管極限工作；2.h=Pomax/PV要高；3.失真要小9.1.1功率放大電路的特點(diǎn)一、主要技術(shù)指標(biāo)1.最大輸出功率Pom功率放大電路提供給負(fù)載的信號(hào)功率稱為輸出功率。是交流功率，表達(dá)式為Po＝IoUo。最大輸出功率是在電路參數(shù)確定的情況下，負(fù)載上可能獲得的最大交流功率2.轉(zhuǎn)換效率η功率放大電路的最大輸出功率與電源提供的直流功率之比。直流功率等于電源輸出電流平均值及電壓之積。3.最大輸出電壓Uom二、功率放大電路中的晶體管在功率放大電路中，為使輸出功率盡可能大，要求晶體管工作在極限應(yīng)用狀態(tài)。晶體管集電極電流最大時(shí)接近ICM晶體管管壓降最大時(shí)接近U（BR）CEO晶體管耗散功率最大時(shí)接近PCM如何選擇功放管？要注意極限參數(shù)的選擇，還要注意其散熱條件，使用時(shí)必須安裝合適的散熱片和各種保護(hù)措施三、功率放大電路的分析方法采用圖解法9.1.2功率放大電路的組成一、為什么共射放大電路不宜用作功率放大電路圖9.1.1小功率共射放大電路的輸出功率和效率分析圖9.1.1小功率共射放大電路的輸出功率和效率分析1.無(wú)輸入信號(hào)作用時(shí)：直流電源提供的直流功率為ICQVCC，即圖中矩形ABCO的面積。集電極電阻RC的功率損耗為I2CQRC即圖中矩形QBCD的面積。晶體管集電極耗散功率為ICQUCEQ即圖中矩形AQDO的面積。2.在輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，若集電極電流也為正弦波：直流電源提供的直流功率不變R/L(=RC//RL)上獲得的最大交流功率P/Om為圖9.1.5OCL電路2.電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：雙電源供電,T1和T2特性對(duì)稱3.工作原理分析：靜態(tài)時(shí):T1和T2均截止，輸出電壓為零。工作時(shí):T1和T2交替工作，正、負(fù)電源交替供電，輸出與輸入之間雙向跟隨。重要概念：互補(bǔ)不同類型的二只晶體管交替工作，且均組成射極輸出形式的電路稱為“互補(bǔ)”電路；二只管子的這種交替工作方式稱為“互補(bǔ)”工作方式。五、橋式推挽功率放大電路BalancedTransformerless（BTL電路）圖9.1.6BTL電路1.電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：圖9.1.6BTL電路單電源供電，四只管子特性對(duì)稱2.工作原理分析：靜態(tài)時(shí)，四只晶體管均截止，輸出電壓為零。工作時(shí)，當(dāng)ui>0時(shí)，T1和T4導(dǎo)通，T2和T3截止，負(fù)載上獲得正半周電壓；當(dāng)ui<0時(shí)，T2和T3導(dǎo)通，T1和T4截止，負(fù)載上獲得負(fù)半周電壓。因而負(fù)載上獲得交流功率小結(jié)：1.功率放大電路是在電源電壓確定的情況下，以輸出最大不失真的信號(hào)功率各具有盡可能高的轉(zhuǎn)換效率為組成原則，功放管常常工作在盡限應(yīng)用狀態(tài)。2.低頻功放電路有變壓器耦合乙類推換電路、OTL電路、OCL電路和BTL電路。復(fù)習(xí)：1.功放電路的性能指標(biāo)：最大輸出電壓、最大輸出功率和效率2.功放電路的分類：甲類、乙類、甲乙類、丙類和丁類變壓器耦合、OTL、OCL和BTL9.2互補(bǔ)功率放大電路（90分鐘）目前使用最廣泛的功放是OTL電路和OCL電路本節(jié)主要掌握：功放電路的組成原則掌握OCL的工作原理、特點(diǎn)。9.2.1OCL電路的組成及工作原理一、電路組成1.電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：乙類互補(bǔ)功率放大電路如圖9.2.1所示。它由一對(duì)NPN、PNP特性相同的互補(bǔ)三極管組成。這種電路也稱為OCL互補(bǔ)功率放大電路。圖9.2.1乙類互補(bǔ)功率放大電路2.工作原理分析：當(dāng)輸入信號(hào)處于正半周時(shí)，且幅度遠(yuǎn)大于三極管的開(kāi)啟電壓，此時(shí)NPN型三極管導(dǎo)電，有電流通過(guò)負(fù)載RL，按圖中方向由上到下，與假設(shè)正方向相同。當(dāng)輸入信號(hào)處于負(fù)半周時(shí)，且幅度遠(yuǎn)大于三極管的開(kāi)啟電壓，此時(shí)PNP型三極管導(dǎo)電，有電流通過(guò)負(fù)載RL，按圖中方向由下到上，與假設(shè)正方向相反。于是兩個(gè)三極管一個(gè)正半周、一個(gè)負(fù)半周輪流導(dǎo)電，在負(fù)載上將正半周和負(fù)半周合成在一起，得到一個(gè)完整的不失真波形。如圖9.2.2所示。(a)波形圖(動(dòng)畫(huà)17-1)(b)交越失真(動(dòng)畫(huà)17-2)圖9.2.2乙類互補(bǔ)功率放大電路波形的合成嚴(yán)格說(shuō)，輸入信號(hào)很小時(shí)，達(dá)不到三極管的開(kāi)啟電壓，三極管不導(dǎo)電。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，這個(gè)失真稱為交越失真。3.如何消除交越失真可給三極管稍稍加一點(diǎn)偏置，使之工作在甲乙類。此時(shí)的互補(bǔ)功率放大電路如圖9.2.3所示。(a)利用二極管提供偏置電壓(b)利用三極管恒壓源提供偏置圖9.2.3甲乙類互補(bǔ)功率放大電路9.2.2OCL電路的輸出功率及效率1．最大不失真輸出功率Pomax設(shè)互補(bǔ)功率放大電路為乙類工作狀態(tài)，輸入為正弦波。忽略三極管的飽和壓降，負(fù)載上的最大不失真功率為2．電源功率PV直流電源提供的功率為半個(gè)正弦波的平均功率，信號(hào)越大，電流越大，電源功率也越大。顯然PV近似與電源電壓的平方成比例。3．三極管的管耗PT電源輸入的直流功率，有一部分通過(guò)三極管轉(zhuǎn)換為輸出功率，剩余的部分則消耗在三極管上，形成三極管的管耗。顯然將PT畫(huà)成曲線，如圖9.2.4所示。顯然，管耗與輸出幅度有關(guān)，顯然管耗與輸出幅度有關(guān)，圖17.05中畫(huà)陰影線的部分即代表管耗，PT與Vom成非線性關(guān)系，有一個(gè)最大值?？捎肞T對(duì)Vom求導(dǎo)的辦法找出這個(gè)最大值。PTmax發(fā)生在Vom=0.64VCC處，將Vom=0.64VCC代入PT表達(dá)式，可得PTmax為對(duì)一只三極管圖9.2.4乙類互補(bǔ)功率放大電路的管耗4．效率η當(dāng)Vom=VCC時(shí)效率最大，η=π/4=78.5％。9.2.3OCL電路中晶體管的選擇一、最大管壓降UCEmax=2VCC二、集電極最大電流三、集電極最大功耗在查閱手冊(cè)選擇晶體管時(shí)，應(yīng)使極限參數(shù)BUCEO＞2VCCICM＞VCC/RLPCM＞0.2Pom[例9.2.1]在圖9.2.2所示電路中已知VCC＝15V，輸入電壓為正弦波，晶體管的飽和管壓降UCES＝3V，電壓放大倍數(shù)約為1，負(fù)載電阻RL＝4歐，（1）求解負(fù)載上可能獲得的最大功率和效率（2）若輸入電壓最大有效值為8V，則負(fù)載上能夠獲得的最大功率為多少解（1）（2）因?yàn)閁O≈Ui，所以UOm≈8V。最大輸出功率小結(jié)：1.功放的輸入信號(hào)幅值較大。分析時(shí)應(yīng)采用圖解法。（1）求出功放電路負(fù)載上可能獲得的交流電壓的幅值，（2）求出功放電路負(fù)載上可能獲得的最大交流功率（3）求出電源提供的直流平均功率（4）求出轉(zhuǎn)換效率2.OCL電路為直接耦合功率電路，為了消除交越失真，應(yīng)工作在甲乙類狀態(tài)。9.4集成功率放大電路（45分鐘）OTL、OCL和BTL電路均有各種不同電壓增益多種型號(hào)的集成電路。只需外接少量元件，就可成為實(shí)用電路。本節(jié)主要掌握集成功放的電路組成，工作原理、主要性能指標(biāo)和典型運(yùn)用。9.4.1集成功率放大電路分析LM386是一種音頻集成功放，具有功耗小，電壓增益可調(diào)節(jié)，電源電壓范圍大，外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)之中。圖9.4.1LM386內(nèi)部電路原理圖一、LM386內(nèi)部電路圖9.4.1LM386內(nèi)部電路原理圖2.電路分析第一級(jí)差分放大電路（雙入單出）第二級(jí)共射放大電路（恒流源作有源負(fù)載）第三級(jí)OTL功放電路輸出端應(yīng)外接輸出電容后再接負(fù)載。電阻R7從輸出端連接到T2的發(fā)射極形成反饋通道，并與R5和R6構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，引入深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋。二、LM386的電壓放大倍數(shù)1.當(dāng)引腳1和8之間開(kāi)路時(shí)Uf=UR5+UR6≈Ui/22.當(dāng)引腳1和8之間外接電阻R時(shí)3.當(dāng)引腳1和8之間對(duì)交流信號(hào)相當(dāng)于短路時(shí)4.在引腳1和5之間外接電阻，也可改變電路的電壓放大倍數(shù)結(jié)論：電壓放大倍數(shù)可以調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為20~200。圖9.4.2LM386的外形和引腳的排列三、LM386引腳圖圖9.4.2LM386的外形和引腳的排列9.4.2集成功率放大電路的主要性能指標(biāo)（略）9.4.3集成功率放大電路的應(yīng)用一、集成OTL電路的應(yīng)用1.LM386外接元件最少的用法電路如圖9.4.3靜態(tài)時(shí)輸出電容上電壓為VCC/2最大不失真輸出電壓的峰－峰值為電源電壓VCC最大輸出功率為輸入電壓有效值圖9.4.4圖9.4.4LM386電壓增益最大的用法2.LM386電壓增益最大的用法引腳1和引腳8接10uF電解電容器，1和8之間交流短路。3.LM386的一般用法引腳1和引腳5接電阻，也可改變電壓放大倍數(shù)。結(jié)論：學(xué)完本節(jié)，能根據(jù)給定的電壓放大倍數(shù)、最大輸出電壓設(shè)計(jì)功放電路。二、集成OCL電路的應(yīng)用TDA1521的基本接法電路圖如圖9.4