《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》ch課件

1/46 7.1 功 率 放 大 電 路 的 一 般 問(wèn) 題2. 功 率 放 大 電 路 提 高 效 率 的 主 要 途 徑1. 功 率 放 大 電 路 的 特 點(diǎn) 及 主 要 研 究 對(duì) 象 2/46例 ： 擴(kuò) 音 系 統(tǒng) 實(shí) 際 負(fù) 載 什 么 是 功 率 放 大 器 ？ 在 電 子 系 統(tǒng) 中 ， 模 擬 信 號(hào) 被 放 大后 ， 往 往 要 去 推 動(dòng) 一 個(gè) 實(shí) 際 的 負(fù) 載 。 如 使 揚(yáng) 聲 器 發(fā) 聲 、 繼 電器 動(dòng) 作 、 儀 表 指 針 偏 轉(zhuǎn) 等 。 推 動(dòng) 一 個(gè) 實(shí) 際 負(fù) 載 需 要 的 功 率很 大 。 能 輸 出 較 大 功 率 的 放 大 器 稱 為 功 率 放 大 器 。功率放大電壓放大信號(hào)提取1. 功 率 放 大 電 路 的 特 點(diǎn) 及 主 要 研 究 對(duì) 象 3/46 功 率 放 大 電 路 的 特 點(diǎn) 1. 主 要 技 術(shù) 指 標(biāo) 最 大 輸 出 功 率 Pom o o oP V I最 大 輸 出 功 率 ： 在 電 路 參 數(shù) 確 定 的 情 況 下 負(fù) 載 上 可 能 獲 得 的 最大 交 流 功 率 。 1. 功 率 放 大 電 路 的 特 點(diǎn) 及 主 要 研 究 對(duì) 象 功 率 放 大 電 路 是 一 種 以 輸 出 較 大 功 率 為 目 的 的 放 大 電 路 。 因此 ， 要 求 同 時(shí) 輸 出 較 大 的 電 壓 和 電 流 。 管 子 工 作 在 接 近 極 限 狀 態(tài) 。 （ 交 流 功 率 ， 電 壓 和 電 流 均 為 有 效 值 ） o OM OM12P V I （ 交 流 功 率 ， 電 壓 和 電 流 均 為 峰 值 ） 4/46 1. 功 率 放 大 電 路 的 特 點(diǎn) 及 主 要 研 究 對(duì) 象 在 不 失 真 的 情 況 下 能 輸 出 盡 可 能 大 的 功 率 。 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(guò) 晶 體管 的 極 限 值 : ICM 、 UCEM 、 PCM 。 由 于 信 號(hào) 大 ， 功 率 放 大電 路 工 作 的 動(dòng) 態(tài) 范 圍 大 。 必 須 注 意 防 止 波 形 失 真 （ 非 線 性失 真 要 小 ） 。 ICM P CM UCEMiC uCE 5/46 轉(zhuǎn) 換 效 率 ： 輸 出 功 率 與 電 源 提 供 的 功 率 之 比 。電 源 提 供 的 功 率 電 源 電 壓 電 源 輸 出 電 流 平 均 值 （ 直 流 功 率 ） 。1. 功 率 放 大 電 路 的 特 點(diǎn) 及 主 要 研 究 對(duì) 象 電 源 提 供 的 能 量 盡 可 能 地 轉(zhuǎn) 換 給 負(fù) 載 ， 以 減 少 晶體 管 及 線 路 上 的 損 失 。 即 注 意 提 高 電 路 的 效 率 （ ） 。P o : 負(fù) 載 上 得 到 的 交 流 信 號(hào) 功 率 。PE ： 電 源 提 供 的 直 流 功 率 。100%oEPP 6/46 2. 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 的 大 ， 電 路 中 的 晶 體 管 一都 工 作 在 極 限 狀 態(tài) ， 工 作 時(shí) 的 參 數(shù) 均 接 近 極 限 參 數(shù) 。 因 此 ， 在 選 擇 晶 體管 時(shí) ， 要 特 別 注 意 極 限 參 數(shù) 的 選 擇 。3. 功 率 放 大 電 路 的 分 析 方 法 圖 解 法5. 功 率 放 大 電 路 的 分 類 甲 類 功 放 、 乙 類 功 放 、 甲 乙 類 功 放 。 1. 功 率 放 大 電 路 的 特 點(diǎn) 及 主 要 研 究 對(duì) 象4. 功 率 放 大 電 路 要 解 決 的 問(wèn) 題提 高 效 率 ； 減 小 失 真 ； 管 子 的 保 護(hù) (散 熱 問(wèn) 題 )；降 低 靜 態(tài) 功 耗 ， 即 減 小 靜 態(tài) 電 流 7/46 放 大 電 路 的 工 作 狀 態(tài) 根 據(jù) 放 大 電 路 中 三 極 管 在 輸 入 正 弦 信 號(hào) 的 一 個(gè) 周 期 內(nèi) 的 導(dǎo) 通 情況 ， 可 將 放 大 電 路 分 為 下 列 四 種 狀 態(tài) ： 1 甲 類 工 作 狀 態(tài)IC U CEO Q iC tO 工 作 點(diǎn) Q處 于 放 大 區(qū) 負(fù) 載 線 的 中間 ， 晶 體 管 在 輸 入 信 號(hào) 的 整 個(gè) 周期 都 導(dǎo) 通 。 靜 態(tài) IC較 大 ， 波 形 好 。 因 為 不 論 有 無(wú) 輸 入 信 號(hào) ， 晶 體 總 是 處 于 導(dǎo) 通 狀 態(tài) ， 電 源 要始 終 不 斷 的 輸 送 功 率 ， PE UCCICQ。 所 以 效 率 很 低 ， 50 ， 理 想 情 況 下 達(dá) 到 50 。 2. 功 率 放 大 電 路 提 高 效 率 的 主 要 途 徑 8/46 2 甲 乙 類 工 作 狀 態(tài)IC UCEO Q iC tO 工 作 點(diǎn) Q處 于 放 大 區(qū) 偏 下 的 位 置 ，靠 近 截 至 區(qū) ， 晶 體 管 在 輸 入 信 號(hào)的 半 個(gè) 周 期 以 上 都 導(dǎo) 通 。 靜 態(tài) IC較 小 。 因 為 靜 態(tài) IC較 小 ， 管 耗 較 低 ， 所以 效 率 較 高 ， 但 輸 出 波 形 被 切 調(diào) 一 部分 出 現(xiàn) 嚴(yán) 重 失 真 。3 乙 類 工 作 狀 態(tài)I C UCEO Q iC tO 工 作 點(diǎn) Q處 于 截 至 區(qū) ， 晶 體 管 在輸 入 信 號(hào) 的 一 個(gè) 周 期 內(nèi) ， 只 有半 個(gè) 周 期 導(dǎo) 通 。 靜 態(tài) IC0。 管 耗 更低 ， 效 率 更 高 ， 但 波 形 被 切 掉 一半 ， 嚴(yán) 重 失 真 。動(dòng) 畫 演 示 2. 功 率 放 大 電 路 提 高 效 率 的 主 要 途 徑4 丙 類 ： 導(dǎo) 通 角 小 于 180 9/46 1. 共 射 極 電 路直 流 電 流 源 提 供 的 功 率 ： （ ABCO面 積 ）CQCCV IVP RL獲 得 的 最 大 功 率 ： （ 陰 影 QDE面 積 ） LL RIIRIP CQCQ2CQom 212特 點(diǎn) ： 放 大 器 效 率 低 ， 負(fù) 載 電 阻 越 小 ， 效率 越 低 。 RC和 晶 體 管 集 電 極 同 時(shí) 消耗 功 率 。 不 適 合 作 功 率 放 大 。 7.2 甲 類 放 大 的 實(shí) 例 10/46 7.2 甲 類 放 大 的 實(shí) 例簡(jiǎn) 化 電 路 帶 電 流 源 詳 圖 的 電 路 圖 特 點(diǎn) ： 電 壓 增 益 近 似 為 1， 電 流 增 益 很 大 ， 可 獲 得 較 大 的 功 率 增 益 ， 輸出 電 阻 小 ， 帶 負(fù) 載 能 力 強(qiáng) 。 2. 共 集 電 極 電 路 11/46 電 壓 與 輸 入 電 壓 的 關(guān) 系 O I( 0.6)V v v設(shè) T1的 飽 和 電 壓 VCES0.2V vO正 向 振 幅 最 大 值 om CC 0.2VV V vO負(fù) 向 振 幅 最 大 值 若 T1首 先 截 止 LBiASom RIV 若 T3首 先 出 現(xiàn) 飽 和 om EE 0.2 VV V 7.2 射 極 輸 出 器 甲 類 放 大 的 實(shí) 例 12/46 7.2 射 極 輸 出 器 甲 類 放 大 的 實(shí) 例CC EE 15VV V BiAS 1.85AI 8LR iBiASI vv VVBIAS=0.6V當(dāng) 放 大 器 的 效 率 %7.24%100)( VEVCom PPP 效 率 低 13/46 如 何 解 決 效 率 低 的 問(wèn) 題 ？辦 法 ： 降 低 Q點(diǎn) 。既 降 低 Q點(diǎn) 又 不 會(huì) 引 起 截 止 失 真 的 辦 法 ： 采 用互 補(bǔ) 對(duì) 稱 射 極 輸 出 電 路 。缺 點(diǎn) ： 但 又 會(huì) 引 起 截 止 失 真 。7.2 甲 類 放 大 的 實(shí) 例 14/46 互 補(bǔ) 對(duì) 稱 功 放 的 類 型 無(wú) 輸 出 變 壓 器 形 式 （ OTL電 路 ） 無(wú) 輸 出 電 容 形 式 （ OCL電 路 ）互 補(bǔ) 對(duì) 稱 ：電 路 中 采 用 兩 支 晶體 管 ， NPN、 PNP各 一 支 ； 兩 管 特 性一 致 。 類 型 ： 互 補(bǔ) 對(duì) 稱 電 路 是 集 成 功 率 放 大 電 路 輸 出 級(jí) 的 基 本 形 式 。 當(dāng)它 通 過(guò) 容 量 較 大 的 電 容 與 負(fù) 載 耦 合 時(shí) ， 由 于 省 去 了 變 壓 器 而被 稱 為 無(wú) 輸 出 變 壓 器 ( )電 路 ， 簡(jiǎn) 稱OTL電 路 。 若 互 補(bǔ) 對(duì) 稱 電 路 直 接 與 負(fù) 載 相 連 ， 輸 出 電 容 也 省去 ， 就 成 為 無(wú) 輸 出 電 容 ( 電 路 ， 簡(jiǎn) 稱OCL電 路 。 OTL電 路 采 用 單 電 源 供 電 ， OCL電 路 采 用 雙 電 源 供 電 。7.2 甲 類 放 大 的 實(shí) 例 15/46 7.3 乙 類 雙 電 源 互 補(bǔ) 對(duì) 稱 功率 放 大 電 路7.3.2 分 析 計(jì) 算7.3.1 電 路 組 成7.3.3 功 率 BJT的 選 擇 16/46 由 一 對(duì) NPN、 PNP特 性 相 同的 互 補(bǔ) 三 極 管 組 成 ， 采 用 正 、 負(fù) 雙電 源 供 電 。 這 種 電 路 也 稱 為 OCL（ Output Capacitorless)互補(bǔ) 對(duì) 稱 功 率 放 大 電 路 。一 . 電 路 組 成7.3.1 電 路 組 成 17/46CCV 1、 靜 態(tài) ： 電 路 上 下對(duì) 稱 ， 所 以 vi 、 vo 靜 態(tài) 為 0。2、 動(dòng) 態(tài) （ 加 入 正 弦信 號(hào) ） ： vi 0時(shí) ， T1導(dǎo) 通 ， T2 截 止 ， 輸 出 vi 正 半周 ；7.3.1 電 路 組 成 動(dòng) 畫 演 示二 . 工 作 原 理 兩 個(gè) 三 極 管 在 信 號(hào) 正 、負(fù) 半 周 輪 流 導(dǎo) 通 ， 使 負(fù)載 得 到 一 個(gè) 完 整 的 波 形 。 vi 2VCC的 功 率 管 。 通 過(guò) 功 率 BJT的 最 大 集 電 極 電 流 為VCC/RL， 因 此 選 功 率 BJT的 ICM一 般 不 宜低 于 此 值 。 OMCM PP 2.0 LCCCM RVI 25/46 練 習(xí) 1：1. 電 路 如 圖 所 示 。 管 子 T1、 T2在 輸 入 信 號(hào) vi的 作 用 下 , 一 周 期 內(nèi) 輪 流 導(dǎo) 電 約 180度 ， 電 源 電 壓 Vcc=20V， 負(fù)載 RL=8， |VCES|=1V， 試 計(jì) 算 ： 在 輸 入 信 號(hào) vi 10V(有 效 值 )時(shí) ， 電路 的 輸 出 功 率 、 管 耗 、 直 流 電 源 供給 功 率 和 電 路 的 效 率 。(2)求 電 路 的 最 大 輸 出 功 率 和 效 率 。 26/46 7.4 甲 乙 類 互 補(bǔ) 對(duì) 稱 功 率 放大 電 路7.4.2 甲 乙 類 單 電 源 互 補(bǔ) 對(duì) 稱 電 路7.4.1 甲 乙 類 雙 電 源 互 補(bǔ) 對(duì) 稱 電 路 27/46 7.4.1 甲 乙 類 雙 電 源 互 補(bǔ) 對(duì) 稱 電 路乙 類 互 補(bǔ) 對(duì) 稱 電 路 存 在 的 問(wèn) 題 28/46 嚴(yán) 格 說(shuō) ， 乙 類 放 大輸 入 信 號(hào) 很 小 時(shí) ， 達(dá)不 到 三 極 管 的 開 啟 電壓 ， 三 極 管 不 導(dǎo) 電 。因 此 在 正 、 負(fù) 半 周 交替 過(guò) 零 處 會(huì) 出 現(xiàn) 一 些非 線 性 失 真 ， 這 個(gè) 失真 稱 為 交 越 失 真 。 tuo 交 越 失 真ui t交 越 失 真 波 形7.4.1 甲 乙 類 雙 電 源 互 補(bǔ) 對(duì) 稱 電 路 29/46 R1D1D2R2 靜 態(tài) 時(shí) : T1、 T2兩 管 發(fā) 射 結(jié) 電 位 分別 為 二 極 管 D1、 D2的 正 向 導(dǎo) 通壓 降 ， 致 使 兩 管 均 處 于 微 弱 導(dǎo)通 狀 態(tài) 甲 乙 類 工 作 狀 態(tài) 。動(dòng) 態(tài) 時(shí) ： 設(shè) ui 加 入 正 弦 信 號(hào) 。 正 半周 T2 截 止 ， T1 基 極 電 位 進(jìn) 一 步提 高 ， 進(jìn) 入 良 好 的 導(dǎo) 通 狀 態(tài) ； 負(fù)半 周 T1截 止 ， T2 基 極 電 位 進(jìn) 一 步提 高 ， 進(jìn) 入 良 好 的 導(dǎo) 通 狀 態(tài) 。 +VCC-VCCULui iLRLT1T2電 路 中 增 加 R1、 D1、 D2、 R2支 路1.基 本 原 理 7.4.1 甲 乙 類 雙 電 源 互 補(bǔ) 對(duì) 稱 電 路 30/46 7.4.1 甲 乙 類 雙 電 源 互 補(bǔ) 對(duì) 稱 電 路1） 靜 態(tài) 偏 置可 克 服 交 越 失 真2） 動(dòng) 態(tài) 工 作 情 況二 極 管 等 效 為 恒 壓 模 型設(shè) T3已 有 合 適的 靜 態(tài) 工 作 點(diǎn)交 流 相 當(dāng) 于 短 路2.帶 前 置 放 大 級(jí) 的 功 率 放 大 器 克 服 交 越 失 真 31/46 7.4.1 甲 乙 類 雙 電 源 互 補(bǔ) 對(duì) 稱 電 路BE42 21CE4 VR RRV VBE4可 認(rèn) 為 是 定 值 R 1、 R2不 變 時(shí) ， VCE4也是 定 值 ， 可 看 作 是 一 個(gè) 直 流電 源 。3.偏 置 電 壓 可 調(diào) 的 功 率 放 大 器 32/46 1、 特 點(diǎn)(2) 單 電 源 供 電 ；(3) 輸 出 加 有 大 電 容 。2、 靜 態(tài) 分 析 T1、 T2 特 性 對(duì) 稱 ， CCA ,2UU CCC 2UU CCi 2Uu T2+C +UCC0.5UCC RLui T1A+uo-UC(1) 兩 個(gè) BJT均 接 成 射 級(jí) 輸 出 器 的 形 式 ；7.4.2 乙 類 單 電 源 互 補(bǔ) 對(duì) 稱 電 路一 、 單 電 源 互 補(bǔ) 功 率 放 大 電 路 （ 無(wú) 輸 出 變 壓 器 (OTL)） 33/46 3.動(dòng) 態(tài) 分 析設(shè) 輸 入 端 在 0.5UCC 直 流 電 基 礎(chǔ) 上 加 入 正 弦 信 號(hào) 。電 容 相 當(dāng) 于 電 源 ， 若 輸 出電 容 足 夠 大 ， UC基 本 保 持在 0.5U CC ， 負(fù) 載 上 得 到 的交 流 信 號(hào) 正 負(fù) 半 周 對(duì) 稱 ，但 存 在 交 越 失 真 。 ic1ic2 交 越 失 真當(dāng) 時(shí) ， T1導(dǎo) 通 、 T2截 止 ；CCi 2Uu 當(dāng) 時(shí) ， T1截 止 、 T2導(dǎo) 通 。CCi 2Uu 0.5UCC ui t兩 個(gè) 晶 體 管 都 只 在 半 個(gè) 周 期 內(nèi) 工 作 ，稱 為 乙 類 放 大 。 T2+C +UCC0.5UCC RLui T1A+uo-UC 7.4.2 乙 類 單 電 源 互 補(bǔ) 對(duì) 稱 電 路 34/46 7.4.2 甲 乙 類 單 電 源 互 補(bǔ) 對(duì) 稱 電 路靜 態(tài) 時(shí) ， 偏 置 電 路 使VK VCVCC/2（ 電 容 C充 電 達(dá) 到穩(wěn) 態(tài) ） 。當(dāng) 有 信 號(hào) vi時(shí)負(fù) 半 周 T1導(dǎo) 通 ， 有 電 流 通 過(guò) 負(fù) 載RL， 同 時(shí) 向 C充 電正 半 周 T2導(dǎo) 通 ， 則 已 充 電 的 電 容C通 過(guò) 負(fù) 載 R L放 電 。只 要 滿 足 RLC T信 ， 電 容 C就 可充 當(dāng) 原 來(lái) 的 VCC。計(jì) 算 Po、 PT、 PV和 PTm 的 公 式必 須 加 以 修 正 ， 以 VCC/2代 替 原 來(lái)公 式 中 的 VCC。 1、 實(shí) 際 電 路 1 35/46 7.4.2 甲 乙 類 單 電 源 互 補(bǔ) 對(duì) 稱 電 路（ 1） 靜 態(tài) 偏 置（ 2） 動(dòng) 態(tài) 工 作 情 況 調(diào) 整 R1、 R2阻 值的 大 小 ， 可 使 CCK 21VV 此 時(shí) 電 容 上 電 壓CCC 21VV 此 電 路 存 在 的 問(wèn) 題 ：輸 出 電 壓 正 方 向 變 化 的 幅 度 受 到 限 制 ， 達(dá) 不 到 VCC/2。2、 實(shí) 際 電 路 2推 動(dòng) 互 補(bǔ) 對(duì) 稱 電 路推 動(dòng) 互 補(bǔ) 對(duì) 稱 電 路 36/46 3、 實(shí) 際 電 路 3 帶 自 舉 電 路 的 單 電 源 功 放靜 態(tài) 時(shí) CCK 21VV C3充 電 后 ， 其 兩端 有 一 固 定 電 壓動(dòng) 態(tài) 時(shí)由 于 C 3很 大 ， 兩 端 電 壓 基 本 不 變 ， 使 D點(diǎn) 電 位 隨 輸 出 電 壓 升 高而 升 高 。 保 證 輸 出 幅 度 達(dá) 到 VCC/2,這 種 工 作 方 式 稱 為 自 舉 。 7.4.2 甲 乙 類 單 電 源 互 補(bǔ) 對(duì) 稱 電 路自 舉 電 路自 舉 電 路 37/46 38/46 R1 T1T2 +UCCR2D1D2 uoRFui R2R1 + + -UCC解 :電 壓 并 聯(lián) 負(fù) 反 饋 。 39/46 （ 1） 靜 態(tài) 電 流 Ic1、 Ic2；（ 2） 按 深 度 反 饋 計(jì) 算 電壓 放 大 倍 數(shù) ；（ 3） 計(jì) 算 最 大 不 失 真 的輸 出 電 壓 峰 值 和 輸入 電 壓 峰 值 ；（ 4） 計(jì) 算 不 失 真 最 大 輸出 功 率 和 效 率 。已 知 圖 示 電 路 中 各 三 極 管 的 均 為 60， VBE均 為 0.7v， 飽 和 壓 降VCES均 為 2V， 二 極 管 的 導(dǎo) 通 壓 降 為 0.7v， Vcc 24v.求練 習(xí) 2： 40/46 電 路 如 圖 所 示 ， 已 知 T1和 T2的 飽 和 管 壓 降 VCES 2V， 直 流功 耗 可 忽 略 不 計(jì) 。（ 3） 設(shè) 最 大 輸 入 電 壓 的 有 效 值 為 1V。 為 了 使 電 路 的 最 大 不 失真 輸 出 電 壓 的 峰 值 達(dá) 到 16V， 電 阻 R 6至 少 應(yīng) 取 多 少 千 歐 ？ 練 習(xí) 3：（ 1） R3、 R4和 T3的作 用 是 什 么 ？（ 2） 負(fù) 載 上 可 能 獲 得的 最 大 輸 出 功 率 Pom和電 路 的 轉(zhuǎn) 換 效 率 各為 多 少 ？ 41/46 練 習(xí) 4：已 知 T2和 T4管 的 飽 和 管 壓 降 VCES 2V， 靜 態(tài) 時(shí) 電 源 電 流可 忽 略 不 計(jì) 。(1)試 問(wèn) 負(fù) 載 上 可 能 獲 得 的 最 大輸 出 功 率 Pom和 效 率 各 為 多 少 ？(2)為 了 穩(wěn) 定 輸 出 電 壓 ， 減 小 非線 性 失 真 ， 請(qǐng) 通 過(guò) 電 阻 Rf在 圖所 示 電 路 中 引 入 合 適 的 負(fù) 反 饋 ；并 估 算 在 電 壓 放 大 倍 數(shù) 數(shù) 值 約為 10的 情 況 下 ， R F的 取 值 。 42/46 7.5 集 成 功 率 放 大 器一 . 功 放 管 的 二 次 擊 穿 一 次 擊 穿 ： 當(dāng) ce間 電 壓 增 大 到 一 定 數(shù) 值 ， 晶 體 管 將 產(chǎn) 生 擊 穿 現(xiàn) 象 ；二 次 擊 穿 ： 一 次 擊 穿 后 ， 集 電 極 電 流 加 大 ， 若 不 限 制 ， 晶 體 管 工 作 點(diǎn) 將 快 速 變 化 到 B點(diǎn) ， 電 流 劇 增 ， 管 壓 降 減 小 。 晶 體 管 二 次 擊 穿后 ， 性 能 將 明 顯 下 降 ， 甚 至 造 成 永 久 性 損 壞 ， 應(yīng) 避 免 。 43/46 二 . 功 放 管 的 散 熱 問(wèn) 題 熱 阻 的 概 念 :熱 在 物 體 中 傳 導(dǎo) 時(shí) 所 受 到 的 阻 力 ， 用 傳 遞 單 位 功 率 所 產(chǎn) 生 的 溫差 表 示 。 CMCMT P TTPTR aj RT:熱 阻 Tj:最 高 允 許 結(jié) 溫Ta:環(huán) 境 溫 度 PCM:最 大 允 許 耗 散 功 率 7.5 集 成 功 率 放 大 器