模擬電器 物理教學課件 第九章 功率放大器

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1、1 第九章第九章 功功率放大器率放大器模擬電路模擬電路 第九章第九章 功率放大器功率放大器9.1 功率放大電路概述功率放大電路概述9.2 互補對稱功率放大電路互補對稱功率放大電路9.3 實際功放電路實際功放電路9.4 集成功率放大器集成功率放大器9.5 變壓器耦合式功放電路變壓器耦合式功放電路例例1： 擴音系統(tǒng)擴音系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)功率放大器的作用：功率放大器的作用： 用作放大電路的用作放大電路的輸出級輸出級，以，以驅(qū)驅(qū)動動執(zhí)行機構(gòu)。如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動作、執(zhí)行機構(gòu)。如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動作、 儀表儀表指針偏轉(zhuǎn)等。指針偏轉(zhuǎn)等。 9.1 功率放大電路概述功率放大電路概述功功率率放放大大電

2、電壓壓放放大大信信號號提提取取例例2：溫度控制溫度控制R1-R3:標準電阻標準電阻Ua : 基準電壓基準電壓Rt :熱敏電阻熱敏電阻A：電壓放大器：電壓放大器RtTUOT 溫度調(diào)節(jié)溫度調(diào)節(jié)過程過程UbUO1R1aR2uoUsc+R3Rt 功功 放放b溫控室溫控室A+-uo1加熱元件加熱元件分析功放電路應注意的問題分析功放電路應注意的問題(1) 功放電路中電流、電壓要求都比較大，功放電路中電流、電壓要求都比較大，必須注意電路參數(shù)不能超過晶體管的極必須注意電路參數(shù)不能超過晶體管的極限值限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。 ICMPCMUCEMIcuce(2) 電流、電壓信號比較大，必須注意防

3、止電流、電壓信號比較大，必須注意防止波形失真。波形失真。(3) 電源提供的能量盡可能轉(zhuǎn)換給負載，減少電源提供的能量盡可能轉(zhuǎn)換給負載，減少 晶體管及線路上的損失。即注意提高電路晶體管及線路上的損失。即注意提高電路的效率（的效率（ ）。）。Pomax : 負載上得到的交流信號功率。負載上得到的交流信號功率。PE ： 電源提供的直流功率。電源提供的直流功率。%100maxEoPP不合適，因不合適，因為效率太低為效率太低 。 uotuo射極輸出器輸出電阻低，帶負載射極輸出器輸出電阻低，帶負載能力強，可以用做功率放大器嗎能力強，可以用做功率放大器嗎？問題討論問題討論:ibRbuoUSCuiRE估算射極輸

4、出器的效率估算射極輸出器的效率 ：QicuceUSCESCRU(設(shè)設(shè)RL=RE)為使輸出信號的幅值盡可能大為使輸出信號的幅值盡可能大(要保證不失真要保證不失真)，靜，靜態(tài)工作點（態(tài)工作點（Q）設(shè)置較高（靠近負載線的中部）。）設(shè)置較高（靠近負載線的中部）。若忽略晶體管的飽和若忽略晶體管的飽和壓降和截止區(qū)，輸出壓降和截止區(qū)，輸出信號信號uo的峰值最大只的峰值最大只能為：能為：uo的取的取值范圍值范圍QIcuCEUSCESCRU直流負直流負載線載線交流負交流負載線載線UCEQ = 0.5USC 靜態(tài)工作點：靜態(tài)工作點：LSCESCCQRURUI5 . 05 . 0SComUU5 . 0maxTCSC

5、EdtiUTP01LSCLSCLomORURURUP825 . 02222maxmax%25maxmaxEOPP放大電路的輸出沒有失真的工作方式稱為放大電路的輸出沒有失真的工作方式稱為甲類放大甲類放大。)sin(tIIiIicmCQcCQCLSCCQSCTCSCTCSCERUIUdtiTUdtiUTP212001. 直流電源輸出的功率直流電源輸出的功率2. 最大負載功率最大負載功率3. 最大效率最大效率(RL=RE時時)如何解決效率低的問題？如何解決效率低的問題？辦法：辦法：降低降低Q點。點。既降低既降低Q點又不會引起截止失真的辦法：點又不會引起截止失真的辦法：采用采用推挽輸出電路，推挽輸出電

6、路，或或互補對稱射極輸互補對稱射極輸出器。出器。缺點：缺點：但又會引起截止失真。但又會引起截止失真。9.2 互補對稱功率放大電路互補對稱功率放大電路 互補對稱功放的類型互補對稱功放的類型 無輸出變壓器形式無輸出變壓器形式 （ OTL電路）電路）無輸出電容形式無輸出電容形式 （ OCL電路）電路）OTL: Output TransformerLessOCL: Output CapacitorLess互補對稱：互補對稱：電路中采用兩支晶體管，電路中采用兩支晶體管，NPN、 PNP各一支；兩管特性一致。各一支；兩管特性一致。類型：類型：9.2.1 無輸出電容的互補對稱功放電路無輸出電容的互補對稱功放

7、電路一、工作原理（設(shè)一、工作原理（設(shè)ui為正弦波）為正弦波）電路的結(jié)構(gòu)特點：電路的結(jié)構(gòu)特點：ui-USCT1T2uo+USCRLiL1. 由由NPN型、型、PNP型三極型三極管構(gòu)成兩個對稱的射極管構(gòu)成兩個對稱的射極輸出器對接而成。輸出器對接而成。2. 雙電源供電。雙電源供電。3. 輸入輸出端不加隔直電輸入輸出端不加隔直電容。容。ic1ic2動態(tài)分析：動態(tài)分析：ui 0VT1截止，截止，T2導通導通ui 0VT1導通，導通，T2截止截止iL= ic1 ;ui-USCT1T2uo+USCRLiLiL=ic2T1、T2兩個晶體管都只在半個周期內(nèi)工作的方兩個晶體管都只在半個周期內(nèi)工作的方式，稱為式，稱

8、為乙類放大乙類放大。因此，不需要隔直電容。因此，不需要隔直電容。靜態(tài)分析：靜態(tài)分析：ui = 0V T1、T2均不工作均不工作 uo = 0V乙類放大的輸入輸出波形關(guān)系乙類放大的輸入輸出波形關(guān)系:ui-USCT1T2uo+USCRLiL交越失真交越失真死區(qū)電壓死區(qū)電壓uiuouou o tttt交越失真：交越失真：輸入信號輸入信號 ui在過零在過零前后，輸出信號出現(xiàn)的失真便前后，輸出信號出現(xiàn)的失真便為交越失真。為交越失真。ui-USCT1T2uo+USCRLiL(1) 靜態(tài)電流靜態(tài)電流 ICQ、IBQ等于零；等于零；(2) 每管導通時間等于半個周期每管導通時間等于半個周期 ； (3) 存在交越

9、失真。存在交越失真。 乙類放大的特點：乙類放大的特點：二、最大輸出功率及效率的計算二、最大輸出功率及效率的計算假設(shè)假設(shè) ui 為正弦波且幅度足夠大，為正弦波且幅度足夠大，T1、T2導通時均能飽和，此時輸出導通時均能飽和，此時輸出達到最大值。達到最大值。ULmax負載上得到的最大功率為：負載上得到的最大功率為：iL-USCRLuiT1T2UL+USC若忽略晶體管的飽和若忽略晶體管的飽和壓降，壓降，則負載（則負載（RL)上的電上的電壓和電流的最大幅值分別壓和電流的最大幅值分別為：為：LSCLmSCLmRUIUUmaxmaxLSCLSCSCoRURUUP21222max電源提供的直流平均功率計算：電

10、源提供的直流平均功率計算： 每個電源中的電流為半個正弦波，其平均值為每個電源中的電流為半個正弦波，其平均值為:兩個電源提供的總功率為：兩個電源提供的總功率為：USC1 =USC2 =USC01)(sin21LSCLSCavRUttdRUILSCavavRUII12LSCLSCSCEEERURUUPPP22122 tic1LSCRU%5 .7842222maxLSCLSCEoRURUPP效率為：效率為：LSCLSCSCEEERURUUPPP22122LSCLSCSCoRURUUP21222max三、電路的改進三、電路的改進1. 克服交越失真克服交越失真交越失真產(chǎn)生的原因：交越失真產(chǎn)生的原因： 在

11、于晶體管特性存在在于晶體管特性存在非線性，非線性，ui IB，則，則221RRRUUBE3. 電路中增加復合管電路中增加復合管增加復合管的目的是：增加復合管的目的是：擴大電流的驅(qū)動能力。擴大電流的驅(qū)動能力。復合管的構(gòu)成方式：復合管的構(gòu)成方式：cbeT1T2ibicbecibic方式一：方式一：bcccbcbebbciiiiiiiiiii)1 (,)1 (,1212122211211becibic 1 2晶體管的類型由復合管中的第一支管子決定。晶體管的類型由復合管中的第一支管子決定。方式二：方式二：cbeT1T2ibic復合管構(gòu)成方式很多。不論哪種等效方式，等效復合管構(gòu)成方式很多。不論哪種等效方

12、式，等效后晶體管的性能確定均如下：后晶體管的性能確定均如下：改進后的改進后的OCL準互補輸出功放電路：準互補輸出功放電路： T1：電壓推動級電壓推動級 T1、R1、R2： UBE倍增電路倍增電路 T3、T4、T5、T6： 復合管構(gòu)成的輸出級復合管構(gòu)成的輸出級準互補準互補 輸出級中的輸出級中的T4、T6均為均為NPN型晶體管，兩者特性容易對稱。型晶體管，兩者特性容易對稱。+USC-USCR1R2RLuiT1T2T3T4T5T6-UEE+UCCERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第第4 4級：互補對稱射極跟隨器級：互補對稱射極跟隨器差動放大器差

13、動放大器第第2級級第第1級：級：差動放大器差動放大器第第3級：級：單管放大器單管放大器集成運放內(nèi)部的功率放大器集成運放內(nèi)部的功率放大器9.2.2 無輸出變壓器的互補對稱功放電路無輸出變壓器的互補對稱功放電路一、特點一、特點1. 單電源供電；單電源供電；2. 輸出加有大電容。輸出加有大電容。二、靜態(tài)分析二、靜態(tài)分析則則 T1、T2 特性對稱，特性對稱，,2SCAUU2SCCUU2SCiUu 令：令：0.5USCRLuiT1T2+USCCAUL+-UC三、動態(tài)分析三、動態(tài)分析設(shè)輸入端在設(shè)輸入端在 0.5USC 直流電平直流電平基礎(chǔ)上加入正弦信號?；A(chǔ)上加入正弦信號。若輸出電容足夠大，若輸出電容足夠

14、大， UC基本基本保持在保持在0.5USC ，負載上得到的，負載上得到的交流信號正負半周對稱，但存交流信號正負半周對稱，但存在交越失真。在交越失真。ic1ic2交越失真交越失真RLuiT1T2+USCCAUL+-時，時，T1導通、導通、T2截止；截止；2SCiUu 時，時，2SCiUu T1截止、截止、 T2導通。導通。0.5USCuit四、輸出功率及效率四、輸出功率及效率若忽略交越失真的影響，且若忽略交越失真的影響，且 ui 幅度足夠大。則：幅度足夠大。則：LSCLmSCLmRUIUU22maxmax、LSCLmLmLRUIUP8222maxmaxmaxLSCavSCERUIUP22)(si

15、n2210ttdRUILSCav%5 .784maxELPPuLULmaxui2SCUtt實用實用OTL互補輸出功放電路互補輸出功放電路調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)R,使靜態(tài)使靜態(tài)UAQ=0.5USCD1 、 D2使使b1和和b2之間的之間的電位差等于電位差等于2個二極管正個二極管正向壓降，克服交越失真。向壓降，克服交越失真。Re1 、 Re2：電阻值：電阻值12 ，射極負反饋電阻，也起射極負反饋電阻，也起限流保護作用。限流保護作用。D1D2ui+USCRLT1T2T3CRBRe1Re2b1b2A9.3 實際功放電路實際功放電路這里介紹一個實用的這里介紹一個實用的OCL準互補功放電路。其準互補功放電路。其中主要環(huán)

16、節(jié)有中主要環(huán)節(jié)有 ： (1) 恒流源式差動放大輸入級（恒流源式差動放大輸入級（T1、T2、T3）；）；(2) 偏置電路（偏置電路（R1、D1、D2）；）；(3) 恒流源負載（恒流源負載（T5）；）；(4) OCL準互補功放輸出級（準互補功放輸出級（T7、T8、T9、 T10）；）；(5) 負反饋電路（負反饋電路（Rf、C1、Rb2構(gòu)成交流電壓串聯(lián)負反構(gòu)成交流電壓串聯(lián)負反饋）；饋）； (6) 共射放大級（共射放大級（T4）；）；(7) 校正環(huán)節(jié)（校正環(huán)節(jié)（C5、R4）；）；(8) UBE倍增電路（倍增電路（T6、R2、R3）；）；(9) 調(diào)整調(diào)整輸出級工作點元件輸出級工作點元件（Re7、Rc8、

17、Re9、Re10）。）。+24VuiRLT7T8RC8-24VR2R3T6Rc1T1T2Rb1Rb2C1RfR1D1D2T3Re3T4Re4C2T5Re5C3C4T9T10Re10Re7Re9C5R4BX差動放大級差動放大級反饋級反饋級偏置電路偏置電路共射放大級共射放大級UBE倍增倍增電路電路恒流源恒流源負載負載準互補功放級準互補功放級保險管保險管負載負載實用的實用的OCL準互補功放電路：準互補功放電路：輸出功率的估算：輸出功率的估算：輸出電壓的最大值約為輸出電壓的最大值約為 19.7V，設(shè)負載，設(shè)負載 RL= 8 則最大輸出功率為：則最大輸出功率為：實際輸出功率約為實際輸出功率約為 20W。

18、注：注：該實用功放電路的詳細分析計算請參考該實用功放電路的詳細分析計算請參考模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（童詩白主編）。（童詩白主編）。W3 .248127 .192maxP9.4 集成功率放大器集成功率放大器特點：特點：工作可靠、使用方便。只需在器件外部適工作可靠、使用方便。只需在器件外部適當連線，即可向負載提供一定的功率。當連線，即可向負載提供一定的功率。集成功放集成功放LM384：生產(chǎn)廠家：生產(chǎn)廠家：美國半導體器件公司美國半導體器件公司電路形式：電路形式：OTL輸出功率：輸出功率：8 負載上可得到負載上可得到5W功率功率電源電壓：電源電壓：最大為最大為28V 集成功放集成功放 LM3

19、84管腳說明管腳說明:14 - 電源端（電源端（ Vcc）3、4、5、7 - 接地端（接地端（ GND）10、11、12 - 接地端（接地端（GND）2、6 - 輸入端輸入端 （一般（一般2腳接地）腳接地） 8 - 輸出端輸出端 （經(jīng)（經(jīng)500 電容接負載）電容接負載）)12345 678910111213141 - 接旁路電容（接旁路電容（5 ）9、13 - 空腳（空腳（NC）集成功放集成功放 LM384 外部電路典型接法：外部電路典型接法：500 -+ 0.1 2.7 8146215 Vccui8 調(diào)節(jié)音量調(diào)節(jié)音量電源濾波電容電源濾波電容外接旁路電容外接旁路電容低通濾波低通濾波,去除高頻噪

20、聲去除高頻噪聲輸入信號輸入信號輸出耦合大電容輸出耦合大電容利用變壓器的阻抗變換功能，可實現(xiàn)功放電路和負利用變壓器的阻抗變換功能，可實現(xiàn)功放電路和負載間的匹配，以彌補其它類型功放電路的不足。載間的匹配，以彌補其它類型功放電路的不足。一、特點一、特點例：例：OCL電路中電路中，若若 RL=80 、需要輸出功率需要輸出功率 PO=50W。根據(jù)公式根據(jù)公式 LSCoRUP22max 得電源電壓：得電源電壓：V9025080SCU90V的電壓的電壓對電子電路顯然不合適。對電子電路顯然不合適。利用變壓器阻抗變換關(guān)系利用變壓器阻抗變換關(guān)系( RL = K2 RL)，把阻抗變，把阻抗變小，便可解決以上問題。小

21、，便可解決以上問題。9.5 變壓器耦合式功放電路變壓器耦合式功放電路 （變阻抗）（變阻抗）1i1u2u2iLR1N2N變壓器原、副邊阻抗關(guān)系變壓器原、副邊阻抗關(guān)系LLRKR222IURL從原邊等效：從原邊等效：22222211KRKIUKIKUIURLL結(jié)論：結(jié)論：變壓器原邊的等效負載，為副邊所帶負載變壓器原邊的等效負載，為副邊所帶負載乘以變比的平方。乘以變比的平方。 二、乙類變壓器耦合式推挽功率放大器二、乙類變壓器耦合式推挽功率放大器1.1.原理電路原理電路uiT2T1RL+-USCiLN2N1N1放大器：放大器：由兩個共射極放大器組成，兩個三極管由兩個共射極放大器組成，兩個三極管的射極接在

22、一起。的射極接在一起。輸入變壓器：輸入變壓器：將輸入信號分成兩個大小相等相位相反將輸入信號分成兩個大小相等相位相反的信號，分別送兩個放大器的基極，使的信號，分別送兩個放大器的基極，使 T1、T2 輪流導通。輪流導通。輸出變壓器：輸出變壓器：將兩個集電極輸出信號合為一個信號，將兩個集電極輸出信號合為一個信號，耦合到副邊輸出給負載。耦合到副邊輸出給負載。uiT2T1RL+-USCiLN2N1N1uiT2T1RL+-USCiLN2N1N12. 動、靜態(tài)分析動、靜態(tài)分析靜態(tài)分析：靜態(tài)分析：ui = 0 ， T1、T2 均截止，均截止，iL = 0 。變壓器線圈對于直流相當于短路。變壓器線圈對于直流相當

23、于短路。uiT2T1RL+-USCiLN2N1N1動態(tài)分析：動態(tài)分析： ui 0 時：時： T1導通、導通、T2 截止，截止，ic1 經(jīng)變壓器耦合給經(jīng)變壓器耦合給負載，負載，iL的方向由的方向由 ic1決定。決定。 若若ui 為正弦信號，則為正弦信號，則 iL近似為正弦波。近似為正弦波。 ui 0 時：時： T2導通、導通、T1截止，截止，ic2 經(jīng)變壓器耦合經(jīng)變壓器耦合給負載，給負載，iL的方向由的方向由 ic2決定。決定。ic2ic1T1、T2都只在半個周期內(nèi)工作，存在都只在半個周期內(nèi)工作，存在交越失真交越失真。3. 輸出功率及效率輸出功率及效率分析方法和前述互補對稱功放電路類似，請分析方

24、法和前述互補對稱功放電路類似，請自行分析。這里的負載為變壓器原邊等效負自行分析。這里的負載為變壓器原邊等效負載載 RL。uiT2T1RL+-USCiLN2N1N1LLRNNR221三、甲乙類變壓器耦合式推挽功率放大器三、甲乙類變壓器耦合式推挽功率放大器Rb1、 Rb2、 Re 的作用：的作用：克服交越失真。克服交越失真。USCT1T2RLiLuiReRb2Rb1兩個三極管都構(gòu)成靜態(tài)工作點穩(wěn)定的共射極放大兩個三極管都構(gòu)成靜態(tài)工作點穩(wěn)定的共射極放大器。其靜態(tài)工作點都設(shè)在剛剛超過截止區(qū)，器。其靜態(tài)工作點都設(shè)在剛剛超過截止區(qū)， IB很很小，小，IC 也很小，從而降低了直流功耗。也很小，從而降低了直流功耗。直流通道直流通道變壓器線圈變壓器線圈對于直流相對于直流相當于短路：當于短路：USCT1T2ReRb2Rb146 第九章第九章 結(jié)束結(jié)束模擬電路模擬電路