模拟电子线路 第三章 功率放大电路.docx

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模拟电子线路第三章功率放大电路

模拟电子线路第三章功率放大电路

第一节学习要求

第二节功率放大电路的一般问题

第三节乙类双电源互补对称功率放大电路

第四节甲乙类互补对称功率放大器

第一节学习要求：

1．了解功率放大电路的主要特点及其分类；

2．熟悉常用功放电路的工作原理及最大输出功率和效率的计算；

3．了解集成功率放大电路及其应用。

本章的重点：

OCL、OTL功率放大器

本章的难点：

功率放大电路主要参数分析与计算

第二节　功率放大电路的一般问题

　　功放以获得输出功率为直接目的。

它的一个基本问题就是在电源一定的条件下能输出多大的信号功率。

功率放大器既然要有较大的输出功率，当然也要求电源供给更大的注入功率。

因此，功放的另一基本问题是工作效率问题。

即有多少注入功率能转换成信号功率。

另外，功放在大信号下的失真，大功率运行时的热稳定性等问题也是需要研究和解决的。

一、功率放大电路的特点、基本概念和类型

1、特点：

（1）输出功率大

（2）效率高

（3）大信号工作状态

（4）功率BJT的散热

2、功率放大电路的类型

（1）甲类功率放大器

特点：

·工作点Q处于放大区，基本在负载线的中间，见图5.1。

·在输入信号的整个周期内，三极管都有电流通过。

·导通角为360度。

缺点：

　　效率较低，即使在理想情况下，效率只能达到50%。

　　由于有ICQ的存在，无论有没有信号，电源始终不断地输送功率。

当没有信号输入时，这些功率全部消耗在晶体管和电阻上，并转化为热量形式耗散出去；当有信号输入时，其中一部分转化为有用的输出功率。

作用：

　　通常用于小信号电压放大器；也可以用于小功率的功率放大器。

（2）乙类功率放大器

特点：

·工作点Q处于截止区。

·半个周期内有电流流过三极管，导通角为180度。

·由于ICQ=0，使得没有信号时，管耗很小，从而效率提高。

缺点：

　　波形被切掉一半，严重失真，如图5.2所示。

作用：

　　用于功率放大。

（3）甲乙类功率放大器

特点：

·工作点Q处于放大区偏下。

·大半个周期内有电流流过三极管，导通角大于180度而小于360度。

·由于存在较小的ICQ，所以效率较乙类低，较甲类高。

缺点：

　　波形被切掉一部分，严重失真，如图5.3所示。

作用：

　　用于功率放大。

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第三节　乙类双电源互补对称功率放大电路

一、电路组成　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　在图5.4所示电路中，两晶体管分别为NPN管和PNP管，由于它们的特性相近，故称为互补对称管。

　　静态时，两管的ICQ=0；有输入信号时，两管轮流导通，相互补充。

既避免了输出波形的严重失真，又提高了电路的效率。

　　由于两管互补对方的不足，工作性能对称，所以这种电路通常称为互补对称电路。

二、分析计算

1.输出特性曲线的合成

　　因为输出信号是两管共同作用的结果，所以将T1、T2合成一个能反映输出信号和通过负载的电流的特性曲线。

合成时考虑到：

（1）vi=0时,VCEQ1=Vcc，-VCEQ2=Vcc，因此Q1=Q2。

（2）由流过RL的电流方向知ic1与ic2方向相反。

即两个纵坐标轴相反。

　　（3）特性的横坐标应符合：

vCE1+vEC2=Vcc-（-Vcc）=2Vcc

　　vCE1的原点与-vCE2=2Vcc点重合；-vCE2的原点与+vCE1=2Vcc点重合。

　　由以上三点，得两管的合成曲线如图5.6所示。

这时负载线过Vcc点形成一条斜线，其斜率为-/RL。

显然，允许的iC的最大变化范围为2ICm，vCE的变化范围为2（VCC-VCES）=2Vcem=2IcmRL。

如果忽略BJT的饱和压降VCES，Vcem=IcmRL≈VCC。

2.计算输出功率Po

　　在输入正弦信号幅度足够的前提下，即能驱使工作点沿负载线在截止点与临界饱和点之间移动。

如图5.6所示波形。

输出功率用输出电压有效值V0和输出电流I0的乘积来表示。

设输出电压的幅值为Vom，则

　　这恰好是图5.6中△ABQ的面积。

因为Iom=Vom/RL，所以

　　图5.5中的T1、T2可以看成工作在射极输出器状态，AV≈1。

当输入信号足够大，使Vim=Vom=Vcem=VCC-VCES≈VCC和Iom=Icm时，可获得最大的输出功率

　　由上述对Po的讨论可知，要提供放大器的输出功率，可以增大电源电压VCC或降低负载阻抗RL。

但必须正确选择功率三极管的参数和施加必要的散热条件，以保证其安全工作。

3.BJT的管耗PT

4、电源提供的功率

5、效率η

三、功率BJT的选择

1、最大管耗和最大输出功率的关系

上式表明：

当Vom"0.6VCC时，BJT具有最大的管耗，

因此，功率三极管的选择应满足以下条件：

例题：

P220，5.2.3

已知：

vi为正弦波，RL=8W，VCES=0，Pom=9W

求

（1）±VCC的最小值，

（2）BJT的ICM、

　（3）Pom=9W时的Pv　（4）BJT的PCM　（5）vi的有效值　

解

（1）

（2）BJT的ICM＞Iom

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第四节　甲乙类互补对称功率放大器

　　图5.5所示电路具有电路简单，效率高等特点，广泛用于直流电机和电磁阀控制系统中。

但由于BJT的ICQ=0,因此在输入信号幅度较小时，不可避免地要产生非线性失真--交越失真，如图5.7所示。

　　产生交越失真的原因：

功率三极管处于零偏置状态，即：

VBE1+　VBE2=0　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　解决办法：

为消除交越失真，可以给每个三极管一个很小的静态电流，这样既能减少交越失真，又不至于使功率和效率有太大影响。

就是说，让功率三极管在甲乙类状态下工作。

增大VBE1+VBE2。

一、甲乙类双电源互补对称电路（OCL）　

1.基本电路

　　甲乙类双电源互补对称电路如图5.8所示。

其中图5.8（a）所示的偏置电路是克服交越失真的一种方法。

由图可见，T3组成前置放大级（注意,图中末画出T3的偏置电路）,T1和T2组成互补输出级。

静态时,在D1、D2上产生的压降为T1、T2提供了一个适当的偏压,使之处于微导通状态。

由于电路对称，静态时ic1=ic2,iL=0,vo=0。

有信号时，由于电路工作在甲乙类,即使vI很小（D1和D2的交流电阻也小），基本上可线性地进行放大。

　　上述偏置方法的缺点是，其偏置电压不易调整。

而在图5.8（b）中，流人T4的基极电流远小于流过R1、R2的电流，则由图可求出VCE4=VBE4（R1+R2）/R2，因此，利用T4管的VBE4基本为一固定值（硅管约为0.6~0.7V），只要适当调节R1、R2的比值,就可改变T1、T2的偏压值。

这种方法，在集成电路中经常用到。

2.特点：

　　图5.9是用NPN管驱动的OCL电路，其特点与图5.8所示电路一样。

（1）静态时RL上无电流；

（2）D1、D2（或R，或R、D）供给T1、T2两管一定的正偏压，使两管处于微导通状态；

　　（3）RC是T3的集电极负载电阻，A、B两点的直流电位差始终为1.4V左右，但交流电压的变化量相等；

　　（4）电路要求T1、T2的特性对称；

　　（5）需要使用对称的双电源。

二、甲乙类双电源互补对称电路（OTL）　

1、基本电路

　　图5.10是采用一个电源的互补对称原理电路，图中由T3组成前置放大级，T1和T2组成互补对称电路输出级。

静态时，一般只要R1、R2有适当的数值，就可使IC3、VB2和V1达到所需大小，给T1和T2提供一个合适的偏置，从而使K点电位VK=VCC/2。

　　当有信号vi时，在信号的负半周，T1导电，有电流通过负载RL,同时向C充电；在信号的正半周，T2导电，则己充电的电容C起着图5.8中电源-VCC的作用，通过负载RL放电，如图5.11所示。

只要选择时间常数RLC足够大（比信号的最长周期还大得多），就可以认为用电容C和一个电源VCC可代替原来的+VCC和-VCC两个电源的作用。

2.电路特点　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

（1）静态时RL上无电流；

（2）D1、D2（或R，或R、D）供给T1、T2两管一定的正偏压，使两管处于微导通状态，即工作于甲乙类状态；

　　（3）RC3是T3的集电极负载电阻，b1、b2两点的直流电位差始终为1.4V左右，但交流电压的变化量相等；

　　（4）仅需使用单电源，但增加了电容器C,C的选择要满足?

=RLC足够大（比vi的最大周期还要大得多），使VC=0.5VCC；

　　（5）T3的偏置电压取自K点,具有自动稳定Q点的作用，调节R2可以调整VK。

3.静态工作点的调整　　　　　　　　　　　　　

　　电路如图5.12所示。

（1）VC=0.5VCC的调整

　　用电压表测量K点对地的电压，调整R2使VK=0.5VCC。

（2）静态电流IC1、IC2的调整

　　首先将RW的阻值调到最小，接通电源后，在输入端加入正弦信号用示波器测量负载RL两端的电压波形，然后调整RW，输出波形的交越失真刚好消失为止。

4、存在的问题及解决办法

（1）存在问题

　　上述情况是理想的。

实际上，图5.10的输出电压幅值达不到Vom=Vom/2，这是因为当vi为负半周时，T1导电，因而iB1增加，由于RC3上的压降和VBE1的存在，当K点电位向+VCC接近时，T1的基流将受限制而不能增加很多，因而也就限制了T1输向负载的电流，使RL两端得不到足够的电压变化量，致使Vom明显小于VCC/2。

（2）改进办法

　　如果把图5.10中D点电位升高，使VD＞+VCC，例如将图中D点与+VCC的连线切断，VD由另一电源供给，则问题即可以得到解决。

通常的办法是在电路中引人R3、C3等元件组成的所谓自举电路，如图5.13所示。

（3）自举电路的作用

静态时　

　　当R3C3足够大时，VC3不随vi变化，可认为基本不变。

这样，当vi为负时，T1导电，vK将由VCC/2向更正方向变化，考虑到vD=vC3+vK=VC3+vK，显然，随着K点电位升高，D点电位vD也自动升高。

因而，即使输出电压幅度升得很高，也有足够的电流iB1，使T1充分导电。

这种工作方式称为自举，意思是电路本身把vD提高了。

5、几点说明

（1）由于T1、T2的工作电压均为0.5Vcc，因而PO、PT、PV等的计算，只须将乙类互补电路指标计算中的Vcc代之以0.5Vcc即可。

（2）由于互补对称电路中的晶体管都采用共集电极的接法，所以输入电压必须稍大于输出电压。

为此，输入信号需经1-2级电压放大后，再用来驱动互补对称功率放大器。

　　（3）应采取复合管解决功率互补管的配对问题。

异型管的大功率配对比同型管的大功率配对困难。

为此，常用一对同型号的大功率管和一对异型号的互补的小功率管来构成一对复合管取代互补对称管。

　　复合管的连接形式如5.14~5.16所示，

　　其等效电流放大系数和输入阻抗可以表示为：

　　（4）必要时注意增加功率管保护电路。

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