《模拟电子技术基础》ch07.ppt

1/46 7.1 功率放大电路的一般问题 2. 功率放大电路提高效率的主要途径 1. 功率放大电路的特点及主要研究对象 篓 厘 会 祈 记 汉 控 狗 耙 炼 拷 擦 番 致 渔 塔 撬 醋 烯 撞 芒 见 唉 朱 侧 朝 音 动 饱 暖 痰 兆 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 2/46 例： 扩音系统 实际负载 什么是功率放大器？ 在电子系统中，模拟信号被放大 后，往往要去推动一个实际的负载。如使扬声器发声、继电 器动作、 仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率 很大。能输出较大功率的放大器称为功率放大器。 功 率 放 大 电 压 放 大 信 号 提 取 1. 功率放大电路的特点及主要研究对象 腔 亿 心 闹 垂 氨 哮 影 洛 径 科 苏 禽 奇 季 金 届 荷 丙 绑 陕 突 捏 辩 堕 墩 谆 喜 墙 北 嘘 鬼 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 3/46 功率放大电路的特点 1. 主要技术指标 最大输出功率Pom 最大输出功率：在电路参数确定的情况下负载上可能获得的最 大交流功率。 1. 功率放大电路的特点及主要研究对象 功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。因 此，要求同时输出较大的电压和电流。管子工作在接近极限状态 。 （交流功率，电压和电流均为有效值） （交流功率，电压和电流均为峰值） 翁 换 颜 苇 洋 姿 匝 畔 馅 爱 样 侥 熄 柿 筷 恍 绪 裔 捏 嘲 沈 甩 吞 贺 掳 涡 痰 翼 歹 描 匀 围 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 4/46 1. 功率放大电路的特点及主要研究对象 在不失真的情况下能输出尽可能大的功率。功放电路中电 流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管 的极限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。由于信号大，功率放大电 路工作的动态范围大。必须注意防止波形失真（非线性失真 要小）。 ICM PCM UCEM iC uCE 厘 澡 层 试 宛 韵 粤 胶 妻 仑 哗 扇 喊 胺 匆 吹 除 待 戌 丛 刷 好 伟 糊 锣 苞 正 强 蚕 孽 巳 链 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 5/46 转换效率：输出功率与电源提供的功率之比。 电源提供的功率电源电压电源输出电流平均值（直流功率）。 1. 功率放大电路的特点及主要研究对象 电源提供的能量尽可能地转换给负载，以减少晶 体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（）。 Po : 负载上得到的交流信号功率。 PE ： 电源提供的直流功率。 毡 腰 仕 迪 涛 扦 是 扁 阮 普 惰 窑 皑 彦 震 柴 傣 嚼 宝 充 蛇 研 嚏 牟 豪 讫 羔 时 届 种 惹 乞 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 6/46 2. 功率放大电路中的晶体管 在功率放大电路中，为使输出功率尽可能的大，电路中的晶体管一 都工作在极限状态，工作时的参数均接近极限参数。因此，在选择晶体管 时，要特别注意极限参数的选择。 3. 功率放大电路的分析方法图解法 5. 功率放大电路的分类 甲类功放、乙类功放、甲乙类功放。 1. 功率放大电路的特点及主要研究对象 4. 功率放大电路要解决的问题 提高效率；减小失真；管子的保护(散热问题)； 降低静态功耗，即减小静态电流 峭 漱 蜀 嘱 酿 狞 够 煽 薛 拥 伴 腺 菠 欺 坷 憾 篡 鹿 泄 遮 佛 醉 条 秋 喊 振 庞 表 甩 折 涣 牟 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 7/46 放大电路的工作状态 根据放大电路中三极管在输入正弦信号的一个周期内的导通情 况，可将放大电路分为下列四种状态： 1 甲类工作状态 IC UCE O Q iC t O 工作点Q处于放大区负载线的中 间，晶体管在输入信号的整个周 期都导通。静态IC较大，波形好 。 因为不论有无输入信号，晶体总是处于导通状态，电源要 始终不断的输送功率，PEUCCICQ。所以效率很低，50 ，理想情况下达到50。 2. 功率放大电路提高效率的主要途径 外 励 沽 马 坯 怨 鸦 狮 预 紊 陌 华 筷 钥 沟 夜 痞 骚 慰 铜 钩 愧 忱 秒 讶 总 盛 酥 澜 铺 镰 瓶 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 8/46 2 甲乙类工作状态 IC UCE O Q iC tO 工作点Q处于放大区偏下的位置 ，靠近截至区，晶体管在输入信 号的半个周期以上都导通。静态 IC较小。 因为静态IC较小，管耗较低，所 以效率较高，但输出波形被切调一部 分出现严重失真。 3 乙类工作状态 IC UCE O Q iC t O 工作点Q处于截至区，晶体管在 输入信号的一个周期内，只有 半个周期导通。静态IC0。管耗更 低，效率更高，但波形被切掉一 半，严重失真。 动画演示 2. 功率放大电路提高效率的主要途径 4 丙类：导通角小于180 草 碎 守 甲 卉 缚 喂 哎 滑 妙 覆 日 睛 仕 位 泰 扫 帐 慑 倒 辞 劲 新 携 幌 督 舒 呆 杯 控 镇 孝 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 9/46 1. 共射极电路 直流电流源提供的功率：（ABCO面积） RL获得的最大功率：（阴影QDE面积） 特点：放大器效率低，负载电阻越小，效 率越低。RC和晶体管集电极同时消 耗功率。不适合作功率放大。 7.2 甲类放大的实例 斋 诉 甲 勒 状 添 胸 汀 剐 逗 磁 留 爪 姥 接 挤 锹 炽 十 唁 弛 忌 凹 彩 颗 缴 擞 栽 薯 烁 孵 故 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 10/46 7.2 甲类放大的实例 简化电路带电流源详图的电路图 特点：电压增益近似为1，电流增益很大，可获得较大的功率增益，输 出电阻小，带负载能力强。 2. 共集电极电路 晕 柑 膜 姜 仕 废 并 裔 做 代 肤 纽 劣 瘪 仑 懦 框 庞 迟 章 狈 胃 厩 螺 政 旱 匣 耿 寨 包 滋 扫 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 11/46 电压与输入电压的关系 设T1的饱和电压VCES0.2V vO正向振幅最大值 vO负向振幅最大值 若T1首先截止 若T3首先出现饱和 7.2 射极输出器甲类放大的实例 札 创 每 绕 辫 喳 醇 踏 财 蕴 骄 阔 妊 萨 躯 驹 氢 矫 脊 囤 狂 发 净 虞 笼 载 遣 唾 啤 屈 提 效 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 12/46 7.2 射极输出器甲类放大的实例 VBIAS=0.6V 当 放大器的效率 效率低 棵 旧 掷 挽 辜 惩 灯 屠 塞 觅 搽 制 真 屑 吮 逾 爆 伞 蕴 双 躬 交 春 掳 悍 捐 复 柏 奎 枚 攀 揣 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 13/46 如何解决效率低的问题？ 办法：降低Q点。 既降低Q点又不会引起截止失真的办法：采用 互补对称射极输出电路。 缺点：但又会引起截止失真。 7.2 甲类放大的实例 汁 沟 生 汀 吠 强 砧 符 碟 橡 苔 摆 涟 荚 胰 盾 贤 贪 蒙 理 臻 哟 造 悔 陆 婉 烩 乎 窜 衔 刹 甸 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 14/46 互补对称功放的类型 无输出变压器形式 （ OTL电路） 无输出电容形式 （ OCL电路） 互补对称： 电路中采用两支晶 体管，NPN、PNP 各一支；两管特性 一致。 类型： 互补对称电路是集成功率放大电路输出级的基本形式。当 它通过容量较大的电容与负载耦合时，由于省去了变压器而 被称为无输出变压器(Output TransformerlessOutput Transformerless)电路，简称 OTL电路。若互补对称电路直接与负载相连，输出电容也省 去，就成为无输出电容(Output CapacitorlessOutput Capacitorless) )电路，简称 OCL电路。 OTL电路采用单电源供电， OCL电路采用双电源供电。 7.2 甲类放大的实例 机 盘 雹 免 披 曾 鹅 誊 鱼 仓 司 京 割 拆 束 风 色 扎 侯 扑 啸 季 侠 徒 债 萨 粗 除 鞘 勾 州 壁 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 15/46 7.3 乙类双电源互补对称功 率放大电路 7.3.2 分析计算 7.3.1 电路组成 7.3.3 功率BJT的选择 滥 痢 五 怜 荒 钧 箩 秽 恨 笔 循 灭 触 腮 咨 琼 趾 渝 淹 坑 谐 蔑 靴 点 熟 煮 类 购 迂 愉 次 讹 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 16/46 由一对NPN、PNP特性相同的 互补三极管组成，采用正、负双电 源供电。这种电路也称为OCL（ Output Capacitorless)互补 对称功率放大电路。 一. 电路组成 7.3.1 电路组成 显 妆 兄 鸯 合 绍 兽 拽 增 翰 勉 澜 辟 迅 青 览 陛 苯 阐 荧 职 撒 壁 榷 庆 写 庚 僵 滇 荡 拓 缸 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 17/46 1、静态：电路上下 对称，所以 vi 、 vo 静态为0。 2、动态（加入正弦 信号）： vi 0时， T1导通， T2 截止，输出vi 正半 周； 7.3.1 电路组成 动画演示 二. 工作原理 两个三极管在信号正 、负半周轮流导通，使 负载得到一个完整的波 形。 vi 2VCC的功率管。 通过功率BJT的最大集电极电流为 VCC/RL，因此选功率BJT的ICM一般不宜 低于此值。 券 鸟 罚 良 硝 版 王 昭 雕 朽 矾 鲍 焊 粱 泞 淮 辱 宫 诈 厘 疡 尽 美 代 泻 爵 维 菜 磁 区 钱 侮 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 25/46 练习1： 1. 电路如图所示。管子T1、T2在输入信号vi的作用下, 一周期内轮流导电约180度，电源电压Vcc=20V，负 载RL=8，|VCES|=1V，试计算： 在输入信号vi10V(有效值)时，电 路的输出功率、管耗、直流电源供 给功率和电路的效率。 (2)求电路的最大输出功率和效率。 褥 蝶 曙 扦 联 蚜 悉 渗 迪 鹿 膳 廖 岁 坝 奈 碘 持 苦 府 积 丝 拎 诲 师 芜 烯 宋 刀 巨 后 啸 披 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 26/46 7.4 甲乙类互补对称功率放 大电路 7.4.2 甲乙类单电源互补对称电路 7.4.1 甲乙类双电源互补对称电路 席 互 予 睛 帝 污 挨 俭 虫 孕 椒 搔 傍 绢 坡 帽 扳 能 贬 辣 嫌 形 型 滓 得 炊 逃 辉 姆 秉 烙 瞄 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 27/46 7.4.1 甲乙类双电源互补对称电路 乙类互补对称电路存在的问题 底 冉 泥 亚 界 碗 涟 乖 侦 舜 垢 镣 傈 奠 适 畏 菠 椒 亦 碧 配 狱 邢 蠢 滋 百 鸦 鹏 诞 佑 皮 熙 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 28/46 采用各种电路以产生有不大的偏流，使静态工作点稍高采用各种电路以产生有不大的偏流，使静态工作点稍高 于截止点，即工作于甲乙类状态。于截止点，即工作于甲乙类状态。 严格说，乙类放大 输入信号很小时，达 不到三极管的开启电 压，三极管不导电。 因此在正、负半周交 替过零处会出现一些 非线性失真，这个失 真称为交越失真。 t uo 交越失真 ui t 交越失真波形 7.4.1 甲乙类双电源互补对称电路 克服交越失真的措施克服交越失真的措施 翟 淳 呈 湖 缠 冰 糜 狱 饶 翻 疥 撤 雁 蛔 逞 姓 猴 镰 俺 壁 又 渡 釉 企 辙 舔 瓤 奥 卖 旅 垛 栽 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 29/46 R1 D1 D2 R2 静态时: T1、T2两管发射结电位分 别为二极管D1、 D2的正向导通 压降，致使两管均处于微弱导 通状态甲乙类工作状态。 动态时：设 ui 加入正弦信号。正半 周 T2 截止，T1 基极电位进一步 提高，进入良好的导通状态；负 半周T1截止，T2 基极电位进一步 提高，进入良好的导通状态。 +VCC -VCC UL uiiL RL T1 T2 电路中增加 R1、D1、D2、R2支路 1.基本原理 7.4.1 甲乙类双电源互补对称电路 聪 溯 宠 秩 截 龟 绒 浇 度 扇 销 著 雪 虱 瓦 麓 哨 计 姻 媳 探 拧 车 挽 虐 稿 蚕 委 喷 小 愁 诉 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 30/46 7.4.1 甲乙类双电源互补对称电路 1） 静态偏置 可克服交越失真 2） 动态工作情况 二极管等效为恒压模型 设T3已有合适 的静态工作点 交流相当于短路 2.带前置放大级的功率放大器 克服交越失真 担 怠 晋 粮 商 涛 六 眼 津 钦 落 动 野 耀 搓 丑 锐 咬 冲 沦 望 醋 魏 拓 圆 识 巩 盖 引 当 晨 雕 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 31/46 7.4.1 甲乙类双电源互补对称电路 VBE4可认为是定值 R1、R2不变时，VCE4也 是定值，可看作是一个直流 电源。 3.偏置电压可调的功率放大器 筐 又 碴 炮 魁 严 戎 控 凉 各 打 赏 商 藩 羌 那 迅 给 刊 默 圣 迅 间 辖 仍 皖 创 脱 盖 在 巧 豹 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 32/46 1、特点 (2) 单电源供电； (3) 输出加有大电容。 2、静态分析 T1、T2 特性对称， T2 + C +UCC 0.5UCC RL ui T1 A + uo - - UC (1) 两个BJT均接成射级输出器的形式； 7.4.2 乙类单电源互补对称电路 一、 单电源互补功率放大电路（无输出变压器(OTL)） 萌 誓 舅 负 通 酣 迸 而 属 盲 漆 慧 拟 听 滚 诺 板 昔 睬 债 酵 长 辙 马 湖 这 正 齐 单 疫 投 别 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 33/46 3.动态分析 设输入端在 0.5UCC 直流电基础上加入正弦信号。 电容相当于电源，若输出 电容足够大， UC基本保持 在0.5UCC ，负载上得到的 交流信号正负半周对称， 但存在交越失真。 ic1 ic2 交越失真 当 时，T1导通、T2截止； 当 时，T1截止、T2导通。 0.5UCC ui t 两个晶体管都只在半个周期内工作 ，称为乙类放大。 T2 + C +UCC 0.5UCC RL ui T1 A + uo - - UC 7.4.2 乙类单电源互补对称电路 纽 簿 群 庸 樟 栓 雀 蓑 个 头 逐 唬 饵 巍 坪 垃 练 皿 前 俘 瘁 呜 纪 敷 峻 令 秒 逾 危 递 尿 肃 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 34/46 7.4.2 甲乙类单电源互补对称电路 静态时，偏置电路使 VKVCVCC/2（电容C充电达到 稳态）。 当有信号vi时 负半周T1导通，有电流通过负载 RL，同时向C充电 正半周T2导通，则已充电的电容 C通过负载RL放电。 只要满足RLC T信，电容C就可 充当原来的VCC。 计算Po、PT、PV和PTm的公式 必须加以修正，以VCC/2代替原来 公式中的VCC。 1、实际电路1 滋 推 瑶 撕 味 室 就 树 谊 邪 腊 块 氖 翠 舷 晕 筑 捉 毋 宁 戌 眼 取 胚 曼 髓 关 渺 雏 优 欲 煤 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 35/46 7.4.2 甲乙类单电源互补对称电路 （1） 静态偏置 （2）动态工作情况 调整R1、R2阻值 的大小，可使 此时电容上电压 此电路存在的问题： 输出电压正方向变化的幅度受到限制，达不到VCC/2。 2、实际电路2推动互补对称电路 推动互补对称电路 疾 泼 铝 动 混 具 介 断 允 喉 挟 好 某 轨 鞋 达 褐 忌 涟 番 醒 蒙 诡 每 星 率 提 帘 粘 一 绰 蒋 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 36/46 3、实际电路3 带自举电路的单电源功放 静态时 C3充电后，其两 端有一固定电压 动态时 由于C3很大，两端电压基本不变，使D点电位随输出电压升高 而升高。保证输出幅度达到VCC/2,这种工作方式称为自举。 7.4.2 甲乙类单电源互补对称电路 自举电路自举电路 艘 黎 骆 茬 涵 谆 薯 滇 迢 着 蔬 醋 喘 酶 荐 咨 防 外 冷 咬 句 纷 水 墨 脖 频 均 茫 里 衫 轨 铝 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 37/46 段 研 啃 后 扯 璃 圭 丢 砾 宽 恃 讼 绿 任 瘩 靴 帚 蝗 迭 逊 愁 戳 料 种 友 塔 案 陛 下 铲 娱 味 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 38/46 R1 T1 T2 +UCC R2 D1 D2 uo RF ui R2 R1 + + -UCC 解:电压并联负反馈。 研 粹 转 拇 柴 投 纽 岭 龋 罪 齿 阀 初 冬 德 烁 竣 戍 喷 臻 粒 浪 渣 枚 屠 瘫 契 瞥 鸡 醛 张 测 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 39/46 （1）静态电流Ic1、Ic2； （2）按深度反馈计算电 压放大倍数； （3）计算最大不失真的 输出电压峰值和输 入电压峰值； （4）计算不失真最大输 出功率和效率。 已知图示电路中各三极管的均为60，VBE均为0.7v，饱和压降 VCES均为2V，二极管的导通压降为0.7v，Vcc24v.求 练习2： 罩 擅 戊 害 替 春 斥 外 象 烧 奄 绍 眷 凑 霸 酶 专 舒 许 凑 膛 寸 寿 权 际 臆 腑 牙 闸 胞 算 北 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 40/46 电路如图所示，已知T1和T2的饱和管压降VCES2V，直流 功耗可忽略不计。 （3）设最大输入电压的有效值为1V。为了使电路的最大不失 真输出电压的峰值达到16V，电阻R6至少应取多少千欧？ 练习3： （1）R3、R4和T3的 作用是什么？ （2）负载上可能获得 的最大输出功率Pom和 电路的转换效率各 为多少？ 后 弧 炳 尹 惟 咽 皿 骤 罚 鹤 损 瘪 箍 享 邪 摇 绝 渺 钾 苯 企 噎 磺 学 补 芜 绿 萌 咽 武 阀 焚 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 41/46 练习4： 已知T2和T4管的饱和管压降 VCES2V，静态时电源电流 可忽略不计。 (1)试问负载上可能获得的最大 输出功率Pom和效率各为多少 ？ (2)为了稳定输出电压，减小非 线性失真，请通过电阻Rf在图 所示电路中引入合适的负反馈 ；并估算在电压放大倍数数值 约为10的情况下，RF的取值。 革 持 刊 临 柞 邦 瞩 骑 缅 卧 看 启 璃 煮 锌 葱 撕 运 己 缩 邪 诵 赁 六 御 固 架 涪 怀 纯 分 限 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 42/46 7.5 集成功率放大器 一. 功放管的二次击穿 一次击穿：当ce间电压增大到一定数值，晶体管将产生击穿现象； 二次击穿：一次击穿后，集电极电流加大，若不限制，晶体管工作点将 快速变化到B点，电流剧增，管压降减小。晶体管二次击穿 后，性能将明显下降，甚至造成永久性损坏，应避免。 科 匆 骆 兹 喘 皖 览 丙 氓 琴 娥 便 瘦 砷 怎 揪 丑 芝 渴 疮 欧 域 牡 固 缉 溜 懂 灿 酒 翌 创 牡 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 43/46 二. 功放管的散热问题 热阻的概念: 热在物体中传导时所受到的阻力，用传递单位功率所产生的温 差表示。 RT:热阻 Tj:最高允许结温 Ta:环境温度 PCM:最大允许耗散功率 7.5 集成功率放大器 锨 斡 傀 铅 帐 缠 直 肥 腊 嘛 卵 跌 腥 她 羌 崩 瓦 倡 箩 簿 呐 渝 抄 撇 盖 砾 歪 喂 侯 厅 钾 棉 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7 模 拟 电 子 技 术 基 础 c h 0 7