第四章功率放大電路(1).ppt

1、第四章 功率放大電路,4.1功率放大電路特點與類型,4.2互補對稱功率放大電路,4.3集成功率放大器,本章重點和考點：,1.重點掌握功放的最大輸出電壓、最大輸出功率和效率的計算。,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，電路的輸出功率是最大嗎？,4.互補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、電壓相同且負載電阻也相同的情況下，對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、講授內容 4.1 功率放大電路的特點與類型 二、教學目的及要求（學生掌握、了解的要點） 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，功率放大電路的幾種工作狀態(tài)，功率放大電路的類型。 三、教學重點 功率放大電路的特點（與電壓放大電路比較）及類型。 四、教學難點 根據Q點分析功率放大電路的分類和特點及效率問題。 五、本講計劃學時及時間分配 2學時,4.1功率放大電路特點與類型（第11講）,能夠向負

3、載提供足夠信號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,一、主要技術指標,1.最大輸出功率Pom,功率放大電路提供給負載的信號功率稱為輸出功率。是交流功率，表達式為PoIoUo。,最大輸出功率是在電路參數確定的情況下，負載上可能獲得的最大交流功率,2.轉換效率,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用狀態(tài)。,選擇功放管時，要注意極限參數的選擇，還要注意其散熱條件，使用時必須安裝合適的散熱片和各種保護措施。,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.無輸入信號作用時,圖4.1.2輸出功率和效率的圖解分析,2

5、.在輸入信號為正弦波時，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,在輸入信號為正弦波時，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、 ,實用的變壓器功率放大電路,希望輸入信號為零時，電源不提供功率，輸入信號愈大，負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通的方式稱為“推挽”工作方式。,無輸入信號，二管截止,有輸入信號，二管交替導通,4.1.2 功率放大電路的類型,在放大電路中，若輸入信號為正弦波時，根據晶體管在信號整個周期內導通情況分類,甲類( = 2 ),乙類( = ),甲乙類( 2 ),丙類： 導通角小于 。,丁類：功放管工作在開關狀態(tài)，管子僅在飽和導通時消耗功率。,集電極電流iC將嚴重失真。

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：前級電路應使基極電位為VCC/2，發(fā)射結電位為VCC/2 ，故電容上的電壓也VCC/2。,單電源供電。T1和T2特性對稱,工作時： T1和T2輪流導通，電路為射極跟隨狀態(tài)。,OTL工作在乙類工作狀態(tài)， 會出現(xiàn)交越失真。,如何消除？,動畫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特性對稱,圖4.1.5OCL電路,靜態(tài)時:

8、 T1和T2均截止，輸出電壓為零。,工作時: T1和T2交替工作，正、負電源交替供電，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”電路；二只管子的這種交替工作方式稱為“互補”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，四只管子特性對稱,靜態(tài)時，四只晶體管均截止，輸出電壓為零。,當 ui0時 ，T1和T4導通， T2和T3 截止，負載上獲得正半周電壓；,當 ui0時 ，T2和T3導通， T1和T4 截止，負載上獲得負半周電壓。,因而負載上獲得交流功率,

9、工作時，,第12講,一、講授內容 4.2乙類互補推挽功率放大電路 二、教學目的及要求（學生掌握、了解的要點） 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.復合管的構成原則及其電流放大倍數 5.掌握交越失真的原因及解決措施 三、教學重點 OCL、OTL甲乙類互補對稱功率放大電路的結構、特點及工作原理。 功率、效率和管耗的計算及相互關系。 功放管的選擇。 四、教學難點 功率放大電路的分析與計算。 五、本講計劃學時及時間分配 2學時,4.2.1乙類互補對稱電路的組成及工作原理,一、電路組成,ui 0 T1 導通

10、 T2 截止,iC1,io = iE1 = iC1, uO = iC1RL,ui 0 T2 導通 T1 截止,iC1,io = iE2 = iC2, uO = iC2RL,ui = 0 T1 、 T2 截止,4.2乙類互補功率放大電路（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，輸出波形將產生交越失真。,動畫avi17-3.avi,二、OCL電路的輸出功率及效率,當輸入電壓足夠大，且又不產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，可認為Q點在橫軸上。,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,動畫avi17-1.avi,最大輸出功率,電源VCC提供的電流,電源在負載獲得最大交流功率時所消耗的平均功率等于其平均電流與電源電壓之積。,轉換效率,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。,在查閱手冊選擇晶體管時，應使極限參數,BUCEO2VCC ICMVCC/RL PCM0.2Pom,4.2.2甲乙類互補對稱功率放大電路,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)射結和T2管發(fā)射結開啟電壓之和，兩管均處于微導通狀態(tài)，即都有一個微小的基極電流，分別為IB1和IB2 。靜態(tài)時應調節(jié)R1 ，使UE為0,即u0為0。,動畫avi17-2.avi,當 ui = 0 時，T1、T2 微導通。,當 ui 0 ( 至 )， T1 微導通 充分導通 微導通；,T2 微導通 截止 微導通。,當 ui 0 ( 至 )， T2 微導通 充分導通 微導通；,T1 微導通 截止 微導通。,當輸入信號為正弦交流電時,圖4.2.3 T1和T2 管在ui作用下輸入特

13、性中的圖解分析,二管導通的時間都比輸入信號的半個周期更長，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，電壓放大倍數約為1，負載電阻RL 4歐，,（1）求解負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，則負載上能夠獲得的最大功率為多少。,解（1）,（2）因為UOUi，所以UOm8V。最大輸出功率,雙電源互補對稱功率放大電路由于靜態(tài)時輸出端電位為零，負載可以直接連接，不需要耦合電容，因而OCL電路具有低頻響應好、輸出功率大、便于集成等優(yōu)點，但需要雙電源供電，使用起來有時會感到不便。如果采

14、用單電源供電，只要在兩管發(fā)射極與負載之間接入一個大容量電容即可。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,單電源互補對稱功率放大電路（OTL電路）,1. 電路組成 圖4.2.4中，V1、V2組成互補對稱輸出級，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，適當選擇偏置電阻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ui

15、正半周，V1導通，V2截止，V1以射極輸出器形式將正向信號傳送給負載，同時對電容C2充電；,下一頁,返回,上一頁,在輸入信號ui負半周，V1截止，V2導通，已充電的電容C2代替負電源向V2供電，使V2也以射極輸出器形式將負向信號傳送給負載。只要電容C2的容量足夠大，使其充、放電時間常數RLC2遠大于信號周期T，就可認為在信號變化過程中，電容兩端電壓基本保持不變。這樣，負載RL上就可得到一個完整的信號波形。 與OCL電路相比，OTL電路少用一個電源，故使用方便。但由于輸出端的耦合電容容量大，電容器內鋁箔卷圈數多，呈現(xiàn)的電感效應大，它對不同頻率的信號會產生不同的相移，輸出信號有附加失真，這是OTL

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

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，則復合管仍然等效為NPN型。 2. 復合管的特點 1) 電流放大系數很大 復合管的電流放大系數近似為組成該復合管各三極管的乘積，其值很大。由圖5-7(a)可得復合管的電流放大系數為,下一頁,返回,上一頁,2. 復合管構成的OTL功率放大電路 如圖4.2.6所示為復合管構成的OTL功率放大電路。圖4.2.6中，運算放大器A對輸入信號先進行適當放大，以驅動功放管工作，常稱為前置放大級。V4 V7為復合管構成的功放管，V4和V6組成NPN型復合管，V5和V7組成PNP型復合管。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)時處于微導通狀態(tài)。R7和R8稱為泄放電阻，用來較小復合管的穿透電流。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，并具有過流保護的作用。電阻R1和R11構成電壓并聯(lián)負反饋電路，用來穩(wěn)定電路的輸出電壓，提高電路的帶負載能力。,返回,上一頁,復習：,1.功放電路的性能指標： 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：,Uop = VCC UCES,第13講,一、講授內容 4.3集成功率放大器和習題課 二、教學目的及要求（學生掌握、了解的要點）

19、1.了解集成功率放大電路的分析及主要性能指標 2.理解集成功放電路的應用 3.復習本章知識點。 三、教學重點 集成功率放大電路的結構、功能、性能指標的意義及其應用。 四、教學難點 集成功率放大電路的應用。 五、本講計劃學時及時間分配 2學時,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的集成電路。只需外接少量元件，就可成為實用電路。,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，廣泛應用于錄音機和收音機之中。,掌握集成功放的電路組成，工作原理、主要性能指標和

20、典型運用。,一、LM386內部電路,圖4.3.1LM386內部電路原理圖,第一級差分放大電路（雙入單出）,第二級共射放大電路（恒流源作有源負載）,第三級OTL功放電路,輸出端應外接輸出電容后再接負載。,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構成反饋網絡，引入深度電壓串聯(lián)負反饋。,二、LM386的電壓放大倍數,1.當引腳1和8之間開路時,2.當引腳1和8之間外接電阻R時,3.當引腳1和8之間對交流信號相當于短路時,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,電壓放大倍數可以調節(jié)， 調節(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用,一、集成OTL電路的應用,1.LM386外接元件最少的用法,靜態(tài)時輸出電容上電壓為,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。,二、集成OCL電路的應用,TDA1521的基本接法,TDA1521為2通道OCL電路，可作為立體聲擴音機左、右兩個聲道的功放。,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電路的應用,TDA1556為2通道BTL電路?？勺鳛榱Ⅲw聲擴音機左，右兩個聲道的功放。,TDA1556的基本接法,集成DG4112典型電路應用,圖4.3.7 由DG4112構成的集成功放電路,【本章小結】,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功率和具有盡可能高的轉換效率為組成原則，功放管常常工作在極限應用狀態(tài)。低頻功放有變壓器耦合乙類推挽電路、OTL、OCL、BTL等電路。 2.功放的輸入信號幅值較大，分析時應采用圖解法。 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)時應使功放管微導通，

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應滿足U（BR）CEO2VCC，ICMVCCRL ，PCM0.2Pom。 3.OTL、OCL和 BTL均有不同性能指標的集成電路，只需外接少量元件，就可成為實用電路。在集成功放內部均有保護電路，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，凡對的在括號內打“”，反之則在括號內打“”。（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，輸入信號愈大，失真愈嚴重，輸入信號小時，不產生失真。（ ） （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數值大；（ ） 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。 （1