功率放大電路課件

第8章功率放大電路

在多級放大電路中，輸出的信號往往是送去驅(qū)動一定的裝置。如，收音機的揚聲器線圈、電動機的控制線圈等。多級放大電路除了應有電壓放大外，還要求有一個能輸出一定信號功率的輸出級。

主要向負載提供一定大小的功率為目的的放大電路稱為功率放大電路。例：擴音系統(tǒng)實際負載功率放大電壓放大信號提取§8.1功率放大電路的一般問題§8.2射極輸出器－甲類放大的實例§8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路§8.4甲乙類互補對稱功率放大電路§8.5集成功率放大電路1第8章功率放大電路在多級放大電路中，輸出的8.1功率放大電路的一般問題1.功放電路與普通放大電路的比較都是能量轉(zhuǎn)換電路，把直流能量轉(zhuǎn)換為信號能量。(1)共同點：(2)不同點：

普通放大電路：要求負載得到不失真電壓信號，不要求輸出功率；電路工作在小信號狀態(tài)，研究的問題是電壓放大倍數(shù)、輸入和輸出電阻、帶寬等。功率放大電路：要求負載得到一定的不失真或失真較小的輸出功率；電路工作在大信號狀態(tài)，研究的問題是提高輸出功率和效率。分析方法不同：

電壓放大電路可用微變等效電路法和圖解法分析而功率放大電路只能用圖解法。28.1功率放大電路的一般問題1.功放電路與普通放大電路2.功放電路研究的主要問題要求輸出功率盡可能大;即要求輸出電流和電壓都大，管子運行在極限狀態(tài)。8.1功率放大電路的一般問題

效率是指負載得到的有用信號功率與電源供給的直流功率之比，比值越大效率越高。電路效率要高：■非線性失真盡可能小：

功率與失真是一對矛盾，一般輸出功率越大失真越嚴重。半導體的散熱問題：

功放電路中很大一部分功率被集電結(jié)消耗掉，使結(jié)溫上升，為充分利用允許的管耗輸出足夠大的功率，散熱非常重要。功放管的保護問題：

為輸出足夠大的功率，管子承受的電壓很高，通過的電流很大，管子較容易損壞。32.功放電路研究的主要問題要求輸出功率盡可能大;即要求輸出電8.1功率放大電路的一般問題３.功率放大電路的類型

功率放大電路按其靜態(tài)工作點在負載線上所處位置不同，或按輸入正弦信號在一個周期內(nèi)功放管的導通角來分，可分為甲類、乙類和甲乙類等類型.(1)甲類：

輸入正弦信號在一個周期內(nèi)功放管均導通，或靜態(tài)工作點設置在直流負載線的中間部分，功放管的導通角為２π;失真小，但效率低。uotuoibuceQIcUSC/REUSC48.1功率放大電路的一般問題３.功率放大電路的類型8.1功率放大電路的一般問題３.功率放大電路的類型(2)乙類：

輸入正弦信號在一個周期內(nèi)功放管僅導通半個周期，或靜態(tài)工作點設置在截止區(qū)的邊緣，功放管導通角為π;效率高，但嚴重失真。iCQvCEωtib58.1功率放大電路的一般問題３.功率放大電路的類型(2)8.1功率放大電路的一般問題３.功率放大電路的類型(3)甲乙類：

輸入正弦信號在一個周期內(nèi)功放管導通半個多周期，靜態(tài)工作點設置在放大區(qū)但靠近截止區(qū)，導通角為π～２π

。效率高，可以消除交越失真。iCib

動畫68.1功率放大電路的一般問題３.功率放大電路的類型(3)射極輸出器的特點：1.電壓放大倍數(shù)接近1但永遠小于1;2.輸入電阻高，適合做多級放大電路的輸入級;3.輸出電阻低，帶負載能力強，適合做多級放大電路的輸出級;8.2射極輸出器—甲類功率放大電路實例7射極輸出器的特點：1.電壓放大倍數(shù)接近1但永遠小于1;2.vCEiBiCiEVCC+_viRLReC2vsRbv0+_2.射極輸出器作功放電路的原理圖1.射極輸出器的結(jié)構(gòu)8.2射極輸出器—甲類功率放大電路實例T：工作在放大狀態(tài)VBE=0.6Vvi：為正弦信號，幅度比較大v0：為輸出信號，v0=vi-0.6i0iBIASviRL+VCC-VEETRB＋-voVOm+=VCC-0.28vCEiBiCiEVCC+_viRLReC2vsRbv0+_8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路8.3.1.電路組成T1和T2分別為NPN管和PNP管構(gòu)成互補對稱電路。靜態(tài)時兩個管子均不取電流,有信號時兩個管子輪流導電,各向負載提供半個周期的輸出波形，從而形成一種推拉式輸出結(jié)構(gòu)。+UCC和-UCC為兩個電源T1和T2兩個射極輸出器組成的基本互補對稱電路T2vi的正半周vi的負半周98.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路8.3.1.電路組成8.3.2

工作原理(設ui為正弦波)1.靜態(tài)分析ui=0v→ic1、ic2均為0（乙類工作狀態(tài)）→uo=0v

ic1ic2ui-USCT1T2uo+USCRLiL+

－

2.動態(tài)分析ic1ic2當ui

0V時T1截止，T2導通當ui>0V時T1導通，T2截止iL=ic1

;iL=ic2兩管交替工作得到完整的正弦波

動畫8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路108.3.2工作原理(設ui為正弦波)1.靜態(tài)分析ui=0(1)靜態(tài)電流

ICQ、IBQ等于零；(2)每管導通時間為半個周期；(3)存在交越失真。特點：交越失真：在乙類互補對稱功放電路中，在兩功放管輪流導通的交接班期間出現(xiàn)的非線性失真。ic1ic2ui-USCT1T2uo+USCRLiL+

－

交越失真

動畫8.3.2

工作原理(設ui為正弦波)8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路產(chǎn)生交越失真的原因：三極管存在著死區(qū)電壓。11(1)靜態(tài)電流ICQ、IBQ等于零；特點：交越失真：在乙8.3.2分析計算ic的變化范圍：±Icm，vCE的變化范圍：±(VCC-VCES)若忽略管子的飽和壓降VCES，則Vcem=IcmRL≈VCC8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路128.3.2分析計算ic的變化范圍：±Icm，vCE的8.3.2分析計算8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路1.輸出功率當輸入信號足夠大時:獲得最大輸出功率：功率三角形：138.3.2分析計算8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路1若圖T9.1所示電路中晶體管飽和管壓降的數(shù)值為│UCES│，則最大輸出功率POM＝

。8.3.2分析計算8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路1.輸出功率14若圖T9.1所示電路中晶體管飽和管壓降的數(shù)值為│UCES│，設輸出電壓為：v0=Vomsinωt兩只管子平均管耗：P=2PT1=2PT2VVviv02.每只管子平均管耗8.3.2分析計算8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路15設輸出電壓為：v0=Vomsinωt兩只管子平均管耗：P=23.每只管子的最大管耗8.3.2分析計算8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路163.每只管子的最大管耗8.3.2分析計算8.3乙類雙電源4.直流電源供給的功率8.3.2分析計算8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路當輸出電壓幅度達到最大，即Vom≈VCC

時，則得電源供給的最大功率為：174.直流電源供給的功率8.3.2分析計算8.3乙類雙電源5.效率8.3.2分析計算8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路當Vom≈VCC

時，則效率最高：185.效率8.3.2分析計算8.3乙類雙電源互補對稱功率放8.3.2分析計算8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路例:(北方交通大學2000年研究生入學試題)若要設計一個輸出功率為10W的乙類功率放大器，則應選擇PCM至少為___W的功率管兩只管子。解：乙類功率放大器最大管耗與電路的最大輸出功率的關(guān)系是PT1m=0.2Po,要求輸出功率為10W,要用兩個額定管耗大于2W的管子。198.3.2分析計算8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路例8.3.2分析計算8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路例.如圖，設BJT的β＝100，VBE=0.7V，VCES=0.5V，ICEO=0，電容C對交流視為短路。輸入信號vi為正弦波。(1)計算電路可能達到的最大不失真輸出功率Pom；(2)此時Rb應調(diào)節(jié)到什么數(shù)值？(3)此時電路的效率η＝？試與工作在乙類的互補對稱電路比較。解.(1)TRbRL12Vvi8ΩCv0v0(t)=V0+Vmsinωt，V0為直流分量，Vm為交流振幅故.V0+Vm<VCC，V0-Vm>VCES故.2Vm<VCC-VCES于是Vm的最大值：Vm＝VCC-VCES2于是Vm的有效值：最大不失真功率：208.3.2分析計算8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路例8.3.2分析計算8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路例.如圖，設BJT的β＝100，VBE=0.7V，VCES=0.5V，ICEO=0，電容C對交流視為短路。輸入信號vi為正弦波。(1)計算電路可能達到的最大不失真輸出功率Pom；(2)此時Rb應調(diào)節(jié)到什么數(shù)值？(3)此時電路的效率η＝？試與工作在乙類的互補對稱電路比較。解.(2)TRbRL12Vvi8ΩCv0此時臨近T飽和218.3.2分析計算8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路例8.3.2分析計算8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路例.如圖，設BJT的β＝100，VBE=0.7V，VCES=0.5V，ICEO=0，電容C對交流視為短路。輸入信號vi為正弦波。(1)計算電路可能達到的最大不失真輸出功率Pom；(2)此時Rb應調(diào)節(jié)到什么數(shù)值？(3)此時電路的效率η＝？試與工作在乙類的互補對稱電路比較。解.(3)TRbRL12Vvi8ΩCv0遠遠小于乙類功率放大的78.5％228.3.2分析計算8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路例8.3.2分析計算8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路例.如圖，已知VCC=12V，RL=16Ω，vi為正弦波，(1)在BJT的飽和壓降可以忽略不計的情況下，負載上可能得到的最大輸出功率Pom，(2)每只管子允許的管耗PCM至少應為多少？(3)每個管子的耐壓應為多大？T1RL+VCCvi+v0-VCCT2解.(1)因.Vom=VCC.(2)每只管子允許的管耗PCM至少應為多少(3)每個管子的耐壓應為多大？238.3.2分析計算8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路例1.功率管集電極的最大允許功耗8.3.3

功率BJT的選擇

如果要求輸出功率為10W，則只要用兩個額定管耗大于2W的管子就可以了。8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路2.功率管的最大耐壓3.功率管的最大集電極電流241.功率管集電極的最大允許功耗8.3.3功率BJT的選擇ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL8.3.3

功率BJT的選擇8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路例.如圖,設VCC=12V,RL=8Ω，BJT的極限ICM=2A，V(BR)CEO=30VPCM=5W，(1)求POm指出BJT是否安全。(2)η=0.6時的PO。解.1）POmBJT是否安全要看實際iCM和vCEM是否超過極限參數(shù)BJT是安全的25ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL8.3.3功率BJui-VCCT1T2uo+VCCRLiL8.3.3

功率BJT的選擇8.3乙類雙電源互補對稱功率放大電路例.如圖,設VCC=12V,RL=8Ω，BJT的極限ICM=2A，V(BR)CEO=30VPCM=5W，(1)求POm指出BJT是否安全。(2)η=0.6時的PO。解.2）根據(jù)26ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL8.3.3功率BJ8.4甲乙類互補對稱功率放大電路

為了克服乙類互補對稱功放電路中出現(xiàn)的交越失真，需要給兩只功放管一個靜態(tài)偏置小電流，使兩只功放管靜態(tài)時處于微導通狀態(tài)，其靜態(tài)工作點設置在放大區(qū)但靠近截止區(qū)。8.4.1甲乙類雙電源互補對稱電路電路一利用二極管提供偏置電壓T3：前置電壓放大級,預功放級靜態(tài)時，在D1、D2上產(chǎn)生的壓降為T1、T2提供一個合適的偏壓，使之處于微導通狀態(tài)。但因電路對稱使ic1=ic2，iL=0，v0=0278.4甲乙類互補對稱功率放大電路為了克服乙類利用三極管恒壓源提供偏置T1：前置電壓放大級,預功放級Rc1、R1

、R2、T4組成偏置電路，給T2、T3提供適當偏壓，使之靜態(tài)時工作在微導通狀態(tài)8.4甲乙類互補對稱功率放大電路8.4.1甲乙類雙電源互補對稱電路電路二28利用三極管恒壓源提供偏置T1：前置電壓放大級,預功放級Rc18.4甲乙類互補對稱功率放大電路8.4.1甲乙類雙電源互補對稱電路

例:某互補對稱電路如圖所示，已知三極管T1、T2的飽和壓降為VCES=1V,VCC=18V,RL=8.

(1)計算電路的最大不失真輸出功率Pomax；

(2)計算電路的效率；

(3)求每個三極管的最大管耗PT；

(4)為保證電路正常工作，所選三極管U(BR)CEO和

CM應為多大；iU2RT2DD21R1WRT1RLUoVccAVcc298.4甲乙類互補對稱功率放大電路8.4.1甲乙類雙電源互補對8.4甲乙類互補對稱功率放大電路8.4.1甲乙類雙電源互補對稱電路

例:某互補對稱電路如圖所示，已知三極管T1、T2的飽和壓降為VCES=1V,VCC=18V,RL=8.

(1)計算電路的最大不失真輸出功率Pomax；(2)計算電路的效率；

iU2RT2DD21R1WRT1RLUoVccAVcc解.308.4甲乙類互補對稱功率放大電路8.4.1甲乙類雙電源互補對8.4甲乙類互補對稱功率放大電路8.4.1甲乙類雙電源互補對稱電路

例:某互補對稱電路如圖所示，已知三極管T1、T2的飽和壓降為VCES=1V,VCC=18V,RL=8.

(3)求每個三極管的最大管耗PT；

(4)為保證電路正常工作，所選三極管U(BR)CEO和

CM應為多大；iU2RT2DD21R1WRT1RLUoVccAVcc

(4)當一個管子處于飽和狀態(tài)，另一個管子c、e間承受的電壓接近2VCC所以，解.318.4甲乙類互補對稱功率放大電路8.4.1甲乙類雙電源互補對8.4.2甲乙類單電源互補對稱電路(OTL)1.電原理圖T1、T2：兩支互補對稱管；R1、R2、R3、D1、D2：組成偏置電路，靜態(tài)時使功放管處于微導通狀態(tài)，消除交越失真；為容量較大的電容器：用來作為T2導通時的電源。C：8.4甲乙類互補對稱功率放大電路328.4.2甲乙類單電源互補對稱電路(OTL)1.電原理圖T1靜態(tài)分析i(mA)vCECQ

因電路對稱，靜態(tài)時兩個晶體管發(fā)射極連接點電位為電源電壓的一半，負載中沒有電流。電容C兩端的電壓:8.4.2甲乙類單電源互補對稱電路(OTL)2.工作原理8.4甲乙類互補對稱功率放大電路33靜態(tài)分析i(mA)vCECQ因電路對稱，靜態(tài)動態(tài)分析ui>0→T1導通，T2截止→在負載上有正半周的電流通過。ui<0→T1截止，T2導通→在負載上有負半周的電流通過。ic1ic2iB1tiB2IB1IB2iLt8.4.2甲乙類單電源互補對稱電路(OTL)2.工作原理8.4甲乙類互補對稱功率放大電路34動態(tài)分析ui>0→T1導通，T2截止→在負載上有正半周的電流將雙電源該為單電源后，應將VCC改為VCC/2。如：8.4.2甲乙類單電源互補對稱電路(OTL)3.分析計算8.4甲乙類互補對稱功率放大電路35將雙電源該為單電源后，如：8.4.2甲乙類單電源互補對稱電路8.4.2甲乙類單電源互補對稱電路(OTL)8.4甲乙類互補對稱功率放大電路例:(北京郵電大學1999年研究生入學試題)OTL互補對稱功放如圖所示，設電容C足夠大，三極管的飽和電壓降VCES=1V,RL=8Ω問：

(1)按功放分類，T1,T2的工作方式為那種；

(2)電阻R1和D1、D2的作用；

(3)電位器RW的作用；

(4)負載RL得到的最大不失真輸出功率Pomax。甲乙類解.(1)(2)為T1、T2管提供靜態(tài)偏置電壓，動態(tài)情況下可消除Ui幅度較小時由于三極管的死區(qū)而引起的交越失真。(3)調(diào)節(jié)電位器使三極管T1、T2的基極B1、B2間有一合適的電流

D和壓降VB1B2,壓降確保T1、T2管在靜態(tài)時處于導通狀態(tài)。(4)368.4.2甲乙類單電源互補對稱電路(OTL)8.4甲乙類互補

集成功率放大器廣泛用于音響、電視和小電機的驅(qū)動方面。集成功放是在集成運算放大器的電壓互補輸出級后，加入互補功率輸出級而構(gòu)成的。大多數(shù)集成功率放大器實際上也就是一個具有直接耦合特點的運算放大器。它的使用方法原則上與集成運算放大器相同。8.5集成功率放大電路37集成功率放大器廣泛用于音響、電視和小8.5.1

功率器件的散熱問題

集成功放使用時不能超過規(guī)定的極限參數(shù)，極限參數(shù)主要有功耗和最大允許電源電壓。集成功放要加有足夠大的散熱器，保證在額定功耗下溫度不超過允許值。8.5集成功率放大電路1.最高允許結(jié)溫。

2.通常的散熱措施是給功放管加裝散熱片。3.散熱片（板）是銅、鋁等導熱性能良好的金屬材料制成的，尺寸越大散熱能力越強，使用時可根據(jù)散熱要求的不同來選配。

388.5.1功率器件的散熱問題集成功放使用

為了適用大功率的要求，開發(fā)了一種V形開槽的縱向MOS，稱VMOS；隨后又出現(xiàn)了一種更新的雙擴散MOS，稱DMOS。1.VMOSsio2N+型襯底漏極DN-型外延層N+N+PS源極G柵極8.5.2功率VMOSFET和DMOSFET8.5集成功率放大電路39為了適用大功率的要求，開發(fā)了一種V形開槽1.2.DMOS漏極D源極S柵極G8.5.2功率VMOSFET和DMOSFET8.5集成功率放大電路402.DMOS漏極D源極S柵極G8.5.2功率VMOSFET2.VMOS和DMOS器件的優(yōu)點(1)與MOS器件一樣是電壓控制電流器件，輸入阻抗極高，因此所需驅(qū)動電流極小，功率增益高；(2)VMOS不會出現(xiàn)熱擊穿，溫度穩(wěn)定性好；(3)高頻特性好；(4)導通電阻rDS??；8.5.2功率VMOSFET和DMOSFET8.5集成功率放大電路412.VMOS和DMOS器件的優(yōu)點(1)與MOS器件一樣是電壓8.5.3以MOS功率管作輸出級的甲乙類功率放大器SHM1150IIBiMOS集成功率放大器v01v02v02v01-v028.5集成功率放大電路428.5.3以MOS功率管作輸出級的甲乙類功率放大器SHM1±12V～±50VPOmax＝150W8.5.3以MOS功率管作輸出級的甲乙類功率放大器SHM1150IIBiMOS集成功率放大器8.5集成功率放大電路43±12V～±50VPOmax＝150W8.5.3以MO=22V8.5.4BJT集成功率放大器舉例LM380集成音頻功率放大器8.5集成功率放大電路44=22V8.5.4BJT集成功率放大器舉例LM380集成=22V8.5.4BJT集成功率放大器舉例LM380集成音頻功率放大器8.5集成功率放大電路45=22V8.5.4BJT集成功率放大器舉例LM380集成1．功率放大器的特點：工作在大信號狀態(tài)下，輸出電壓和輸出電流都很大。要求在允許的失真條件下，盡可能提高輸出功率和效率。2．為了提高效率，在功率放大器中，BJT常工作在乙類和甲乙類狀態(tài)下，并用互補對稱結(jié)構(gòu)使其基本不失真。這種功率放大器理論上的最大輸出效率可以達到78.5％。3．互補對稱功率放大器的幾種主要結(jié)構(gòu)：

OCL（雙電源）——乙類、甲乙類。

OTL（單電源）——乙類、甲乙類。小結(jié)461．功率放大器的特點：工作在大信號狀態(tài)下，輸出電壓和輸出電流例1．互補對稱功放電路如圖，VCC=-VEE=20V,RL=8Ω，T1與T2管的VC