四川大学模拟电子技术第八章

8.1 功率放大电路的一般问题8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路8.4 甲乙类互补对称功率放大电路*8.5 集成功率放大器8.2 射极输出器 甲类放大的实例8.1 功率放大电路的一般问题2. 功率放大电路提高效率的主要途径1. 功率放大电路的特点及主要研究对象例 1： 扩音系统功率放大器的作用： 用作放大电路的 输出级 ，以驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、 仪表指针偏转等。 执行机构功率放大电压放大信号提取例 2： 温度控制R1-R3:标准电阻Va : 基准电压Rt : 热敏电阻 (负）A：电压放大器温度调节过程 VbvoRtT室温 T VO1 VOR1aR2Vcc+R3Rt功放b温控室A+-vo1加热元件1. 功率放大电路的特点及主要研究对象(1) 功率放大电路功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。因此， 要求同时输出较大的电压和电流。 管子工作在接近极限状态。 一般直接驱动负载，带载能力要强。# 功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别吗？上的区别吗？没有，都是能量转换。（直流电源的直流电能转化为信号控制的交流电能）电压放大电路使负载得到尽可能大的不失真的电压信号，功率放大获得尽可能大的不失真输出功率。（ 2）功率放大电路的特点：要求输出功率尽可能大 ： 输出信号电压和电流大 ，使放大管工作在极限状态，因此必须保证放大管的安全工作。要求效率高 ： 效率 负载得到的有用信号功率与电源提供的直流功率之比。要求非线性失真小 ： 由于功率放大电路是大信号运用，接近晶体管的截止区和饱和区，容易产生非线性失真。 可见，输出功率与非线性失真是功率放大电路的一对主要矛盾。功放管的散热 :有相当大的功率消耗在管子上，引起温升(3) 要解决的问题Ø 提高效率 Ø 减小失真 Ø 管子的保护讨论对象 ：大信号分析方法 ： 图解法。(4) 提高效率的途径降低静态功耗，即减小静态电流。 三极管根据正弦信号整个周期内的导通情况，可分为四个工作状态：乙类：导通角等于 180°甲类：一个周期内均导通甲乙类：导通角大于 180° 丙类：导通角小于 180°（ 5）功率放大电路的分类甲类放大： 三极管 360°导电。输入信号在整个周期内都有电流流过放大器件。电压放大器一般工作在甲类。其输出功率由功率三角形确定。电源始终不断输送功率，在没有交流信号输入时（也意味着没有交流信号输出），没有 信号输出功率 ， 电源提供的功率 全部消耗在管子（电阻）上 （管耗），并转化为热量散发出去；当有信号输入时，其中有一部分转化为有用的信号输出功率。甲类放大的效率不高，理论上不超过 50% 。乙类放大 ： 三极管 180°导电。功率放大电路必须考虑效率问题。静态电流是造成管耗的主要原因。为了降低静态时的工作电流，三极管从甲类工作状态改为乙类工作状态。一周期内只有半个周期 iC 0。没有输入信号时，信号输出功率为零，电源供给的功率为零，管耗为零。信号增大，电源供给的功率增大，输出功率增大。但输出出现了严重的失真。甲乙类放大： 导通角大于 180°。一周期内有半个周期以上iC 0。降低了静态工作电流 。电压放大电路 BJT工作在甲类，乙类和甲乙类放大主要用于功率放大电路。 甲乙类和乙类放大虽降低了静态工作电流，但又产生了失真问题。如果不能解决乙类状态下的失真问题，乙类工作状态在功率放大电路中就不能采用。 推挽电路或互补对称电路 较好地解决了乙类工作状态下的失真问题。丁类（ D类）开关状态半周期：饱和导通半周期：截止（ 6） 性能指标 输出功率      ： 效率      ：直流电源供给集电极和偏置电路等直流功率之和 非线性失真   集电极效率：电源供给集电极的直流功率8.2 射极输出器 甲类放大的实例2. 功率及效率的计算1. 电路结构及工作原理 射极输出器的输出电阻低，带负载能力强，但做功放不适合。 RbvoVCCviibRE射极输出器能否做功率放大 ？RbvoVCCvi RE射极输出器效率的估算：(设 RL=RE)votvoibQicvceVCC若忽略晶体管的饱和压降和截止区，输出信号 vo的峰值最大只能为：vCEvo的取值范围QicVCC直流负载线交流负载线 VCEQ = 0.5VCC 静态工作点：为得到较大的输出信号，假设将射极输出器的静态工作点（ Q）设置在负载线的中部，令信号波形正负半周均不失真 ，如下图所示。1. 直流电源输出的功率2. 最大负载功率3. 最大效率(RL=RE时 )如何解决效率低的问题？办法： 降低 Q点。既降低 Q点又不会引起截止失真的办法：采用 推挽输出电路， 或 互补对称射极输出器。缺点： 会引起截止失真。8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路8.3.2 分析计算8.3.1 电路组成8.3.3 功率 BJT的选择8.3.1 电路组成由一对 NPN、 PNP特性相同的互补三极管组成，采用正、负双电源供电。 可看成两个 射随器 组合而成 （AV=1 ）， 这种电路也称为 OCL （无输出电容器）互补功率放大电路。工作原理当输入信号处于正半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时 NPN型三极管导电，有电流通过负载 RL，按图中方向由上到下，与假设正方向相同。 当输入信号为负半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时 PNP型三极管导电，有电流通过负 载 RL，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。于是两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电， 在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个完整的波形。 两个管子都工作在乙类放大状态，没有直流偏置。 解决了输出失真和效率的矛盾。交越失真严格说，输入信号很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不导电。 因此在正、负半周交替过零处会出现一些非线性失真，这个失真称为交越失真。8.3.2 分析计算图解分析动画1. 最大不失真输出功率 Pomax设输入为正弦波，输出功率 Po为输出电压有效值和输出电流有效值的乘积。 实际输出功率 Po1. 最大不失真输出功率 Pomax忽略三极管的饱和压降，负载上的最大不失真功率为：2. 电源供给的功率 PV当直流电源提供的功率为半个正弦波的平均功率，信号越大，电流越大，电源功率也越大。3.管耗 PT电源输入的直流功率，有一部分通过三极管转换为输出功率，剩余的部分则消耗在三极管上，形成三极管的管耗。显然静态时， Vom=0 ， PT=0动态时， Vom越大？ PT越大？两管管耗4. 效率 当记忆方法： 将 PT、 P0、 PV画成曲线，如图 所示 ,图中画阴影线的部分即代表管耗。乙类互补功放电路的管耗每只 BJT的最大允许管耗 PCM必须大于 PT1M0.2P OM；8.3.3 功率 BJT的选择 显然， PT与 Vom呈非线性关系，有一个最大值。可用 PT对 Vom求导的办法找出这个最大值。 PTmax发生在 Vom=0.64VCC处，将 Vom=0.64VCC代入 PT表达式，可得 PTmax为对一只三极管最大管耗与最大输出功率的关系 选管依据之一 考虑到当 T2导通时， -vCE20,此时 vCE1具有最大值，且等于 2VCC。因此，应选用 |V（ BR） CEO|>2VCC 通过 BJT的最大集电极电流为 VCC/RL，所选 BJT的 ICM一般不宜低于此值。功率 BJT的选择（ 1）   最大允许管耗 PCM>0.2Pom（ 2）   反向击穿电压 V（ BR） CEO>2VCC（ 3）   集电极最大允许电流 ICMVCC/RL8.4 甲乙类互补对称功率放大电路8.4.2 甲乙类单电源互补对称电路8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路8.4.3 带自举电路的单电源功放乙类互补对称电路存在的问题乙类互补对称电路存在的问题实际测试波形 为解决交越失真，可给三极管稍稍加一点偏置，使之工作在甲乙类。静态时 D1（ R1）、 D2（ R2）为 T1、 T2提供一个适当的偏压，使 T1、 T2微导通，由于电路对称， VK = 0。偏置电压可通过 R1、 R2调整。1. 静态偏置可克服交越失真2. 动态工作情况二极管等效为恒压模型设 T3已有合适的静态工作点交流相当于短路8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路VBE4可认为是定值R1、 R2不变时，VCE4也是定值，可看作是一个直流电源。 调节R1、 R2的比值，可以改变偏压值。甲乙类双电源互补对称功率放大电路功率输出部分的计算与乙类双电源互补对称功率放大电路的计算相同。 动画8.4.2 甲乙类单电源互补对称电路单电源互补功率放大电路当电路对称时，输出端的静态电位等于 VK=VCC /2。为了使负载上仅获得交流信号，用一个大电容器 C串联在负载与输出端之间。这种功率放大电路也称为 OTL（无输出变压器）互补功率放大电路。静态时，偏置电路使VK VCVCC/2（电容 C充电达到稳态）。当有信号 vi时负半周 T1导通，有电流通过负载RL，同时向 C充电正半周 T2导通，则已充电的电容C通过负载 RL放电。只要满足 RLC >>T信 ，电容 C就可充当原来的 VCC。计算 Po、 PT、 PV和 PTm的公式必须加以修正，以 VCC/2代替原来公式中的 VCC。 *8.5 集成功率放大器集成功率放大器广泛用于音响、电视和小电机的驱动方面。集成功放是在集成运算放大器的电压互补输出级后，加入互补功率输出级而构成的。集成功放使用时不能超过规定的极限参数，极限参数主要有功耗和最大允许电源电压。集成功放要加有足够大的散热器，保证在额定功耗下温度不超过允许值。LM380外部引脚功率器件1、功率器件的散热问题在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在功放管的集电结上，使管子发热，必须采取散热措施。常用的方法： 加散热片表征散热能力的参数： 热阻 阻碍热传导的阻力，通常用 /w 或 /mw 来表示。热阻越小，管子的散热能力越强。2、二次击穿现象3、功率管的保护 降额使用功放管的散热end