模电功率放大电路.ppt

6.1 功率放大电路的功率放大电路的特殊问题特殊问题 l输出功率为主要技术指标。输出功率为主要技术指标。晶体管起能量转换作用：晶体管起能量转换作用：电电源源提提供供的的直直流流电电能能转转化化为为由由信信号号控控制制的的输输出出交交变电能变电能。l功率放大简称功率放大简称功放功放，l与电压放大电路相比较，与电压放大电路相比较，主要考虑以下问题主要考虑以下问题。第第6章章 功率放大电路功率放大电路 输出大功率输出大功率l输输出出功功率率是是指指受受信信号号控控制制的的输输出出交交变变电电压压和和交交变变电电流流的的乘乘积积，即即负负载载所所得得到到的的功率。功率。l要求要求功放管功放管输出大电流和电压输出大电流和电压。l功功放放管管工工作作在在接接近近极极限限状状态态，选选择择功功放放管要考虑极限参数。管要考虑极限参数。6.1 功率放大电路的特殊问题功率放大电路的特殊问题 提高效率提高效率 l功功率率放放大大电电路路的的效效率率(Efficiency)是是指指负负载载得得到到的的信信号号功功率率与与电电源源供供给给的的直直流流功功率率之比之比。l提提高高效效率率可可以以在在相相同同输输出出功功率率的的条条件件下下，减减小小能能量量损损耗耗，减减小小电电源源容容量量，降降低低成成本。本。减小失真减小失真 原原因因：功功率率放放大大电电路路的的工工作作电电流流和和电电压压要要超超过过特特性性曲曲线线的的线线性性范范围围，甚甚至至接接近近于晶体管的饱和区和截止区。于晶体管的饱和区和截止区。造造成成非非线线性性失失真真较较严严重重，因因此此在在使使用用中中必必须须兼兼顾顾提提高高交交流流输输出出功功率率和和减减小小非非线线性失真性失真这两方面的指标。这两方面的指标。改善热稳定性改善热稳定性 l原原因因：集集电电结结上上损损耗耗功功率率大大，会会引引起起功功放放管管结温上升，可能会导致管子烧毁。结温上升，可能会导致管子烧毁。l因因此此大大功功率率管管都都要要安安装装散散热热器器，以以便便获获得得大大的输出功率。的输出功率。l如何提高效率？如何提高效率？甲类工作状态甲类工作状态l管子导通时间为一个周期管子导通时间为一个周期。在单管放大电路中，。在单管放大电路中，为了得到不失真的输出波形，将静态工作点设置为了得到不失真的输出波形，将静态工作点设置在合适位置。在合适位置。l静态时功耗大静态时功耗大。iCiCtuCEQ00(a)甲类甲类iC大于大于0乙类工作状态乙类工作状态l导通时间为半个周期导通时间为半个周期。其工作点设置在截止区。其工作点设置在截止区。l出现了严重的波形失真出现了严重的波形失真。iCiCtuCEQ00(c)乙类乙类iC=0的时间为半个周期的时间为半个周期甲乙类甲乙类工作状态工作状态l导导通通时时间间大大于于半半个个周周期期，小小于于一一个个周周期期。其其工工作作点设置靠近截止区。点设置靠近截止区。l甲甲乙乙类类放放大大，减减小小了了静静态态功功耗耗，但但也也出出现现了了严严重重的波形失真的波形失真。iCiCtuCEQ00(b)甲甲类类iC=0的的时时间间小小于于半半个个周周期期l功功率率放放大大器器：希希望望输输出出功功率率大大，电电源源功功率率消消耗少，效率高。耗少，效率高。l甲甲乙乙类类和和乙乙类类功功放放：减减小小了了静静态态功功耗耗，但但都都出现了严重的波形失真。出现了严重的波形失真。l为为了了利利用用其其效效率率高高的的优优点点，克克服服其其削削波波失失真真的缺点，的缺点，通常采用乙类互补对称放大电路通常采用乙类互补对称放大电路。1.双电源互补对称电路双电源互补对称电路 l双电源互补对称电路又称无输出电容电路，简称双电源互补对称电路又称无输出电容电路，简称OCL(Output Capacitor Less)电路电路。6.2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路 电路组成电路组成 ui0tuo0tiC1+VCC-VCCuiuoT1ioT2RL+_iC2l静态静态l动态动态交越失真交越失真l由由于于T1、T2管管输输入入特特性性存存在在死死区区，所所以以输输出出波波形在信号过零附近产生失真形在信号过零附近产生失真交越失真交越失真。l原原因因：假假设设T1、T2的的死死区区电电压压都都是是0.6V，那那么么在在输输入入信信号号电电压压|Ui|0.6V期期间间，T1和和T2截截止止，输出电压为零，得到如图所示失真了的波形，输出电压为零，得到如图所示失真了的波形，图6-3交越失真波形uiuott00消除消除交越失真交越失真的办法的办法 uo+VCCT1R3D1R1T2RL-VCC+ui+_D2图6-4 消除交越失真的电路让让T1和和T2在静态时就微导通。在静态时就微导通。为此在为此在T1和和T2的基极之间接入的基极之间接入一个直流电压。一个直流电压。无论信号为正或为负，都至少无论信号为正或为负，都至少有一个管子导通，交越失真也就有一个管子导通，交越失真也就不存在了。不存在了。分析计算分析计算 l在在对对互互补补对对称称电电路路进进行行分分析析计计算算时时。由由于于管管子子在在大大信信号号下下工工作作，所所以以必必须须利利用用图图解解分分析析进进行行分分析。析。输出功率输出功率l为为了了便便于于观观察察互互补补电电路路中中的的每每个个管管子子的的电电流流电电压压波波形形，把把T2管管特特性性曲曲线线倒倒置置于于T1管管特特性性曲曲线线的的右右下下方方，并并令令二二者者在在UCEQ=VCC处处对对准准，如如图图所所示。示。l负载线通过负载线通过Q点点(UCE=VCC，iC=0)，且斜率为，且斜率为 的直线。的直线。tiC1Q00iC1uCE10iC2uCE2uCES2VCC2VCCiC2Quce1uce2VCCVCCUcemT2导通导通T1导通导通T1截止截止T2截止截止220-1/RL-1/RLPT1T2N+VCC-VCCuiuoT1ioT2RL+_l输输出出功功率率Po可可以以根根据据功功率率表表达达式式P=U2/R（U是交流有效值）求得，即是交流有效值）求得，即 输出功率输出功率理想条件下的理想条件下的最大输出功率最大输出功率l若若输输入入的的正正弦弦信信号号的的幅幅度度足足够够大大，并并忽忽略略管管子的饱和压降子的饱和压降UCES。lRL上上最最大大的的输输出出电电压压幅幅度度Ucem=VCC。在在此此理想条件下，最大输出功率为理想条件下，最大输出功率为 输出功率输出功率 效率效率 l输出功率占电源供给功率的比率称为输出功率占电源供给功率的比率称为效率效率，用，用表示，表示，=PO/PV。l由于每个电源只提供半个周期的电流，所以由于每个电源只提供半个周期的电流，所以总总电源功率电源功率PV为为 l在理想情况下，在理想情况下，Ucem=VCC，则最大效率为，则最大效率为 效率效率 功率管的选择功率管的选择l消消耗耗在在晶晶体体管管的的功功率率PT=PVPO，由由于于PO与与PV均均与与信号的幅值有关，故信号的幅值有关，故PT也随之变化。也随之变化。l为了求出为了求出何时管耗最大何时管耗最大，令，令l上式对上式对K的导数为的导数为0时，时，PT将为最大值将为最大值将将其代入其代入PT式中得式中得每个管子的管耗约为每个管子的管耗约为0.2POmax，当输出功率当输出功率最大最大(K=1)时，总管耗约为时，总管耗约为0.27POmax。功率管的要求功率管的要求 若想得到预期的最大输出功若想得到预期的最大输出功率，则率，则功率管的有关参数功率管的有关参数应满足下列条件：应满足下列条件：l每每只只功功率率管管的的最最大大管管耗耗PCM0.2POmax；l功功率率管管c-e极极间间的的最最大大压压降降 为为 2VCC，所所 以以 应应 选选|U(BR)CEO|2VCC；l功功率率管管的的最最大大集集电电极极电电流流为为VCC/RL，因因此此晶晶体体管管的的ICM不宜低于此值。不宜低于此值。+VCC-VCCuiuoT1ioT2RL+_2.复合互补对称电路复合互补对称电路 复合管复合管(Darlington Connection)l存在的问题存在的问题：大功率输出极的工作电流大，而一般：大功率输出极的工作电流大，而一般大功率管的大功率管的电流放大系数都较小电流放大系数都较小。l通常采用所谓通常采用所谓“复合管复合管”的办法来解决。的办法来解决。l设有两只晶体管，把前一只管的集电极或发射极接设有两只晶体管，把前一只管的集电极或发射极接到下一只管的基极，这种连接所形成的晶体管组合到下一只管的基极，这种连接所形成的晶体管组合称为称为复合管复合管cebT1T2iBiC12iBiEiBiEbiCce(a)NPN型2.复合互补对称电路复合互补对称电路 ecbT1T2iBiE12iBiCiBiCbiEec(b)PNP型2.复合互补对称电路复合互补对称电路 cebT1T2iBiC12iBiEiBiEbiCce(c)PNP型2.复合互补对称电路复合互补对称电路 cebT1T2iBiC12iBiEiBiEbiCce(d)NPN型2.复合互补对称电路复合互补对称电路 复合管构成规则复合管构成规则liB向管内流向管内流的复合管等效为的复合管等效为NPN管；管；iB向管外流向管外流的复合管等效为的复合管等效为PNP管；管；iB的的流流向向由由T1管管的的基基极极电电流流决决定定，即即由由T1管管的的类类型型决定。决定。l必必须须保保证证每每只只管管各各电电极极的的电电流流都都能能顺顺着着各各个个管管的的正常工作方向流动；否则将是错误的。正常工作方向流动；否则将是错误的。2.复合互补对称电路复合互补对称电路 l在图所示复合管中，判断它们的连接方式哪些是在图所示复合管中，判断它们的连接方式哪些是正确的？哪些是错误的？哪些等效为正确的？哪些是错误的？哪些等效为NPN管？哪管？哪些等效为些等效为PNP管？管？2.复合互补对称电路复合互补对称电路 解：解：(a)错。错。(b)错。错。(c)对，对，PNP型。型。(d)对，对，NPN。准互补对称电路准互补对称电路(Quasi Complementary Emitter Follower)l互互补补对对称称电电路路中中，两两个个输输出出管管是是互互补补工工作作的的，因因而而要要求求两两管管为为不不同同类类型型，一一个个为为NPN型型，而而另一个则为另一个则为PNP型型。l为了满足电路对称就为了满足电路对称就要求两管特性一致要求两管特性一致。l这这对对NPN和和PNP两两种种大大功功率率管管来来说说，一一般般是是难难以以实实现现的的，尤尤其其是是当当一一个个是是硅硅管管另另一一个个是是锗锗管管时时，若若要要两两管管特特性性一一致致，最最好好使使T3和和T4是是同同一一种型号的管子。种型号的管子。+VCC-VCCRb1RD1T1T2Rb2D2Re1Rc2RLT3T4Re4Re3NPNPNPuoui+-图6-8 准互补对称电路3.单电源互补对称电路单电源互补对称电路 电路组成电路组成 l双双电电源源互互补补对对称称电电路路，需需要要两两个个独独立立电电源源，这这给给使用上带来使用上带来不方便不方便。l所所以以实实用用上上常常采采用用单单电电源源互互补补对对称称电电路路，如如图图6-9所所示示。它它去去掉掉了了负负电电源源，接接入入一一个个电电容容C，称称为为无无输输出出变变压压器器电电路路，简简称称OTL(Output Transformer Less)电电路路。V1、V2是是为为了了克克服服交交越越失失真真而而接接入入的的正正向向偏偏置置电电源源，在在实实际际电电路路中中可可用用两两个个二二极极管管来来代替。代替。VCC12+tui+VCCV1V2T1NPNPNPiC1iC2iouo+-T2EICRL+-iC1t0-iC2t0uI0uot0图6-9 单电源互补对称原理电路l静静态态时时使使UE=VCC/2，I点点电电位位UI以以VCC/2为为基基准准上上下下变变化化，T1、T2轮轮流流导导通通，实现双向跟随。实现双向跟随。l电电容容上上具具有有的的恒恒定定电电压压VCC/2，则则可可看看作作信信号号负负半周时半周时T2管的直流电源。管的直流电源。l电电容容充充放放电电回回路路时时间间常常数数远远大大于于信信号号周周期期，电电容容两两端电压基本不变。端电压基本不变。l动态时动态时 分析计算分析计算 l由由上上面面的的分分析析可可以以看看出出，单单电电源源互互补补对对称称电电路路实实质质上上等等效效于于具具有有VCC/2双双电电源源的的互互补补对称电路对称电路。l分分析析计计算算时时只只要要把把VCC/2替替换换前前面面式式中中的的VCC就就可可以以得得出出单单电电源源互互补补对对称称电电路路的的输输出出功率、直流电源供给的功率和效率等。功率、直流电源供给的功率和效率等。输出功率输出功率 l理想条件下最大电压幅值理想条件下最大电压幅值Ucem=VCC/2，所以所以 效率效率 l直流电源供给的功率为直流电源供给的功率为PV 理想条件下，最大效率为理想条件下，最大效率为 可可见见在在理理想想条条件件下下，OCL和和OTL电电路路的的最最大大效率相同。效率相同。例例 l如如图图所所示示的的电电路路，VCC=6V，RL=3.5近近似似计计算算理理想想情情况况下下，最最大大输输出出功功率率，效效率率和和管管耗耗。（ui为为正弦信号）正弦信号）uo+VCCT1R3D1R1T2RL+ui+_D2解：因为解：因为 理想情况下有理想情况下有所以所以 PT=0.4POM=0.41.29=0.516(W)例例 l某同学设计一个某同学设计一个OTL功放电路如图所示。功放电路如图所示。l（1）为实现输出最大幅值正负对称，静态时）为实现输出最大幅值正负对称，静态时A点点电位应为多大？电位应为多大？l（2）若）若UCE3和和UCE5的最小值约为的最小值约为3V，求最大不失，求最大不失真输出功率和效率？真输出功率和效率？l（3）晶体管）晶体管T3、T5的的PCM、U(BR)CEO和和ICM应如何应如何选择？选择？例例 解：解：图为单电源互补对称图为单电源互补对称OTL电路，电路，若实现输出最大，幅值正负对称，若实现输出最大，幅值正负对称，因此静态时因此静态时A点电位为：点电位为：忽略忽略UCES，则，则|U(BR)CEO|VCC=20(V)6.3 集成功率放大器简介集成功率放大器简介l以以LM384为例为例VCCT1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T12R1R3R4R5R2R6R7D1D2Couiuoui25K25K1K150K150K25K0.50.5lT1T4复合差动输入复合差动输入lT5、T6有源负载有源负载lT7、T8、T9、和、和D1、D2互补对称输出互补对称输出lT10、T11有源负载有源负载lT12共射放大共射放大6.3 集成功率放大器简介集成功率放大器简介lLM384外部接线图外部接线图lLM384允许的最大电源允许的最大电源电压为电压为28V。l当当VCC=26V时，时，Po=7.6W，失真约为，失真约为5%。LM3843、4、5、7、10、11、1210k0.1uF500uF5uFuiVCC628141本章小结本章小结l1 功率放大电路的特殊问题功率放大电路的特殊问题l2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路l 双电源互补对称电路（双电源互补对称电路（OCL）l 单电源互补对称电路（单电源互补对称电路（OTL）l 复合互补对称电路复合互补对称电路l3 集成功率放大电路集成功率放大电路