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杨 凌《 模 拟 电 子 线 路 》第6章第6章 低频功率放大器 §6.0 引言多级放大器常用来给负载提供大的功率.例如,为扬声器之类的小负载电阻输送很大的电流,或为开关电源之类的大负载电阻传送很大的电压.前几章所讨论的放大器主要用于增强电压幅度或电流幅度,因而相应地称为电压放大器或电流放大器.本章将分析为负载传送一定功率的电路─功率放大器.对功率放大器的主要要求是:在一定的不失真(或失真较小)的前提下,将交流信号功率有效地传送给负载.因此,我们将关注晶体管的管耗问题.§6.1 功率放大电路的一般问题一、功率放大器的主要研究对象1、 Po↑ 晶体管往往在接近极限运用状态下工作.2、η↑3、THD↓ THD与Po是相矛盾的.4 、功放管的散热问题5 、功率管的保护问题Poη= — (6—1)PD二、功率放大电路的分类§6.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路是根据输出级晶体管的导通时间进行分类的.低频功率放大电路有三种基本类型:甲类、乙类、甲乙类.图5.1给出了输入为正弦信号时,各类功率放大器的输出情况.OiCωtOvCEiC ICOiCωtOvCEiC Q图 6.1 (a) 甲类晶体管的导通角θ=360o图 6.1 (b) 乙类晶体管的导通角θ=180o§6.1 功率放大电路的一般问题OiCωtOvCEiC IC图 6.1 (c) 甲乙类晶体管的导通角180o ≤ θ≤360o三、功率放大电路提高效率的主要途径晶体管的静态电流是造成管耗的主要因素,所以是影响功率放大电路效率的主要原因.可以证明:即使在理想情况下,甲类功放的最高效率只有50%.提高功放效率的一个基本思路是将Q点下移.§6.2 乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL)一、电路组成 RL+VCC－VCCVT2+ vi －VT1iC2iC1iL+ vo －图 6.2 OCL (Output Capacitorless)1、Po 与Pom Vom VomPo=Vo Io= —— · ——— 2 2 RL1 Vom2 = — · ——2 RL 1 Vcem2 1 VCC2 Po= — · ——= — · ——·ζ22 RL 2 RL Vcem ζ≈ —— (6—2)VCC二、工作原理 §6.2 乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL)图 6.3Icm1OVCC vCE1iC1 QVcem1VCES(a)IcmOVCESiC1 QVcemvCEO2IcmVCES2VcemiC2 (b)§6.2 乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL)1 VCC2 Pom= — · —— (6-3)2 RL 2. η 与ηmax1 2 2 VCC2 PD = — VCCIcmsin ωt dωt = —VCCIcm= —·——ζπ π π RL ∫π0Po π η= — = — · ζ (6—4)PD 4 Pom π ηm= —— = — ≈78.5% (6—5)PD 4 §6.2 乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL)三、功率BJT的选择1、PTm与Pom的关系PT PD－Po 2 1 PT1= PT2= — = ——— =Pom —ζ－ —ζ22 2 π 2 dPT1——d ζ 2=Pom — －ζ π dPT1—— =0d ζ Vom≈0.6VCC时ζ≈0.6,即2 1 PT1m= PT2m=Pom —×0.6－ —×0.62 ≈0.2Pom (6-6)π 2 §6.2 乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL)OVom /VCC PD0.20.40.60.81.01.21.00.80.60.40.2 0.1371.27PoPT1P/VCC2( ——)2 RL PD=Po+2PT1图 6.4§6.2 乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL)2、功率BJT的选择(1) PCM ≥ PT1m ≈0.2 Pom (2) │V(BR)CEO │ ＞2VCC (3) ICM ≥ VCC/RL 【例6-1】功放电路如图6.2所示,设VCC=12V,RL=8Ω,三极管的极限参数为ICM=2A, │V(BR)CEO│=30V, PCM=5W. 试求:(1)最大输出功率Pom值,并检验所给三极管是否能安全工作?(2)放大电路在η=0.6时的输出功率Po值§6.2 乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL)四、交越失真图6.2所示电路中,由于没有直流偏置,当vi=0时,VT1×,VT2×,因此实际输出vo=0;设两管的发射极开启电压为0.6V,则当－0.6V≤vi≤0.6V时,依然有VT1×,VT2×, vo=0.可见,输出波形在零点课堂练习 【参考答案】(1) Pom=9W, ICM=1.5A, PTm=1.8W;VCEM=24V(2) Po≈5.3W. RL+VCC－VCCVT2+ vi －VT1iC2iC1iL+ vo －§6.2 乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL)附近产生了失真,这种失真是由于晶体管的死区电压所造成的,称为交越失真,如图6.5所示.ωt－0.6V0.6V0vi /Vωt0vO , iL图 6.5交越失真图 6.7RL+VCC－VCCVT2viVT1iLvoR1R2iC1iC2RC3VT3RE3VT4RL+VCC－VCCVT2viVT1iLvo图 6.6VD1VD2iC1iC2RC3VT3RE3§6.3 甲乙类互补对称功率放大电路为了克服交越失真,当vi=0时(静态时),给VT1,VT2一个适当的偏置电压,使之处于微导通状态.从而让电路工作在甲乙类状态.一、甲乙类双电源互补对称功放§6.3 甲乙类互补对称功率放大电路图6.6电路中偏置方法的缺点是,偏置电压不易调整.图6.7电路则可提供比较灵活的偏置电压,在集成电路中经常用到.图6.7中所用到的偏置电路称为VBE扩大电路.在图6.7中,若忽略VT4的基极电流,则有:VBE4 IR2= —— = IR1 R2 R1 VCE4= IR2(R1+ R2) =VBE4 ( 1+ — ) R2 二、使用Darlington管的甲乙类互补对称功放§6.3 甲乙类互补对称功率放大电路RL+VCC－VCCVT2vi VT1iLvo图6.8VD1VD2RC6VT6RE6VD3VT4 VT5VT3NPNPNP互补对称推挽输出级使用PNP和NPN型晶体管. 在IC设计中,PNP型晶体管常为横向结构,β值的范围只有5～10. NPN型晶体管为纵向结构,β值为200左右.可见,NPN管和PNP管不能很好地匹配,所以,输出级采用达林顿管.§6.3 甲乙类互补对称功率放大电路三、甲乙类单电源互补对称功放(OTL)图 6.9 OTL (Output Transformerless )(b)VT1VT2viRL+VCCvoVD1VD2RC3KVT3+C(a)VT1VT2viRL+VCC /2voVD1VD2RC3VT3－VCC /2§6.3 甲乙类互补对称功率放大电路静态时,VK=VCC/2.1 C＞(5～10) ——— 2πfLRL 1 VCC2 Pom= — · —— (6—7)8 RL §6.4 桥式功率放大电路VT1VT2 viRL+VCCvo+－+－图 6.10 BTL (Balanced Transformerless )VT3VT4vi>0, VT1√ ,VT4√VT2× ,VT3×vi<0, VT2√ ,VT3√VT1× ,VT4×1 VCC2 Pom= — · —— 2 RL §6.5 集成功率放大器随着线性集成电路的发展,集成功率放大器的应用也日益广泛.图 6.11 (a)SHM1150Ⅱ136 +VCC10 － VEE8vo+ vi － VCC ±12V～ ±50VPom=150W一、 SHM1150Ⅱ型集成功放§6.5 集成功率放大器+VCC图 6.11 (b)CVT4VT1VT2+ vi －+vo －1R6R7VT5VT6VT8R1R2R9－VEER8RfR10I13I2VT7VF1VF28610R11R13R12§6.5 集成功率放大器二、 集成音频功放LM386图 6.12VT8VT10R7+VCCvoVD1VD2R1VT76VT9VT5VT63587214VT2VT4VT1VT3R2R3 R4R5R6§6.6 功率器件一、功率BJT1、功率BJT的散热问题在功率放大器中,晶体管在给负载输送功率的同时,自己也要消耗一部分功率.晶体管消耗的功率直接表现在其结温升高,当结温升高到一定程度,就会烧坏管子,因而输出功率受图 6.13§6.6 功率器件到管子允许的PCM的限制.值得注意的是,管子允许的功耗与管子的散热情况密切相关.如果采取适当的散热措施,就有可能充分发挥管子的潜力,增加功率管的输出功率.(1) 表征散热能力的重要参数─ 热阻RT(2) 热的传导路径,称为热路.阻碍热传导的阻力称为热阻.RT ( oC/W oC/mW )RT ↓→ PCM↑ RT ↑ → PCM ↓(2) 功率BJT的散热等效热路RT ≈ RTj +RTc +RTf (6—8)0.1～3 oC/W§6.6 功率器件PCRTjRTcRTfTjTcTfTaRT图 6.14(a)(b)(c)§6.6 功率器件(3) 功率BJT的散热计算Tj－Ta= RT PCM (6—9)最高允许结温环境温度Tj－TaPCM = (6—10)RTRT↓→PCM↑, Ta↓ → PCM ↑ 【例6-2】 设一功率三极管的集电结到管壳的热阻RTj=4oC/W,散热 片与周围空气的热阻 RTf=5oC/W。