《功率放大器许》PPT课件.ppt

功率放大电路的一般问题乙类双电源互补对成功率放大电路甲乙类互补对成功率放大电路集成功率放大器功率器件 例：例：扩音系统扩音系统执行机构执行机构功率放大器的作用：功率放大器的作用：用作放大电路的用作放大电路的输出级输出级，以，以驱驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、仪表仪表指针偏转等。指针偏转等。5.1 5.1 概述概述功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取一一.功放电路的特点功放电路的特点（2）功放电路中电流、电压要求都比较大，必须功放电路中电流、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注意电路参数不能超过晶体管的极限值:ICM 、UCEM 、PCM。ICMPCMUCEMIcuce（1）输出功率输出功率Po尽可能大尽可能大(3)电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。真。(4)电源提供的能量尽可能转换给负载，减少电源提供的能量尽可能转换给负载，减少 晶体晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（）。）。Pomax:负载上得到的交流信号功率。负载上得到的交流信号功率。PE：电源提供的直流功率。电源提供的直流功率。（5）功放管散热和保护问题）功放管散热和保护问题二二.甲类功率放大器分析甲类功率放大器分析三极管的静态功耗：三极管的静态功耗：若若动态功耗动态功耗（当输入信号（当输入信号Ui时）时）放大电路向电阻性负载提供的放大电路向电阻性负载提供的输出功率输出功率 在输出特性曲线上，正在输出特性曲线上，正好是三角形好是三角形 ABQ的面积，这的面积，这一三角形称为一三角形称为功率三角形功率三角形。要想要想PO大，就要使功率三角形的大，就要使功率三角形的面积大，即必须使面积大，即必须使Vom 和和Iom 都要大。都要大。最大输出功率最大输出功率电源提供的功率电源提供的功率此电路的最高效率此电路的最高效率甲类功率放大器存在的缺点：甲类功率放大器存在的缺点：输出功率小输出功率小 静态功率大，效率低静态功率大，效率低三三.几种工作状态几种工作状态 根根据据在在正正弦弦信信号号整整个个周周期期内内的的导导通通情情况况，三三极极管管可可分为几个工作状态：分为几个工作状态：乙类：乙类：导通角等于导通角等于180甲类：甲类：一个周期内均导通一个周期内均导通甲乙类：甲乙类：导通角大于导通角大于180丙类：丙类：导通角小于导通角小于180动画演示动画演示一一.结构结构互补对称：互补对称：电路中采用两个晶体管：电路中采用两个晶体管：NPN、PNP各一支；两管特性一致。组成各一支；两管特性一致。组成 互补对称式射极输出器互补对称式射极输出器ui-VCCT1T2uo+VCCRLiLNPN型型PNP型型5.2 乙类互补对称功率放大电路乙类互补对称功率放大电路 二、工作原理二、工作原理（设（设ui为正弦波）为正弦波）ic1ic2 静态时：静态时：ui=0V ic1、ic2均均=0（乙（乙类工作状态）类工作状态）uo=0V动态时：动态时：ui 0VT1截止，截止，T2导通导通ui 0VT1导通，导通，T2截止截止iL=ic1;ui-USCT1T2uo+USCRLiLiL=ic2注意：注意：T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作。两个晶体管都只在半个周期内工作。ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL输入输入波形图输入输入波形图uiuououo 交越失真交越失真死区电压死区电压ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL(1)静态电流静态电流 ICQ、IBQ等于零；等于零；(2)每管导通时间为半个周期每管导通时间为半个周期；(3)存在交越失真。存在交越失真。特点：特点：组合特性分析组合特性分析图解法图解法负载上的负载上的最大不失真电压最大不失真电压为为Vom=VCC-VCESvo=-vce动画演示动画演示（1）最大不失真输出功率）最大不失真输出功率Pomax实际输出功率实际输出功率Po图解分析图解分析演示图演示图三、分析计算三、分析计算单个管子在半个周期内的管耗单个管子在半个周期内的管耗（2）管耗）管耗PT两管管耗两管管耗（3）电源供给的功率）电源供给的功率PE当当（4）效率）效率 四三极管的最大管耗四三极管的最大管耗 问：问：Vom=？PT1最大最大,PT1max=？用用PT1对对Vom求导得出：求导得出：PT1max发生在发生在VomVCC处。处。将将VomVCC代入代入PT1表达式表达式：选管条件选管条件1.PCM PT1max oM2 tuo交越失真交越失真ui t+VCC-VCCuiiLRLT1T2A存在交越失真存在交越失真OCL电路电路乙类互补对称功放的缺点乙类互补对称功放的缺点R1D1D2R2 静态时静态时:T1、T2两管发射结电位分两管发射结电位分别为二极管别为二极管D1、D2的正向导通的正向导通压降，致使两管均处于微弱导压降，致使两管均处于微弱导通状态通状态甲乙类工作状态甲乙类工作状态动态时：动态时：设设 ui 加入正弦信号。正半加入正弦信号。正半周周 T2 截止，截止，T1 基极电位进一步基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；负提高，进入良好的导通状态；负半周半周T1截止，截止，T2 基极电位进一步基极电位进一步提高，进入良好的导通状态。提高，进入良好的导通状态。+VCC-VCCULuiiLRLT1T2电路中增加电路中增加 R1、D1、D2、R2支路支路1.1.基本原理基本原理 5.3 甲乙类互补对称功率放大电路甲乙类互补对称功率放大电路一一.甲乙类双电源互补对称电路甲乙类双电源互补对称电路uB1tUTtiBIBQ波形关系：波形关系：ICQiCuBEiBib特点：特点：存在较小的静态存在较小的静态电流电流 ICQ、IBQ。每管导通时间大每管导通时间大于半个周期，基于半个周期，基本不失真。本不失真。iCQuceUSC/REUSCIBQ2.2.带前置放大级的功率放大器带前置放大级的功率放大器 动画演示动画演示3.电路中增加复合管电路中增加复合管增加复合管的目的：增加复合管的目的：扩大电流的驱动能力。扩大电流的驱动能力。cbeT1T2ibicbecibic 1 2晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。cbeT1T2ibic复合复合NPN型型复合复合PNP型型becibic4.改进后的改进后的OCL准互补准互补输出功放电路：输出功放电路：T1：电压推动级（前置级）电压推动级（前置级）T2、R1、R2：UBE扩大电路扩大电路 T3、T4、T5、T6：复合管构成互补复合管构成互补对称功放对称功放准互补准互补 输出级中的输出级中的T4、T6均为均为NPN型晶体管，两者特性容易对称。型晶体管，两者特性容易对称。+VCC-VCCR1R2RLuiT1T2T3T4T5T6 合理选择合理选择R1、R2大小，大小，b3、b5间间便可得到便可得到 UBE2 任意倍数的电压。任意倍数的电压。1、基本原理、基本原理.单电源供电；单电源供电；.输出加有大电容。输出加有大电容。（1）静态分析）静态分析则则 T1、T2 特性对称，特性对称，令：令：VCC/2RLuiT1T2+VCCCAUL+-UC二二.甲乙类单电源互补对称电路甲乙类单电源互补对称电路（2）动态分析）动态分析若输出电容足够大，其上电若输出电容足够大，其上电压基本保持不变，则负载上压基本保持不变，则负载上得到的交流信号正负半周对得到的交流信号正负半周对称，但存在交越失真。称，但存在交越失真。ic1ic2交越失真交越失真（电容相当于电源）（电容相当于电源）RLuiT1T2+VCCCAUL+-时，时，T1导通、导通、T2截止；截止；时，时，T1截止、截止、T2导通。导通。设输入端在设输入端在CC直流电平基础上加入正弦信号直流电平基础上加入正弦信号（3）输出功率及效率）输出功率及效率若忽略交越失真的影响，且若忽略交越失真的影响，且 ui 幅度足够大。则：幅度足够大。则：LCCLCCLRVIVU22maxmax=，（1）静态偏置静态偏置（2）动态工作情况）动态工作情况 调整调整R1、R2阻值阻值的大小，可使的大小，可使此时电容上电压此时电容上电压此电路存在的问题：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、实际电路克服交越失真克服交越失真动画演示动画演示3.带自举电路的单电源功放带自举电路的单电源功放静态时静态时C3充电后，其两充电后，其两端有一固定电压端有一固定电压动态时动态时由于由于C3很大，两端电压基本不变，使很大，两端电压基本不变，使D点电位随输出电压点电位随输出电压升高而升高。保证输出幅度达到升高而升高。保证输出幅度达到VCC/2。自举电路自举电路自举电路自举电路5.4 实用功率放大器举例实用功率放大器举例这里介绍一个实用的这里介绍一个实用的OCL准互补功放电路。其准互补功放电路。其中主要环节有中主要环节有：(1)恒流源式差动放大输入级（恒流源式差动放大输入级（T1、T2、T3）；）；(2)偏置电路（偏置电路（R1、D1、D2）；）；(3)恒流源负载（恒流源负载（T5）；）；(4)OCL准互补功放输出级（准互补功放输出级（T7、T8、T9、T10）；）；(5)负反馈电路（负反馈电路（Rf、C1、Rb2构成交流电压串联负反馈）；构成交流电压串联负反馈）；(6)共射放大级（共射放大级（T4）；）；(7)校正环节（校正环节（C5、R4）；）；(8)UBE倍增电路（倍增电路（T6、R2、R3）；）；(9)调整调整输出级工作点元件（输出级工作点元件（Re7、Rc8、Re9、Re10）。）。将其集成起来，就成为集成功放电路。将其集成起来，就成为集成功放电路。+24VuiRLT7T8RC8-24VR2R3T6Rc1T1T2Rb1Rb2C1RfR1D1D2T3Re3T4Re4C2T5Re5C3C4T9T10Re10Re7Re9C5R4BX差动放大级差动放大级反馈级反馈级偏置电路偏置电路共射放大级共射放大级UBE倍增倍增电路电路恒流源恒流源负载负载准互补功放级准互补功放级保险管保险管负载负载实用的实用的OCL准互补功放电路：准互补功放电路：集成功放集成功放 LM384管脚说明管脚说明:14-电源端（电源端（V cc）3、4、5、7-接地端（接地端（GND）10、11、12-接地端（接地端（GND）2、6-输入端输入端 （一般（一般2脚接地）脚接地）8-输出端输出端 （经（经500 电容接负载）电容接负载）)12345 678910111213141-接旁路电容（接旁路电容（5 ）9、13-空脚（空脚（NC）集成功放集成功放 LM384 外部电路典型接法：外部电路典型接法：500-+0.1 2.7 8146215 Vccui8 调节音量调节音量电源滤波电容电源滤波电容外接旁路电容外接旁路电容低通滤波低通滤波,去除高频噪声去除高频噪声输入信号输入信号输出耦合大电容输出耦合大电容1功功率率放放大大器器的的特特点点：工工作作在在大大信信号号状状态态下下，输输出出电电压压和和输输出出电电流流都都很很大大。要要求求是是在在允允许许的的失失真真条条件件下下，尽尽可可能能提提高高输输出出功率和效率。功率和效率。2为为了了提提高高效效率率，在在功功率率放放大大器器中中，BJT常常工工作作在在乙乙类类和和甲甲乙乙类类状状态态下下，并并用用互互补补对对称称结结构构使使其其基基本本不不失失真真。这这种种功功率率放放大器理论上的最大输出效率可以达到。大器理论上的最大输出效率可以达到。3互补对称功率放大器的几种主要结构：互补对称功率放大器的几种主要结构：OCL（双电源）（双电源）乙类乙类 甲乙类。甲乙类。OTL（单电源）（单电源）乙类乙类 甲乙类。甲乙类。4随随着着半半导导体体工工艺艺、技技术术的的不不断断发发展展，输输出出功功率率几几十十瓦瓦以以上上的的集集成成放放大大器器已已经经得得到到了了广广泛泛的的应应用用。功功率率VMOS管管的的出出现现，也给功率放大器的发展带来了新的生机。也给功率放大器的发展带来了新的生机。本章小结本章小结功率放大电路的一般问题一、功放电路特点一、功放电路特点1输出功率输出功率Po尽可能大尽可能大2效率效率 要高要高Po大，电路的能量损耗也大3非线性失真非线性失真 要小要小大信号工作状态，与Po、是一对矛盾要求Vo和Io都足够大4功放管散热和保护问题功放管散热和保护问题二、功放电路分类二、功放电路分类根据静态偏置的不同，功放电路可分为:甲类甲类、乙类乙类和甲乙类甲乙类三种功放电路分类比较表：功放电路分类比较表：类别 工作点 波 形 导通角 特点甲类甲乙类乙类较高较高较低较低最低最低360 180 180 360 无失真无失真效率低效率低失真大失真大效率最高效率最高失真大失真大效率较高效率较高一、电路OCL(OutputCapacitorless)双双管：NPN、PNP特性相同且互补双双共集电路双双电源供电 5.2 乙类互补功放标准型也称OCL互补功放二、工作原理vi正半周时结论：结论：两个三极管，轮流导电轮流导电（正、负半周）互补不足互补不足忽略三极管的开启电压:T1导电iE1通过RLVi负半周时T2导电iE2通过RL合成合成完整、不失真波形互补推挽组合特性分析图解法图解法负载上的最大不失真电压最大不失真电压为Vom=VCC-VCESvo=-vce1输出功率输出功率Po三、参数计算三、参数计算最大不失真功率为：最大不失真功率为：理想最大输出功率为：理想最大输出功率为：以正半周为例2 2电源功率电源功率PV （PE）3 3三极管的管耗三极管的管耗P PT T 问：问：Vom=？PT1最大,PT1max=？用PT1对Vom求导得出：PT1max发生在VomVCC处。将VomVCC代入PT1表达式得：4 4效率效率当Vom=VCC 时，max。四、选管条件四、选管条件1PCM 23PT1max=0.2PoM其它类型互补功率放大电路5.3.1 单电源互补功放单电源互补功放5.3.2 采用复合管的互补功放采用复合管的互补功放5.3.3 集成功放集成功放5.3.4 BTL互补功放互补功放5.3.5 双通道功放双通道功放5.3.1 单电源互补功放LL21fRC OTL（Output transformerless)单电源单电源电容器电容器Co选择：选择：静态静态:Vk=VCC/2 5.3.2 采用复合管的互补功放 当输出功率较大时往往采用复合管当输出功率较大时往往采用复合管复合管有四种形式：复合管有四种形式：达林顿管：由NPN-NPN或PNP-PNP复合而成。复合管极性极性=前面的管极性 5.3.3 集成功率放大器广泛用于音响、电视和小电机的驱动方面。广泛用于音响、电视和小电机的驱动方面。大多数大多数集成功率放大器集成功率放大器=运算放大器运算放大器+互补功率输出。互补功率输出。使使用方法原则上与集成运放相同，注意用方法原则上与集成运放相同，注意极限参数极限参数（功耗、最大允许电源电压等）（功耗、最大允许电源电压等）一般一般加有足够大的加有足够大的散热器散热器 5.3.4 BTL互补功放负载上获得的信号电压要增加一倍。负载上获得的信号电压要增加一倍。BTL放大电路输出功率较大，负载可以不接地。放大电路输出功率较大，负载可以不接地。5.3.5 双通道功放 用于立体声音响设备，一般有专门的集成功放产品。它有一个左声道功放和一个右声道功放，两功放技术指标相同。需要在专门的立体声音源下才能显现出立体声效果。有的高级音响设备一个声道分成二、三个频段放大，有相应的低频段、中频段和高频段放大器。