模電閻石第五版第九章功率放大電路.ppt

第九章功率放大電路 9 1功率放大電路概述 作用 用作放大電路的輸出級(jí) 以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 如使揚(yáng)聲器發(fā)聲 繼電器動(dòng)作 儀表指針偏轉(zhuǎn)等 定義 能夠向負(fù)載提供足夠信號(hào)功率的放大電路稱為功率放大電路 功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路 為了獲得大的輸出功率 必須使 輸出信號(hào)電壓大 輸出信號(hào)電流大 放大電路的輸出電阻與負(fù)載匹配 9 1功率放大電路概述 9 1 1功率放大電路的特點(diǎn) 一 主要技術(shù)指標(biāo) 1 最大輸出功率Pom 最大輸出功率Pom是在電路參數(shù)確定的情況下負(fù)載上可能獲得的最大交流功率 功率管處于大信號(hào)范圍工作 小信號(hào)等效電路分析法就不準(zhǔn)確了 所以在功率放大電路中一般采用圖解分析法進(jìn)行分析 2 轉(zhuǎn)換效率 功率放大電路的最大輸出功率Pom與電源所提供的直流功率PV之比稱為轉(zhuǎn)換效率 一 主要技術(shù)指標(biāo) 9 1 1功率放大電路的特點(diǎn) 在輸出功率一定條件下 減小直流電源的功耗 可以提高電路的效率 設(shè)直流電源提供的直流功率為PE 交流輸出功率為Po 集電極損耗功率為PC 則PE Po PC 二 功率放大電路中的晶體管 9 1 1功率放大電路的特點(diǎn) 1 晶體管集電極電流最大時(shí)接近ICM 最大集電極電流 2 管壓降最大時(shí)接近U BR CEO c e間能承受的最大管壓降 3 耗散功率最大時(shí)接近PCM 集電極最大耗散功率 在功率放大電路中 為使輸出功率盡可能大 要求晶體管工作在盡限應(yīng)用狀態(tài) 為保證管子安全工作 在選擇功放管時(shí) 要注意極限參數(shù)的選擇 三 功率放大電路的分析方法 9 1 1功率放大電路的特點(diǎn) 功率放大電路的輸出電壓和輸出電流幅值均很大 功放管特性的非線性不可忽略 在分析功放電路時(shí) 不能采用僅使用于小信號(hào)的交流等效電路法 而應(yīng)采用圖解法 由于功放的輸入信號(hào)較大 輸出波形容易產(chǎn)生非線性失真 電路中應(yīng)采用適當(dāng)方法改善輸出波形 如引入交流負(fù)反饋 1 電壓放大電路 任務(wù) 使負(fù)載上獲得盡可能大的不失真的電壓信號(hào) 三極管工作狀態(tài) 小信號(hào)分析方法 微變等效電路 2 功率放大電路 任務(wù) 在允許的失真限度內(nèi)盡可能地向負(fù)載提供足夠大的功率 三極管工作狀態(tài) 大信號(hào)分析方法 圖解法 四 功率功率放大電路與電壓放大電路的比較 9 1 2功率放大電路的組成 一 對(duì)功率放大電路的要求 1 輸出功率盡可能大 即在電源電壓一定的情況下 最大不失真輸出電壓最大 2 效率盡可能高 即電路損耗的直流功率盡可能小 靜態(tài)時(shí)功放管的集電極電流近似為0 9 1 2功率放大電路的組成 二 為什么共射放大電路不宜用作功率放大電路 二 為什么共射放大電路不宜用作功率放大電路 輸出功率和效率的圖解分析 RL越小 交流負(fù)載線效率越陡 輸出功率越小 效率越低 不易用作功率放大電路 如何解決效率低的問題 辦法 去掉Rc 降低Q點(diǎn) 既降低Q點(diǎn)又不會(huì)引起截止失真的辦法 采用推挽輸出電路 或互補(bǔ)對(duì)稱射極輸出器 缺點(diǎn) 但又會(huì)引起截止失真 輸出功率和效率的圖解分析 9 1 2功率放大電路的組成 甲類方式 晶體管在信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)均處于導(dǎo)通狀態(tài)管子的導(dǎo)通角為360o管耗大 效率低 不會(huì)產(chǎn)生交越失真 2 乙類方式 晶體管僅在信號(hào)的半個(gè)周期處于導(dǎo)通狀態(tài)管子的導(dǎo)通角為180o管耗小 效率高 容易產(chǎn)生交越失真 3 甲乙類方式 晶體管在信號(hào)的多半個(gè)周期處于導(dǎo)通狀態(tài)管子導(dǎo)通角為180o 360o之間 提高效率還解決了交越失真問題 三 晶體管的工作方式 1 變壓器耦合功率放大電路 單管甲類電路 四 功率放大電路的種類 變壓器原邊線圈電阻忽略不計(jì) 所以直流負(fù)載線是垂直于橫軸且過 Vcc 0 的直線 從變壓器原邊向負(fù)載看的交流等效電阻為 1 變壓器耦合功率放大電路 如圖 在理想變壓器的情況下 最大輸出交流功率為 由于電源提供的功率不變 輸入電壓愈大 ic幅值愈大 負(fù)載獲得的功率就愈大 管子的損耗就愈小 因而轉(zhuǎn)換效率也就愈高 2 變壓器耦合乙類推挽功率放大電路 圖9 1 3乙類推挽功率放大電路 通常希望輸入信號(hào)為零時(shí) 電源不提供功率 輸入信號(hào)愈大 負(fù)載獲得的功率愈大 電源提供的功率也隨之增大 從而提高效率 設(shè)計(jì)思想 輸入信號(hào)為零時(shí) 應(yīng)使管子處于截止?fàn)顟B(tài) 為使負(fù)載上能夠獲得正弦波 采用兩只管子 在信號(hào)的正負(fù)半周交替導(dǎo)通 2 變壓器耦合乙類推挽功率放大電路 信號(hào)的正半周T1導(dǎo)通 T2截止 負(fù)半周T2導(dǎo)通 T1截止 兩只管子交替工作 稱為 推挽 負(fù)載上可獲得正弦波 從而獲得交流功率 3 無輸出變壓器的功率放大電路 OTL 因變壓器耦合功放的缺點(diǎn) 體積龐大 笨重 故選用無輸出變壓器的功率放大電路 簡(jiǎn)稱OTL電路 用一個(gè)大容量電容取代了變壓器 T1為NPN型管 T2為PNP型管 它們的特性對(duì)稱 圖9 1 4OTL電路 3 無輸出變壓器的功率放大電路 圖9 1 4OTL電路 輸入電壓的正半周 VCC T1 C RL 地C充電 uo ui 輸入電壓的負(fù)半周 C的 T2 地 RL C的 C放電 uo ui C足夠大 才能認(rèn)為其對(duì)交流信號(hào)相當(dāng)于短路 OTL電路低頻特性差 4 無輸出電容的功率放大電路 OCL 電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1 由NPN型 PNP型三極管構(gòu)成兩個(gè)對(duì)稱的射極輸出器對(duì)接而成 2 雙電源供電 3 輸入輸出端不加隔直電容 圖9 1 5OCL電路 輸入電壓的正半周 VCC T1 RL 地 輸入電壓的負(fù)半周 地 RL T2 VCC 兩只管子交替導(dǎo)通 兩路電源交替供電 雙向跟隨 這種工作方式稱為 互補(bǔ) 工作方式 靜態(tài)時(shí) UEQ UBQ 0 4 無輸出電容的功率放大電路 OCL 5 橋式推挽功率放大電路 BTL 圖9 1 6BTL電路 為了實(shí)現(xiàn)單電源供電 且不用變壓器和大電容 可采用橋式推挽功率放大電路 簡(jiǎn)稱BTL電路 四只管子特性對(duì)稱 靜態(tài)時(shí) 均處于截止?fàn)顟B(tài) 負(fù)載上電壓為零 輸入電壓的正半周 VCC T1 RL T4 地 輸入電壓的負(fù)半周 VCC T2 RL T3 地 是雙端輸入 雙端輸出形式 輸入信號(hào) 負(fù)載電阻均無接地點(diǎn) 管子多 損耗大 使效率低 幾種功率放大電路的比較 變壓器耦合乙類推挽 單電源供電 笨重 效率低 低頻特性差 OTL電路 單電源供電 低頻特性差 OCL電路 雙電源供電 效率高 低頻特性好 BTL電路 單電源供電 低頻特性好 雙端輸入雙端輸出 9 2互補(bǔ)功率放大電路 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 9 2 1OCL電路的組成及工作原理 一 電路組成 設(shè)ui為正弦波 圖9 1 5OCL電路 動(dòng)態(tài)分析 因此 不需要隔直電容 靜態(tài)分析 ui 0V T1 T2均不導(dǎo)通uo 0V T1 T2兩個(gè)晶體管都只在半個(gè)周期內(nèi)工作的方式 稱為乙類放大 提高了效率 但產(chǎn)生了交越失真 9 2 1OCL電路的組成及工作原理 圖9 1 5OCL電路 消除失真的方法 設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn) 信號(hào)在零附近兩只管子均截止 對(duì)于負(fù)載能否得到一個(gè)完整的正弦波 開啟電壓 9 2 1OCL電路的組成及工作原理 二 工作原理 圖9 2 1消除交越失真的OCL電路 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?qū)▔航?致使兩管均處于微弱導(dǎo)通狀態(tài) 甲乙類工作狀態(tài) 電路中增加R1 R2 D1 D2 R3支路 動(dòng)態(tài)時(shí) 設(shè)ui加入正弦信號(hào) D1 D2 R3的動(dòng)態(tài)電阻均忽略 正半周UBE1 0 7v使T1進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)UBE2 0 7v使T2截止負(fù)半周T1截止 T2進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài) 即使ui很小 總能保證至少有一只管子導(dǎo)通 因而消除了交越失真 圖9 2 2T1和T2管在ui作用下的輸入特性的圖解分析 9 2 1OCL電路的組成及工作原理 三 圖解分析 正半周 主要是T1發(fā)射極驅(qū)動(dòng)負(fù)載負(fù)半周 主要是T2發(fā)射極驅(qū)動(dòng)負(fù)載兩管的導(dǎo)通時(shí)間都比輸入信號(hào)的半個(gè)周期長(zhǎng)即在信號(hào)電壓很小時(shí) 兩只管子同時(shí)導(dǎo)通因而它們工作在甲乙類狀態(tài) 消除了交越失真 9 2 2OCL電路的輸出功率及效率 功率放大電路最重要的技術(shù)指標(biāo)是電路的最大輸出功率POM及效率 在已知RL的情況下 先求出Uom 則 當(dāng)輸入電壓足夠大 且又不產(chǎn)生飽和失真時(shí) 可求Uom 9 2 2OCL電路的輸出功率及效率 電源的平均功率 最大輸出功率 電源VCC提供的電流 轉(zhuǎn)換效率 大功率管的UCES常為2 3V 9 2 3OCL電路中晶體管的選擇 在功率放大器中 應(yīng)根據(jù)晶體管所承受的最大管壓降 集電極最大電流和最大功耗來選擇晶體管 設(shè)輸入信號(hào)正半周 T1導(dǎo)通 T2截止當(dāng)ui從0逐漸增大時(shí) T1和T2的發(fā)射結(jié)電位uE從0增大到VCC UCES1 此時(shí)T2管壓降為 同理 輸入信號(hào)負(fù)半周時(shí) T1管承受最大管壓降為 考慮留有一定的余量 管子所承受的最大管壓降 一 最大管壓降 二 集電極最大電流 9 2 3OCL電路中晶體管的選擇 從電路最大輸出功率的分析可知 晶體管的發(fā)射極電流等于負(fù)載電流 負(fù)載電阻上的最大電壓為VCC UCES1 故集電極電流的最大值 考慮留有一定的余量 三 集電極最大功耗 9 2 3OCL電路中晶體管的選擇 在功率放大電路中 電源提供的功率 除了轉(zhuǎn)換成輸出功率外 其余部分主要消耗在晶體管上 可以認(rèn)為晶體管所消耗的功率 當(dāng)輸入電壓為0 輸出功率最小時(shí) 因集電極電流最小 故管子功耗很小 當(dāng)輸入電壓最大 輸出功率最大時(shí) 因管壓降最小 故管子損耗也很小 PT對(duì)UOM求導(dǎo) 令dPT dUOM 0 可得 管子功耗與輸出電壓峰值的關(guān)系為 三 集電極最大功耗 管壓降和集電極電流瞬時(shí)值的表達(dá)式分別為 將UOM代入PT的表達(dá)式 可得 9 2 3OCL電路中晶體管的選擇 選擇晶體管時(shí) 其極限參數(shù) 優(yōu)點(diǎn) 電路省掉大電容 改善了低頻響應(yīng) 又有利于實(shí)現(xiàn)集成化 缺點(diǎn) 三極管發(fā)射極直接連到負(fù)載電阻上 若靜態(tài)工作點(diǎn)失調(diào)或電路內(nèi)元器件損壞 將造成一個(gè)較大的電流長(zhǎng)時(shí)間流過負(fù)載 造成電路損壞 實(shí)際使用的電路中常常在負(fù)載回路接入熔斷絲作為保護(hù)措施 OCL電路的優(yōu)缺點(diǎn) 例9 2 1 在所式的電路中 已知VCC 15v 輸入電壓為正弦波 晶體管的飽和管壓降 VCES 3v 電壓放大倍數(shù)約為1 負(fù)電阻RL 4 1 求解負(fù)載上可能獲得的最大功率和效率 2 若輸入電壓最大有效值為8V 則負(fù)載上能夠獲得的最大功率為多少 3 若T1管集電極和發(fā)射極短路 則將產(chǎn)生什么現(xiàn)象 解 1 最大輸出功率 轉(zhuǎn)換效率 例9 2 1 在所式的電路中 已知VCC 15v 輸入電壓為正弦波 晶體管的飽和管壓降 VCES 3v 電壓放大倍數(shù)約為1 負(fù)電阻RL 4 1 求解負(fù)載上可能獲得的最大功率和效率 2 若輸入電壓最大有效值為8V 則負(fù)載上能夠獲得的最大功率為多少 3 若T1管集電極和發(fā)射極短路 則將產(chǎn)生什么現(xiàn)象 3 T2管靜態(tài)管壓降為2VCC iC過大 使管子因功耗過大而損壞 功率放大電路的最大輸出功率除了決定于功放自身的參數(shù)外 還于輸入電壓是否足夠大有關(guān) 例9 2 2 如圖 負(fù)載電阻為8 設(shè)晶體管飽和管降壓 UCES 2V 試問 1 若負(fù)載所需最大功率為16W 電源電壓至少應(yīng)取多少伏 2 若電源電壓取20V 則晶體管的最大集電極電流 最大管降壓和集電極最大功耗各為多少 解 1 根據(jù)最大輸出功率 可求出電源電壓 例9 2 2 如圖 負(fù)載電阻為8 設(shè)晶體管飽和管降壓 UCES 2V 試問 1 若負(fù)載所需最大功率為16W 電源電壓至少應(yīng)取多少伏 2 若電源電壓取20V 則晶體管的最大集電極電流 最大管降壓和集電極最大功耗各為多少 解 2 互補(bǔ)功率放大電路 小結(jié) 無輸出電容形式 OCL電路 優(yōu)點(diǎn) 1 電路省掉大電容 改善了低頻響應(yīng) 又有利于實(shí)現(xiàn)集成化 2 兩只管子互補(bǔ)工作方式 屬于甲乙類功放 消除了交越失真 參數(shù)計(jì)算 最大輸出功率 效率 最大集電極電流 最大管降壓和集電極最大功耗 9 3功率放大電路的安全運(yùn)行 在功率放大電路中 功放管既要流過大電流 又要承受高電壓 只有功放管的工作狀態(tài)不超過其極限值 電路才能正常工作 所謂功率放大電路的安全運(yùn)行 實(shí)際上就是要保證功放管的安全工作 在實(shí)用電路中 常加保護(hù)措施 本節(jié)簡(jiǎn)單介紹 功放管的二次擊穿和散熱問題 9 3 1功放管的二次擊穿 圖9 3 1晶體管的擊穿現(xiàn)象 一次擊穿 當(dāng)c e之間電壓增大到一定數(shù)值時(shí) 晶體管將產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象 IB愈大 擊穿電壓愈低 二次擊穿 晶體管在一次擊穿后 集電極電流會(huì)驟然增大 此時(shí)電流猛增 而管降壓卻減小 管子性能下降 易造成永久損壞 二次擊穿臨界點(diǎn)曲線 9 3 1功放管的二次擊穿 圖9 3 1晶體管的擊穿現(xiàn)象 避免二次擊穿措施 防止晶體管的一次擊穿 并限制其集電極電流 在功放管的c e間加穩(wěn)壓管 就可防止其一次擊穿 9 3 2功放管的散熱問題 電源供給的功率 一部分轉(zhuǎn)換為負(fù)載的有用功率 另一部分則消耗在功率管的集電結(jié)上 變?yōu)闊崮芏构苄镜慕Y(jié)溫上升 如果晶體管管芯的溫度超過管芯材料的最大允許結(jié)溫Tj iC將急劇增加 晶體管將永久損壞 耗散功率等于結(jié)溫在允許值時(shí)集電極電流與管壓降之積 管子的功耗愈大 結(jié)溫愈高 改善功放管的散熱條件 散熱條件越好 熱量散發(fā)越快 管芯的結(jié)溫上升將越小 允許的最大耗散功率將增大 從而提高輸出功率 9 3 2功放管的散熱問題 定義 熱的傳導(dǎo)路徑稱為熱路 描述熱傳導(dǎo)阻力大小的物理量稱為熱阻RT RT的量綱為 W 它表示每消耗1W功率結(jié)溫上升的度數(shù) 一 熱阻的概念 比例系數(shù)RT稱為熱阻 同樣功耗下 熱阻越大 結(jié)溫升越大 結(jié)溫 環(huán)境溫度 集電結(jié)功耗 二 熱阻的估算 散熱的途徑有兩條 管芯到外殼 再經(jīng)外殼到環(huán)境 J C A管芯到外殼 再經(jīng)散熱片到環(huán)境 J C S A 熱傳導(dǎo)阻力等效通路 二 熱阻的估算 1 在小功率放大電路中 放大管一般不加散熱器 故晶體管的等效熱阻為RT Rjc Rca 2 在大功率放大電路中 功放管一般均加散熱器 由于Rcs Rsa Rca 故RT Rjc Rcs Rsa 不同型號(hào)的管子Rjc不同 如3AD30的Rjc為1 C W而3DG7的Rjc卻大于150 C W 可見其差別很大 Rca與外殼所用材料和幾何尺寸有關(guān) 三 功放管的散熱器 圖9 3 3兩種散熱器 經(jīng)驗(yàn)表明 當(dāng)散熱器垂直或水平放置時(shí) 有利于通風(fēng) 故散熱效果好 散熱器表面鈍化涂黑 有利于熱輻射 從而可以減小熱阻 9 4集成功率放大電路 特點(diǎn) 工作可靠 使用方便 只需在器件外部外接電容或適當(dāng)連線 即可向負(fù)載提供一定的功率 集成功放LM386 生產(chǎn)廠家 美國半導(dǎo)體器件公司 電路特點(diǎn) 具有功耗低 電壓增益可調(diào)整 電源電壓范圍大 外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn) 封裝形式 塑封8引腳雙列直插式和貼片式 應(yīng)用領(lǐng)域 廣泛應(yīng)用于錄音機(jī) 收音機(jī) 對(duì)講機(jī) 方波發(fā)生器和正弦波振蕩器等低電壓消費(fèi)類產(chǎn)品中 電路形式 OTL 一 LM386內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖9 4 1LM386內(nèi)部電路原理圖 一 LM386內(nèi)部結(jié)構(gòu) 第一級(jí)為差分放大電路 T1和T3 T2和T4分別構(gòu)成復(fù)合管 作為差分放大電路的放大管 T5和T6組成鏡像電流源作為T1和T2的有源負(fù)載 電路為雙端輸入單端輸出差分放大電路 一 LM386內(nèi)部結(jié)構(gòu) 第二級(jí)為共射放大電路 T7為放大管 恒流源作有源負(fù)載 以增大放大倍數(shù) 一 LM386內(nèi)部結(jié)構(gòu) 第三級(jí)中的T8和T9管復(fù)合成PNP型管 與NPN型管T10構(gòu)成準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí) 二極管D1和D2為輸出級(jí)提供合適的偏置電壓 可以消除交越失真 電阻R7從輸出端連接到T2的發(fā)射極 形成反饋通路 并與R5和R6構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò) 從而引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋 二 LM386的引腳圖 圖9 4 2LM386的外形和引腳的排列 引腳2為反相輸入端引腳3為同相輸入端 電路由單電源供電 為OTL電路 引腳6和4分別為電源和地 引腳5 輸出端應(yīng)外接隔直 耦合 電容后再接負(fù)載 引腳1和8為電壓增益設(shè)定端 引腳7和地之間接旁路電容 三 集成OTL電路應(yīng)用 圖9 4 3LM386外接元件最少的用法 LM386的一種基本用法 外接元件最少 引腳1和8為懸空狀態(tài) 此時(shí)電壓增益內(nèi)置為20 若要調(diào)節(jié)電壓增益 可在1和8引腳之間增加外接電阻和電容 LM386靜態(tài)功耗低 這使得它適用于電池供電的場(chǎng)合 本章小結(jié) 1 功率放大電路的定義 作用 分類 2 互補(bǔ)功率放大電路 電路中采用NPN PNP兩支晶體管 使兩只管子工作在微導(dǎo)通狀態(tài) 甲乙類工作狀態(tài) 消除了交越失真 提高了電源的效率 OCL電路 3 集成功放LM386