《模擬電子電路》PPT課件

4.5 功 率 輸 出 級(jí) 電 路 休 息 1 休 息 2 返 回 4.5.1 功 率 放 大 器 的 特 點(diǎn) 、 指 標(biāo) 和 分 類4.5.2 互 補(bǔ) 推 挽 乙 類 功 率 放 大 器4.5.3 其 他 乙 類 推 挽 功 率 放 大 器4.5.4 MOS輸 出 級(jí) 電 路4.5.5 達(dá) 林 頓 組 態(tài) 4.5.1 功 率 放 大 器 的 特 點(diǎn) 、 指 標(biāo) 和 分 類 休 息 1 休 息 2 返 回 1. 功 放 的 特 點(diǎn) 和 指 標(biāo)(1) 功 率 放 大 器 的 基 本 任 務(wù) 是 向 額 定 的 負(fù) 載 RL， 輸 出 額 定 的 “ 不 失 真 ”信 號(hào) 功 率 。 (2) 要 求 電 源 提 供 的 直 流 功 率 盡 可 能 地 轉(zhuǎn) 換 為 負(fù) 載 上 的 信 號(hào) 功 率 ， 而 其他 各 種 耗 散 功 率 （ 如 管 子 、 電 阻 以 發(fā) 熱 的 形 式 消 耗 的 功 率 ） 應(yīng) 盡 可 能 的少 。 定 義 功 率 放 大 器 的 效 率 為 ： EoPP電 源 提 供 的 平 均 總 功 率輸 出 信 號(hào) 的 平 均 功 率通 常 把 晶 體 管 耗 散 功 率 和 電 路 的 損 耗 功 率 統(tǒng) 稱 為 耗 散 功 率 PT， 根 據(jù) 能量 守 恒 的 原 則 有 ： PE = Po+PT ， 所 以 功 率 放 大 器 的 效 率 也 可 表 示 為 ： Po (Po +PT)。 (3) 非 線 性 失 真 的 大 小 可 以 用 非 線 性 失 真 系 數(shù) D來 衡 量 。 2om12om32om22om12 3o2 2o1o 3o2oD UUUIIIPPP mm (4) 功 放 中 的 晶 體 管 往 往 工 作 在 接 近 極 限 參 數(shù) 狀 態(tài) ， 需 要 合 理 選 擇 功 放的 電 源 電 壓 ， 合 理 選 擇 工 作 點(diǎn) 使 其 安 全 工 作 。(5) 由 于 功 放 電 路 工 作 在 大 信 號(hào) 狀 態(tài) ， 已 不 屬 于 線 形 電 路 的 范 圍 ， 不 能用 微 變 等 效 電 路 的 分 析 方 法 ， 通 常 采 用 圖 解 法 作 粗 略 估 算 。 飽 和 區(qū)放 大 區(qū)2. 功 率 放 大 器 工 作 狀 態(tài) 的 分 類 截 止 區(qū)ci BEu(1) 甲 （ A） 類 工 作 狀 態(tài)在 輸 入 信 號(hào) 的 整 個(gè) 周 期 內(nèi) 晶 體 管 始 終 工 作在 線 性 放 大 區(qū) 域 。 飽 和 區(qū) ci BEu截 止 區(qū) 靜 態(tài) 工 作 點(diǎn) 設(shè) 置 在 放 大 區(qū) 內(nèi) ， 但 接 近 截 至 區(qū) ， 在 信 號(hào) 的 大 半 周 期 內(nèi) 三 極 管 導(dǎo) 通 ， 導(dǎo) 通 角 1800 飽 和 區(qū)ci截 止 區(qū) BEu飽 和 區(qū) 截 止 區(qū) BEuci QQQ Q 3. 甲 類 放 大 器 的 輸 出 功 率 電 路 仿 真 返 回 （ 1） 電 源 提 供 的 平 均 功 率 PE為（ 2） 電 路 可 能 的 最 大 交 流 輸 出 功 率 POmaxcemcmcemcmomax 2122 UIUIP 最 大 不 失 真 輸 出 電 壓 、 電 流 的 幅 度 CCESCcem 2121 EUEU CQCEOCQcm IIII CQComax 41 IEP （ 3） 甲 類 功 放 的 最 大 效 率 為25.041Eomacmax PP 4.5.2 互 補(bǔ) 推 挽 乙 類 功 u iic1ic2io =ic1+ic2 電 路 仿 真 返 回 1. 電 路 構(gòu) 成 及 工 作 原 理 （ 1） 電 路 組 成（ 2） 工 作 原 理 分 析 ： i o=ic1+ic2 1. 電 路 構(gòu) 成 及 工 作 原 理 死 區(qū) 跟隨區(qū)飽 和 區(qū) 飽 和 區(qū)跟隨區(qū) ou iu電 路 仿 真Uon1Uon2 返 回 =ic1+ic2 1. 電 路 構(gòu) 成 及 工 作 原 理 電 路 仿 真返 回休 息 2休 息 1 AD =ic1+ic22. 乙 類 互 補(bǔ) 推 挽 放 大 器 的 圖 解 分 析 omIomU Q （ 1） 輸 出 功 率 ： 休 息 2休 息 1電 路 仿 真EC1/ RLUCES 返 回 ce u ic2 ic1 （ 2） 單 管 最 大 平 均 管 耗 PT1max 休 息 2休 息 1 返 回 （ 3） 直 流 電 源 供 給 的 功 率 PE （ 4） 效 率 休 息 2休 息 1 返 回 （ 5） 最 大 平 均 管 耗 與 最 大 輸 出 功 率 的 關(guān) 系 以 上 的 結(jié) 論 是 傳 統(tǒng) 觀 點(diǎn) ， 只 對(duì) 非 直 接 耦 合 功 放 適 合 。 但當(dāng) 信 號(hào) 變 化 較 為 緩 慢 時(shí) ， 特 別 對(duì) 于 含 有 低 頻 的 直 接 耦 合 功 放（ 或 集 成 功 放 ） 來 說 ， 應(yīng) 該 考 慮 它 的 瞬 時(shí) 最 大 管 耗 即 最 大 可能 管 耗 P Cmax 。 休 息 2休 息 1返 回 由 于 單 管 VT1的 瞬 時(shí) 功 耗 為 ： Pc= uCEic= (EC-icRL ) ic = ECic -ic2 RL令 dPc / dic= 0, 可 求 得 當(dāng) ic=EC/2RL 時(shí) ， 單 管 最 大 可 能 管 耗 為 所 以 PCmax=EC2 / 2RL-EC2 / 4RL=EC2 / 4RL所 以 有 : PCmax = 0.5Pomax 1.變 壓 器 耦 合 推 挽 功 放4.5.3 其 他 乙 類 推 挽 功 率 放 大器 返 回休 息 2休 息 1 （ 負(fù) 載 折 合 到 初 級(jí) 繞 組 上 半 部 分 的 等 效 電 阻 ） u1/ic1 =(N1/N2 )2 uL / iL 而 u1/ ic1=RL； uL /iL= RL RL=(N1 / N2)2RL uiui1ui2iC1i C2iL 1. 變 壓 器 耦 合 乙 類 推 挽 功 放 返 回休 息 2休 息 1 電 路 仿 真 2 單 電 源 互 補(bǔ) 推 挽 功 放 只 使 用 一 個(gè) 電 源 EC的 NPNPNP互 補(bǔ)推 挽 功 放 ， 簡(jiǎn) 稱 OTL功 放 。 OTL功 放 與 OCL功 放 分 析 方 法 相 同 。 只 要 用 EC 2取 代 關(guān) 公 式(4-123)、 (4-126)、 (4-133)中 的 EC ， 就 可 得 OTL功 放 的 各 類 指 標(biāo) 。 VT1、 R1 、 R2和 Rc 、 Re為 前 置 放 大 器 ； R 、 VD1、 VD2為 VT2和 VT3基 極 提 供 偏置 。 負(fù) 載 RL串 聯(lián) 的 大 電 容 C具 有 隔 直 功 能 ，靜 態(tài) 時(shí) C被 充 電 至 EC 2。 當(dāng) 輸 入 信 號(hào) 時(shí) ， 由 于 大 電 容 C上 的 電壓 維 持 EC 2不 變 ， 使 得 VT2和 VT3的 CE回 路 的 等 效 電 源 都 是 EC 2 。 電 路 仿 真 OTL功 放 電 源 供 電 的 物 理 過 程 是 ： VT3導(dǎo) 通 時(shí) ， C經(jīng) VT3和 RL回 路 放 電 形 成 電 流 ic3，電 容 儲(chǔ) 能 減 小 ； VT2導(dǎo) 通 時(shí) EC供 電 ， 形 成 回路 電 流 ic2， 同 時(shí) 對(duì) 電 容 C充 電 儲(chǔ) 能 ； 流 過 RL的 電 流 應(yīng) 該 是 ic2與 ic3的 合 成 。 4.5.4 MOS輸 出 級(jí) 電 路1 . MOS源 極 輸 出 電 路 其 中 VT1為 共 漏 極 放 大 管 或 稱 源 極 跟 隨 器 ，VT2漏 極 與 柵 極 間 短 路 ， 相 當(dāng) 有 源 負(fù) 載 。 ubs1= uds1= -uo， ubs2=0， ugs2= uds2=uo， 于 是 低頻 小 信 號(hào) 微 變 等 效 電 路 如 圖 （ b） 所 示 。 小 信 號(hào)電 壓 增 益 可 以 表 示 為 m2mb1m1 m1 ds2ds1m2mb1m1 m1u ggg g ggggg g A m2mb1m1ds2ds1m2mb1m1o ggg 1ggggg 1 r ogs1 oiou uu uuuA ds2ds1m2mb1 gs1m1o gggg ugu 2. CMOS互 補(bǔ) 輸 出 級(jí) 電 路 源 隨 器 的 優(yōu) 點(diǎn) 是 電 路 簡(jiǎn) 單 ， 輸 出 阻 抗 低 ， 失 真 小 ， 缺 點(diǎn) 是效 率 低 ， 且 在 接 負(fù) 載 時(shí) 正 負(fù) 輸 出 擺 幅 不 對(duì) 稱 （ 正 峰 值 電 壓 遠(yuǎn) 小于 ED） 。 在 CMOS集 成 電 路 中 ， 常 見 的 輸 出 級(jí) 有 工 作 于 甲 乙 類的 互 補(bǔ) 輸 出 級(jí) 。 甲 乙 類 互 補(bǔ) 輸 出 級(jí) 的 效 率 高 ， 負(fù) 載 能 力 強(qiáng) ， 適用 于 CMOS工 藝 。 （ 1） 共 漏 CMOS互 補(bǔ) 輸 出 級(jí) （ 1） 共 漏 CMOS互 補(bǔ) 輸 出 級(jí) 偏 置 電 壓 UBIAS給 VT1和 VT2提 供 柵 源 偏 置 ， 以 確 定 VT1和 VT2的 靜 態(tài) 偏置 電 流 ， 使 VT1， VT2偏 置 在 甲 乙 類 工 作 狀 態(tài) ， 以 消 除 交 越 失 真 。 圖 (b)示 出 了 實(shí) 際 電 路 ， VT3， VT4是 VT1和 VT2的 偏 置 電 路 ， 使 VT1，VT2偏 置 在 甲 乙 類 工 作 狀 態(tài) ， VT5、 VT6組 成 CMOS推 動(dòng) 放 大 級(jí) ， 其 中 VT5是 NMOS放 大 管 ， 而 VT6是 PMOS管 作 為 M5的 有 源 負(fù) 載 。 主 要 缺 點(diǎn) 是 輸 出 電 壓 幅 度 Uom 不 夠 大 ， 因 Uom可 簡(jiǎn) 單 的 決 定 于 正 、 負(fù) 電源 電 壓 減 去 VT1和 VT2的 UGS(th)， 由 于 體 效 應(yīng) ， 閾 值 電 壓 UGS(th)會(huì) 增 加 ， 限制 了 輸 出 幅 度 ， 當(dāng) UGS(th)的 值 較 大 時(shí) Uom 就 減 少 。 (2) 共 源 CMOS互 補(bǔ) 輸 出 電 路 PMOSFET VT1和 NMOSFET VT2構(gòu) 成 的 共 源 CMOS互 補(bǔ) 輸 出 電 路 ， VT1和 VT2的 源 極 與 襯 底 均 短 接 。 VT3為 源 極 跟 隨 器 ， VT4為 恒 流 源作 為 VT3的 有 源 負(fù) 載 。 VT1的 柵 源 偏 壓 UGS1取 決 于 UG3與ED之 差 ， VT2的 柵 源 偏 壓 UGS2取 決 于U G2與 -ES之 差 ， 適 當(dāng) 設(shè) 計(jì) UGS1和 UGS2可使 VT1、 VT2的 靜 態(tài) 電 流 ID1和 ID2很 低 ，工 作 在 甲 乙 類 狀 態(tài) 。 輸 入 正 極 性 電 壓 時(shí) ， VT3 的 iD3增 加 ， uS3= uG2增 加 ， 所 以 VT2的 iD2隨 之 增加 ； 同 時(shí) ， 由 于 uG3= uG1， 所 以 uGS1減 小 ， 導(dǎo) 致 VT1的 iD1減 小 ； 使 得 RL上 電 壓uo向 負(fù) 值 方 向 增 加 。 同 理 ， 當(dāng) 輸 入 負(fù) 極 性 電 壓 時(shí) ， VT1的 iD1增 加 ， 同 時(shí) iD2、iD3均 減 少 ， 直 到 為 零 ， RL上 電 壓 uo向 正 值 方 向 增 加 。 共 源 CMOS互 補(bǔ) 輸 出 電路 有 一 定 的 電 壓 增 益 ， 而 且 可 輸 出 較 大 的 負(fù) 向 電 壓 幅 度 ， 但 其 輸 出 電 阻 較 大 。 4.5.5 達(dá) 林 頓 組 態(tài) (1) 達(dá) 林 頓 組 態(tài) 的 基 本 電 路 結(jié) 構(gòu) 休 息 2休 息 1返 回b1c1 ii c1e1b2 iii b21b22c2 iii b21 b21b1c2c1c i iiiii 4.5.5 達(dá) 林 頓 組 態(tài) 休 息 2休 息 1返 回 等 效 值 高 是 復(fù) 合 管 的 優(yōu) 點(diǎn) ， 采 用 復(fù) 合 管 可 以 獲 得 很 高 的 電流 放 大 倍 數(shù) 。 但 復(fù) 合 管 的 等 效 穿 透 電 流 也 較 大 ， 工 作 點(diǎn) 熱 穩(wěn) 定性 較 差 。 因 而 在 集 成 電 路 中 ， 常 在 復(fù) 合 管 內(nèi) 接 分 流 電 阻 或 分 流恒 流 源 來 改 善 其 性 能 4.5.5 達(dá) 林 頓 組 態(tài)(2) 復(fù) 合 管 的 構(gòu) 成 條 件 和 特 點(diǎn) ： 休 息 2休 息 1返 回 ECE E （ 3） 復(fù) 合 管 的 應(yīng) 用 ：常 用 于 輸 出 級(jí) ， 下 圖 為 用 達(dá) 林 頓 管 構(gòu) 成 的 CC CC放 大 電 路 。 + ou _ Ri 繼 續(xù)休 息 2休 息 1 ib1 電 路 仿 真 1電 路 仿 真 2 返 回ie2 io ie1=ib2 Ro