功率放大電路第八章第8章

功率放大電路8.1功率放大電路概述8.2互補功率放大電路8.3功率放大電路的安全運行8.4集成功率放大電路本章重點和考點：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別？2.什么是晶體管的甲類、乙類和甲乙類工作狀態？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？8.1功率放大電路概述能夠向負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。功放電路的要求：Pomax

大，三極管極限工作=Pomax/PV

要高失真要小功率放大電路的作用：是放大電路的輸出級，去推動負載工作。例如使揚聲器發聲、繼電器動作、儀表指針偏轉、電動機旋轉等。8.1.1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Po＝IoUo。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，為使輸出功率盡可能大，要求晶體管工作在極限應用狀態。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。晶體管集電極電流最大時接近ICM晶體管管壓降最大時接近U（BR）CEO晶體管耗散功率最大時接近PCM三、功率放大電路的分析方法采用圖解法8.1.2功率放大電路的基本要求1.輸出功率大2.效率要高3.非線性失真要小4.散熱問題額定功率是指在失真允許的范圍內放大器輸出的最大功率。最大不失真功率是指在不失真的情況下最大輸出功率。放大電路的工作狀態甲類(=2)放大電路的工作狀態乙類(=)甲類(=2)tiCO

Icm2ICQtiCO

Icm2ICQ乙類(=)tiCO

IcmICQ2甲乙類(

<<2)乙類工作狀態失真大，靜態電流為零，管耗小，效率高。甲乙類工作狀態失真大，靜態電流小，管耗小，效率較高。甲類工作狀態失真小，靜態電流大，管耗大，效率低。放大電路的工作狀態故θ越小，效率越高管耗功率放大電路的分類在放大電路中，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)tiCO

Icm2ICQtiCO

Icm2ICQ乙類(=)tiCO

IcmICQ2甲乙類(

<<2)丙類：導通角小于。丁類：功放管工作在開關狀態，管子僅在飽和導通時消耗功率。集電極電流iC將嚴重失真。互補對稱電路是集成功率放大電路輸出級的基本形式。當它通過容量較大的電容與負載耦合時，由于省去了變壓器而被稱為無輸出變壓器(OutputTransformerless)電路，簡稱OTL電路。若互補對稱電路直接與負載相連，輸出電容也省去，就成為無輸出電容(OutputCapacitorless)電路，簡稱OCL電路。

OTL電路采用單電源供電，

OCL電路采用雙電源供電。8.2互補功率放大電路8.2.1乙類雙電源互補對稱功率放大電路(OCL)(OCL—OutputCapacitorless)一、基本OCL互補功率放大電路8.2.1乙類雙電源互補對稱功率放大電路(OCL)一、基本OCL互補功率放大電路RLV1V2+VCC+ui+uoVEEui

>0V1導通V2截止iC1io

=iE1=iC1,uO

=iC1RLui

<0V2導通V1截止iC2io

=-iE2=-iC2,uO

=-iC2RLui

=0V1、V2截止iO1、電路組成及工作原理(OCL—OutputCapacitorless)1、電路組成及工作原理RLV1V2+VCC+ui+uoVEEui

>0V1導通V2截止iC1io

=iE1=iC1,uO

=iC1RLui

<0V2導通V1截止iC2io

=-iE2=-iC2,uO

=-iC2RL存在問題：當輸入電壓小于死區電壓時，三極管截止，引起

交越失真。交越失真輸入信號幅度越小失真越明顯。ui

=0V1、V2截止iO二、消除交越失真的OCL電路的工作原理tiC0ICQ1ICQ2消除交越失真思路：消除交越失真的OCL電路RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiR3ui

=0，給T1、T2提供靜態電壓UB1、B2＝UD1＋UD2＋UR2UB1、B2略大于T1管發射結和T2管發射結開啟電壓之和，兩管均處于微導通狀態，即都有一個微小的基極電流，分別為IB1和IB2

。靜態時應調節R1

，使UE為0,即u0為0。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T1和T2管在ui作用下輸入特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。當輸入電壓足夠大，且又不產生飽和失真的圖解分析OCL電路的圖解分析圖中I區為T1管的輸出特性，II區為T2管的輸出特性；二只管子的靜態電流很小，可認為Q點在橫軸上。Uop=VCC

–

UCES最大輸出電壓幅值最大不失真輸出電壓的有效值三、OCL功率放大電路的圖解分析最大輸出功率電源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，不能忽略四、OCL電路中晶體管的選擇1.最大管壓降UCEmax=2VCC

2.集電極最大電流3.集電極最大功耗如何求PT的最大功率？RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiR3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UCEO＞2VCC

ICM＞VCC/RL

PCM＞0.2Pom

[例8.2.1]在圖示電路中已知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UO≈Ui，所以UOm≈8V。最大輸出功率RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiR3RLV1V2+VCC+ui+uoVEE1.輸出功率最大不失真輸出電壓、電流幅度：最大輸出功率最大輸出功率2.電源功率PDC=IC1VCC+IC2VEE=2IC1VCC=2VCCUom/RL最大輸出功率時：PDC=2V2CC/RLPDC=2V2CC/RL3.效率PDC=2VCCIcm/

實際約為60%最大輸出功率時：【OCL電路小結】令則：時管耗最大，即：每只管子最大管耗為

0.2Pom5.選管原則PCM>0.2PomU(BR)CEO>2VCCICM>VCC/RLRLV1V2+VCC+ui+uoVEE4.管耗第3章放大電路基礎例1

已知：VCC=VEE=24V，RL=8，忽略UCE(sat)

求Pom

以及此時的PDC、PC1，并選管。[解]PDC=2V2CC/RL=2242//(8)=45.9(W)=0.5(45.936)=4.9(W)U(BR)CEO>48VICM>24/8=3(A)可選：U(BR)CEO=60100VICM=5APCM=1015WRLV1V2+VCC+ui+uoVEE8.2.2甲乙類互補對稱功率放大電路一、甲乙類雙電源互補對稱功率放大電路給V1、V2提供靜態電壓tiC0ICQ1ICQ2克服交越失真思路：電路：RLRV3V4V1V2+VCC+ui+uoVEEV5當ui

=0時，V1、V2微導通。當ui

<0(至)，V1

微導通充分導通微導通；V2微導通截止微導通。當ui

>0(至)，V2

微導通充分導通微導通；

V1微導通截止微導通。克服交越失真的電路V1V2V3V4實際電路V4RL+VCC+uoV1V2V3VEER*1R2R3R4V1V2V3R2R1RL+VCC+uoV1V2V3V4V5VEE+uiR二、復合管互補對稱放大電路1.復合管(達林頓管)目的：實現管子參數的配對；提高電流放大倍數ib1(1+1)

ib1(1+1)(1+2)ib1=(1+1+2+12)ib1

1

2

rbe=rbe1+(1+1)rbe22(1+1)ib11ib1ibicie(1+2+12)ib1V1V2V1V2NPN+NPNNPNV1V2PNP+PNPPNPV1V2NPN+PNPNPNV1V2PNP+NPNPNP構成復合管的規則：1)B1為

B，C1或E1接B2

，C2、E2為

C或E；2)

應保證發射結正偏，集電結反偏；3)

復合管類型與第一只管子相同。V1V2練習：接有瀉放電阻的復合管：V1V2ICEO12ICEO1R瀉放電阻減小復合管總的穿透電流減小。V1、V3—NPNV2、V4—PNPR3、R5—穿透電流泄放電阻RE1、RE2—穩定“Q”、過流保護取值0.10.5V5V7、RP—克服交越失真R4—使V3、V4輸入電阻平衡V8—構成前置電壓放大RB1—引入負反饋，提高Q點穩定性。UEUB8IB8IC8UB3UE準互補對稱電路2.復合管互補對稱電路舉例RLRPV4+VCCV5V1V2R2RB1RB2+uo+ui+++V6V7V8EUB3R1R5R3IC8RE1RE2R4V3UB8-VEE一、OTL乙類互補對稱電路在輸入信號的正半周，VT1

導通，iC1

流過負載；負半周，VT2導通，iC2

流過負載。在信號的整個周期都有電流流過負載，負載上iL

和uO

基本上是正弦波。存在的問題：交越失真交越失真8.2.3單電源互補對稱功率放大電路1.工作原理—OTL電路(OutputTransformerless

)2.OTL乙類互補電路圖解分析Icm1=Icm2

＝

Icm，Ucem1=Ucem2=Ucem，RLRBV4–VEE+VCCV5V1V2CERERB1RB2+uo+ui+++CE電容C的作用：1)充當VCC/2電源2)耦合交流信號當ui

=0時，1.電路結構二、OTL甲乙類互補對稱電路RLRBV4–VEE+VCCV5V1V2CERERB1RB2+uo+ui+++CE當ui

=0時，當ui

>0時：V2導通，C放電，V2的等效電源電壓0.5VCC。當ui

<

0時：V1導通，C充電，V1的等效電源電壓

+0.5VCC。應用OCL電路有關公式時，要用VCC/2取代VCC。2.OTL電路工作原理存在的問題當ui為負半周最大值時，iC3最小，uB1接近于+UCC，此時希望T1在接近飽和狀態工作，即uCE1≈UCES，故K點電位uK=+UCC-UCES≈+UCC。當ui為正半周最大值時，T1截止，T2接近飽和導電，uK=UCES≈0。當ui為負半周時，T1導電，使iB1增加，由于Rc3上的壓降和uBE1的存在，當K點電位向+UCC接近時，使T1的基極電流iB1的增加受到限制，從而也限制了T1增加輸向負載的電流解決方法自舉電路當ui=0時，因此電容C3兩端電壓被充電到解決方法自舉電路當ui=0時，因此電容C3兩端電壓被充電到解決方法自舉電路當時間常數R3C3足夠大時，uC3（電容C3兩端電壓）基本為常數（uC3≈UC3），是不隨輸入電壓ui而改變。這樣，當ui為負時，T1導電，uK將由向+UCC方向變化，考慮到隨著K點電位uK升高，D點電位uD也自動升高。這樣就會有足夠的電流iB1，使T1充分導電，增加輸出電壓幅度，致使OCL電路和OTL電路的比較OCLOTL電源雙電源單電源信號交、直流交流頻率響應好fL

取決于輸出耦合電容C電路結構較簡單較復雜Pomax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、OCL3.OCL功放的性能指標：OTL互補對稱放大電路

3.R8和R9

的作用?

1.R4、D1、D2的作用？

2.

T1和T3

、T2和T4

構成什么工作方式？思考

4.R6和R7

的作用?ui+UCCRLT1T2R3D1D2R1R4R6T3T4CL++_R2R5R7R9R8T5uo+_++OTL互補對稱放大電路

(3)R8和R9

的作用?

(1)R4、D1、D2的作用？

(2)T1和T3

、T2和T4

構成什么工作方式？

(4)R6和R7

的作用?避免產生交越失真構成復合管引入電流負反饋，使電路工作穩定。分流T1、T2的ICEO，提高溫度穩定性。ui+UCCRLT1T2R3D1D2R1R4R6T3T4CL++_R2R5R7R9R8T5uo+_++例1：乙類互補推挽功放電路如圖所示。已知ui為正弦電壓，RL=8W，要求最大輸出功率為16W。假設功率管T1和T2特性對稱，管子的飽和壓降UCES=0。試求：（1）正、負電源VCC的最小值；（2）當輸出功率最大時，電源供給的功率；（3）當輸出功率最大時的輸入電壓的有效值。T1T2RL+VCCVCC__+uOui【練習題】[解]（1）由于電路的最大輸出功率所以電源電壓（2）當輸出功率最大時，電源供給的功率T1T2RL+VCCVCC__+uOui（3）因為輸出功率最大時，輸出電壓的幅值為所以輸入電壓的有效值為

T1T2RL+VCCVCC__+uOui8.2.4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共射放大電路輸出功率和效率的圖解分析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。1.無輸入信號作用時輸出功率和效率的圖解分析2.在輸入信號為正弦波時，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的功放為變壓器耦合式電路電源提供的功率為PV＝ICQVCC

，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變壓器原邊線圈電阻可忽略不計，直流負載線垂直于橫軸且過(VCC

，0)。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，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℅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，二管交替導通三、無輸出變壓器的功率電路OutputTransformerless

（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）OTL電路靜態時：前級電路應使基極電位為VCC/2，發射結電位為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。OTL工作在乙類工作狀態，會出現交越失真。如何消除？四、無輸出電容的功率放大電路

OutputCapacitorless（OCL電路）雙電源供電,T1和T2特性對稱OCL電路靜態時: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。五、橋式推挽功率放大電路

BalancedTransformerless（BTL電路）BTL電路單電源供電，四只管子特性對稱靜態時，四只晶體管均截止，輸出電壓為零。當ui>0時，T1和T4導通，T2和T3

截止，負載上獲得正半周電壓；當ui<0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工作時，8.3實際的功率放大電路