第四章功率放大電路(1).ppt

1、第四章 功率放大電路,4.1功率放大電路特點(diǎn)與類型,4.2互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路,4.3集成功率放大器,本章重點(diǎn)和考點(diǎn)：,1.重點(diǎn)掌握功放的最大輸出電壓、最大輸出功率和效率的計(jì)算。,2.掌握集成功放的使用。,本章討論的問題：,1.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？,本章討論的問題：,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

2、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？,第11講,一、講授內(nèi)容 4.1 功率放大電路的特點(diǎn)與類型 二、教學(xué)目的及要求（學(xué)生掌握、了解的要點(diǎn)） 掌握功率放大電路的基本概念和分類，功率放大電路的特點(diǎn)，功率放大電路的幾種工作狀態(tài)，功率放大電路的類型。 三、教學(xué)重點(diǎn) 功率放大電路的特點(diǎn)（與電壓放大電路比較）及類型。 四、教學(xué)難點(diǎn) 根據(jù)Q點(diǎn)分析功率放大電路的分類和特點(diǎn)及效率問題。 五、本講計(jì)劃學(xué)時(shí)及時(shí)間分配 2學(xué)時(shí),4.1功率放大電路特點(diǎn)與類型（第11講）,能夠向負(fù)

3、載提供足夠信號(hào)功率的放大電路稱為功率放大電路，簡稱功放。,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，而是追求在電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的功率。,功放電路的要求：,4.1.1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PoIoUo。,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,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

4、盡可能大，要求晶體管工作在極限應(yīng)用狀態(tài)。,選擇功放管時(shí)，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,4.1.1.2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4.1.1 (a)共射放大電路,圖4.1.1b輸出功率和效率的圖解分析,直流電源提供的直流功率為ICQ VCC 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ICQ UCEQ 即圖中矩形AQDO的面積。,1.無輸入信號(hào)作用時(shí),圖4.1.2輸出功率和效率的圖解分析,2

5、.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,負(fù)載電阻RL上所獲得的功率PO僅為P/Om的一部分。,R/L(=RC/RL)上獲得的最大交流功率P/Om為,即圖中三角形QDE的面積,共射放大電路輸出功率小，效率低（25） ，不宜作功放。,二、變壓器耦合功率放大電路,傳統(tǒng)的功放為變壓器耦合式電路,電源提供的功率為PVICQ VCC ，全部消耗在管子上。,則可作出交流負(fù)載線,RL等效到原邊的電阻為,在理想變壓器的情況下，最大輸出功率為,即三角形QAB的面積,在輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，若集電極電流也為正弦波,直流電源提供的功率不變,電路的最大效率為: Pom / PV =50

6、 ,實(shí)用的變壓器功率放大電路,希望輸入信號(hào)為零時(shí)，電源不提供功率，輸入信號(hào)愈大，負(fù)載獲得的功率也愈大，電源提供的功率也隨之增大，從而提高效率。,變壓器耦合乙類推挽功率放大電路,圖4.1.3(a)變壓器耦合乙類推挽功率放大電路,同類型管子在電路中交替導(dǎo)通的方式稱為“推挽”工作方式。,無輸入信號(hào)，二管截止,有輸入信號(hào)，二管交替導(dǎo)通,4.1.2 功率放大電路的類型,在放大電路中，若輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，根據(jù)晶體管在信號(hào)整個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通情況分類,甲類( = 2 ),乙類( = ),甲乙類( 2 ),丙類： 導(dǎo)通角小于 。,丁類：功放管工作在開關(guān)狀態(tài)，管子僅在飽和導(dǎo)通時(shí)消耗功率。,集電極電流iC將嚴(yán)重失真。

7、,簡介：無輸出變壓器的功率電路Output Transformerless （OTL電路）,用一個(gè)大容量電容取代了變壓器(電容：幾百幾千微法的電解電容器）,圖4.1.4OTL電路,靜態(tài)時(shí)：前級(jí)電路應(yīng)使基極電位為VCC/2，發(fā)射結(jié)電位為VCC/2 ，故電容上的電壓也VCC/2。,單電源供電。T1和T2特性對(duì)稱,工作時(shí)： T1和T2輪流導(dǎo)通，電路為射極跟隨狀態(tài)。,OTL工作在乙類工作狀態(tài)， 會(huì)出現(xiàn)交越失真。,如何消除？,動(dòng)畫avi17-4.avi,簡介：無輸出電容的功率放大電路 Output Capacitorless（OCL電路）,雙電源供電,T1和T2特性對(duì)稱,圖4.1.5OCL電路,靜態(tài)時(shí):

8、 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。,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。,簡介：橋式推挽功率放大電路 Balanced Transformerless（BTL電路）,圖4.1.6BTL電路,單電源供電，四只管子特性對(duì)稱,靜態(tài)時(shí)，四只晶體管均截止，輸出電壓為零。,當(dāng) ui0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) ui0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,

9、工作時(shí)，,第12講,一、講授內(nèi)容 4.2乙類互補(bǔ)推挽功率放大電路 二、教學(xué)目的及要求（學(xué)生掌握、了解的要點(diǎn)） 1.掌握OCL、OTL電路的組成及工作原理 2.掌握OCL、OTL電路的輸出功率及效率 3.掌握OCL、OTL電路中晶體管的選擇 4.復(fù)合管的構(gòu)成原則及其電流放大倍數(shù) 5.掌握交越失真的原因及解決措施 三、教學(xué)重點(diǎn) OCL、OTL甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及工作原理。 功率、效率和管耗的計(jì)算及相互關(guān)系。 功放管的選擇。 四、教學(xué)難點(diǎn) 功率放大電路的分析與計(jì)算。 五、本講計(jì)劃學(xué)時(shí)及時(shí)間分配 2學(xué)時(shí),4.2.1乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路的組成及工作原理,一、電路組成,ui 0 T1 導(dǎo)通

10、 T2 截止,iC1,io = iE1 = iC1, uO = iC1RL,ui 0 T2 導(dǎo)通 T1 截止,iC1,io = iE2 = iC2, uO = iC2RL,ui = 0 T1 、 T2 截止,4.2乙類互補(bǔ)功率放大電路（第12講）,目前使用最廣泛的功放是OTL電路和OCL電路,若考慮三極管的開啟電壓，輸出波形將產(chǎn)生交越失真。,動(dòng)畫avi17-3.avi,二、OCL電路的輸出功率及效率,當(dāng)輸入電壓足夠大，且又不產(chǎn)生飽和失真的圖解分析,圖4.2.4OCL電路的圖解分析,圖中I區(qū)為T1管的輸出特性，II區(qū)為T2管的輸出特性；,二只管子的靜態(tài)電流很小，可認(rèn)為Q點(diǎn)在橫軸上。,Uop =

11、VCC UCES,最大輸出電壓幅值,最大不失真輸出電壓的有效值,動(dòng)畫avi17-1.avi,最大輸出功率,電源VCC提供的電流,電源在負(fù)載獲得最大交流功率時(shí)所消耗的平均功率等于其平均電流與電源電壓之積。,轉(zhuǎn)換效率,理想情況下， UCES可忽略；但大功率管UCES較大，不能忽略,OCL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,如何求PT的最大功率？,晶體管集電極最大功耗僅為最大輸出功率的五分之一。,在查閱手冊(cè)選擇晶體管時(shí)，應(yīng)使極限參數(shù),BUCEO2VCC ICMVCC/RL PCM0.2Pom,4.2.2甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路,iC,

12、消除交越失真思路：,ui = 0，給 T1、T2 提供靜態(tài)電壓,UB1、B2UD1UD2UR2,UB1、B2略大于T1管發(fā)射結(jié)和T2管發(fā)射結(jié)開啟電壓之和，兩管均處于微導(dǎo)通狀態(tài)，即都有一個(gè)微小的基極電流，分別為IB1和IB2 。靜態(tài)時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)R1 ，使UE為0,即u0為0。,動(dòng)畫avi17-2.avi,當(dāng) ui = 0 時(shí)，T1、T2 微導(dǎo)通。,當(dāng) ui 0 ( 至 )， T1 微導(dǎo)通 充分導(dǎo)通 微導(dǎo)通；,T2 微導(dǎo)通 截止 微導(dǎo)通。,當(dāng) ui 0 ( 至 )， T2 微導(dǎo)通 充分導(dǎo)通 微導(dǎo)通；,T1 微導(dǎo)通 截止 微導(dǎo)通。,當(dāng)輸入信號(hào)為正弦交流電時(shí),圖4.2.3 T1和T2 管在ui作用下輸入特

13、性中的圖解分析,二管導(dǎo)通的時(shí)間都比輸入信號(hào)的半個(gè)周期更長，功放電路工作在甲乙類狀態(tài)。,例4.2.1在圖4.2.7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OUi，所以UOm8V。最大輸出功率,雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路由于靜態(tài)時(shí)輸出端電位為零，負(fù)載可以直接連接，不需要耦合電容，因而OCL電路具有低頻響應(yīng)好、輸出功率大、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，但需要雙電源供電，使用起來有時(shí)會(huì)感到不便。如果采

14、用單電源供電，只要在兩管發(fā)射極與負(fù)載之間接入一個(gè)大容量電容即可。這種電路通常稱為無輸出變壓器電路，簡稱OTL(Output Transformer Less)電路，如圖4.2.4所示。,下一頁,返回,上一頁,單電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路（OTL電路）,1. 電路組成 圖4.2.4中，V1、V2組成互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)，R1、R2、VD1、VD2保證電路工作于甲乙類狀態(tài)，C2為大電容。靜態(tài)時(shí)，適當(dāng)選擇偏置電阻R1、R2的阻值，使兩功放管發(fā)射極電壓為VCC /2，電容C2兩端電壓也穩(wěn)定在VCC /2，這樣兩管的集、射極之間如同分別加上了VCC /2和VCC /2的電源電壓。 2. 工作原理 在輸入信號(hào)ui

15、正半周，V1導(dǎo)通，V2截止，V1以射極輸出器形式將正向信號(hào)傳送給負(fù)載，同時(shí)對(duì)電容C2充電；,下一頁,返回,上一頁,在輸入信號(hào)ui負(fù)半周，V1截止，V2導(dǎo)通，已充電的電容C2代替負(fù)電源向V2供電，使V2也以射極輸出器形式將負(fù)向信號(hào)傳送給負(fù)載。只要電容C2的容量足夠大，使其充、放電時(shí)間常數(shù)RLC2遠(yuǎn)大于信號(hào)周期T，就可認(rèn)為在信號(hào)變化過程中，電容兩端電壓基本保持不變。這樣，負(fù)載RL上就可得到一個(gè)完整的信號(hào)波形。 與OCL電路相比，OTL電路少用一個(gè)電源，故使用方便。但由于輸出端的耦合電容容量大，電容器內(nèi)鋁箔卷圈數(shù)多，呈現(xiàn)的電感效應(yīng)大，它對(duì)不同頻率的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生不同的相移，輸出信號(hào)有附加失真，這是OTL

16、電路的缺點(diǎn)。從基本工作原理上看，兩個(gè)電路基本相同，只是在單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路中每個(gè)功放管的工作電壓不是VCC，而是VCC /2。,下一頁,返回,上一頁,3 .復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路 互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路中，要求兩個(gè)功放管完全對(duì)稱，這對(duì)于大功率管來說實(shí)現(xiàn)起來比較困難。實(shí)際工作中，常常采用復(fù)合管的接法來實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。 1.復(fù)合管的結(jié)構(gòu) 復(fù)合管又稱為達(dá)林頓管，是由兩個(gè)或兩個(gè)以上三極管按照一定的方式連接而成的，如圖4.2.5是四種常見的復(fù)合管類型。 由圖4.2.5可以看出，復(fù)合管的類型取決于V1管。如圖4.2.5(a)中，V1管為NPN型，V2管為NPN型，復(fù)合管等效為NPN型。,5.2 互補(bǔ)推挽功率放大

17、電路,下一頁,返回,上一頁,圖4.2.5(b)中，V1管為NPN型，V2管為PNP型，則復(fù)合管仍然等效為NPN型。 2. 復(fù)合管的特點(diǎn) 1) 電流放大系數(shù)很大 復(fù)合管的電流放大系數(shù)近似為組成該復(fù)合管各三極管的乘積，其值很大。由圖5-7(a)可得復(fù)合管的電流放大系數(shù)為,下一頁,返回,上一頁,2. 復(fù)合管構(gòu)成的OTL功率放大電路 如圖4.2.6所示為復(fù)合管構(gòu)成的OTL功率放大電路。圖4.2.6中，運(yùn)算放大器A對(duì)輸入信號(hào)先進(jìn)行適當(dāng)放大，以驅(qū)動(dòng)功放管工作，常稱為前置放大級(jí)。V4 V7為復(fù)合管構(gòu)成的功放管，V4和V6組成NPN型復(fù)合管，V5和V7組成PNP型復(fù)合管。D1、D2和D3為功放管的基極提供靜態(tài)

18、偏置電壓，使其靜態(tài)時(shí)處于微導(dǎo)通狀態(tài)。R7和R8稱為泄放電阻，用來較小復(fù)合管的穿透電流。電阻R6是V4和V5管的平衡電阻，電阻R9和R10用來穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，并具有過流保護(hù)的作用。電阻R1和R11構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，用來穩(wěn)定電路的輸出電壓，提高電路的帶負(fù)載能力。,返回,上一頁,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BTL,3.OCL功放的性能指標(biāo)：,Uop = VCC UCES,第13講,一、講授內(nèi)容 4.3集成功率放大器和習(xí)題課 二、教學(xué)目的及要求（學(xué)生掌握、了解的要點(diǎn)）

19、1.了解集成功率放大電路的分析及主要性能指標(biāo) 2.理解集成功放電路的應(yīng)用 3.復(fù)習(xí)本章知識(shí)點(diǎn)。 三、教學(xué)重點(diǎn) 集成功率放大電路的結(jié)構(gòu)、功能、性能指標(biāo)的意義及其應(yīng)用。 四、教學(xué)難點(diǎn) 集成功率放大電路的應(yīng)用。 五、本講計(jì)劃學(xué)時(shí)及時(shí)間分配 2學(xué)時(shí),4.3集成功率放大電路（第13講）,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。,4.3.1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。,掌握集成功放的電路組成，工作原理、主要性能指標(biāo)和

20、典型運(yùn)用。,一、LM386內(nèi)部電路,圖4.3.1LM386內(nèi)部電路原理圖,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之間開路時(shí),2.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),電壓放大倍數(shù)可以調(diào)節(jié)， 調(diào)節(jié)范圍為20200。,三、LM386引腳圖,圖4.3.2LM386的外形和引

21、腳,4.3.2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,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,2.LM386電壓增益最大的用法,3.LM386的一般用法,圖4.3.4 LM386電壓增益最大的用法,圖4.3.5 LM386的一般用法,引腳1和引腳8接10uF電解電容器，1和8之間交流短路。,引腳1和引腳5接電阻，也可改變電壓放大倍數(shù)。,二、集成OCL電路的應(yīng)用,TDA1521的基本接法,TDA1521為2通道OCL電路，可作為立體聲擴(kuò)音機(jī)左、右兩個(gè)聲道的功放。,最大輸出功率 P

22、om12W 最大不失真輸出電壓 Uom 9.8V,三、集成BTL電路的應(yīng)用,TDA1556為2通道BTL電路?？勺鳛榱Ⅲw聲擴(kuò)音機(jī)左，右兩個(gè)聲道的功放。,TDA1556的基本接法,集成DG4112典型電路應(yīng)用,圖4.3.7 由DG4112構(gòu)成的集成功放電路,【本章小結(jié)】,1.功率放大電路是在電源電壓確定情況下，以輸出盡可能大的不失真的信號(hào)功率和具有盡可能高的轉(zhuǎn)換效率為組成原則，功放管常常工作在極限應(yīng)用狀態(tài)。低頻功放有變壓器耦合乙類推挽電路、OTL、OCL、BTL等電路。 2.功放的輸入信號(hào)幅值較大，分析時(shí)應(yīng)采用圖解法。 OCL電路為直接耦合功率放大電路，為了消除交越失真，靜態(tài)時(shí)應(yīng)使功放管微導(dǎo)通，

23、因而OCL電路中功效管常工作在甲乙類狀態(tài)。 所選用的功放管的極限參數(shù)應(yīng)滿足U（BR）CEO2VCC，ICMVCCRL ，PCM0.2Pom。 3.OTL、OCL和 BTL均有不同性能指標(biāo)的集成電路，只需外接少量元件，就可成為實(shí)用電路。在集成功放內(nèi)部均有保護(hù)電路，以防止功放管過流、過壓、過損耗或二次擊穿。,一、分析下列說法是否正確，凡對(duì)的在括號(hào)內(nèi)打“”，反之則在括號(hào)內(nèi)打“”。（210）,（1）在功率放大電路中，輸出功率愈大，功放管的功耗愈大。（ ） （2）功率放大電路的最大輸出功率是指在基本不失真情況下，負(fù)載上可能獲得的最大交流功率。（ ） （3）功率放大器為了正常工作需要在功率管上裝置散熱片，

24、功率管的散熱片接觸面是粗糙些好。（ ） （4）乙類推挽電路只可能存在交越失真，而不可能產(chǎn)生飽和或截止失真。（ ） （5）功率放大電路，除要求其輸出功率要大外，還要求功率損耗小，電源利用率高。（ ） （6）乙類功放和甲類功放電路一樣，輸入信號(hào)愈大，失真愈嚴(yán)重，輸入信號(hào)小時(shí)，不產(chǎn)生失真。（ ） （7）在功率放大電路中，電路的輸出功率要大和非線性失真要小是對(duì)矛盾。（ ）,（8）功率放大電路與電壓放大電路、電流放大電路的共同點(diǎn)是 1）都使輸出電壓大于輸入電壓；（ ） 2）都使輸出電流大于輸入電流；（ ） 3）都使輸出功率大于信號(hào)源提供的輸入功率。（ ） （9）功率放大電路與電壓放大電路的區(qū)別是 1）前者比后者電源電壓高；（ ） 2）前者比后者電壓放大倍數(shù)數(shù)值大；（ ） 3）前者比后者效率高；（ ） 4）在電源電壓相同的情況下，前者比后者的最大不失真輸出電壓大；（ ） （10）功率放大電路與電流放大電路的區(qū)別是 1）前者比后者電流放大倍數(shù)大；（ ） 2）前者比后者效率高；（ ）,二、選擇題（310）,1、已知電路如圖測1所示，T1和T2管的飽和管壓降UCES3V，UCC15V， RL8，。選擇正確答案填入空內(nèi)。 （1