模拟电子技术第23讲.ppt

第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-第第8章章 功率放大电路功率放大电路 在多级放大电路中，输出的信号往往是送去驱动在多级放大电路中，输出的信号往往是送去驱动一定的装置。如，收音机的扬声器线圈、电动机的控一定的装置。如，收音机的扬声器线圈、电动机的控制线圈等。多级放大电路除了应有电压放大外，还要制线圈等。多级放大电路除了应有电压放大外，还要求有一个能输出一定信号功率的输出级。求有一个能输出一定信号功率的输出级。主要向负载提供一定大小的功率为目的的放大电主要向负载提供一定大小的功率为目的的放大电路称为功率放大电路。路称为功率放大电路。例：例：扩音系统扩音系统实际负载实际负载功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取8.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题 8.2 射极输出器甲类放大的实例射极输出器甲类放大的实例 8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路乙类双电源互补对称功率放大电路8.4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8.5 集成功率放大电路集成功率放大电路 1第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-8.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题1.功放电路与普通放大电路的比较功放电路与普通放大电路的比较都是能量转换电路，把直流能量转换为信号能量。都是能量转换电路，把直流能量转换为信号能量。(1)共同点：共同点：(2)不同点：不同点：普通放大电路：普通放大电路：要求负载得到不失真电压信号，不要求输出功率；要求负载得到不失真电压信号，不要求输出功率；电路工作在小信号状态，研究的问题是电压放大倍数、电路工作在小信号状态，研究的问题是电压放大倍数、输入和输出电阻、带宽等。输入和输出电阻、带宽等。功率放大电路：功率放大电路：要求负载得到一定的不失真或失真较小的输出功要求负载得到一定的不失真或失真较小的输出功率；电路工作在大信号状态，研究的问题是提高输出率；电路工作在大信号状态，研究的问题是提高输出功率和效率。功率和效率。分析方法不同：分析方法不同：电压放大电路可用微变等效电路法和图解法分析电压放大电路可用微变等效电路法和图解法分析而功率放大电路只能用图解法。而功率放大电路只能用图解法。2第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-2.2.功放电路研究的主要问题功放电路研究的主要问题要求输出功率尽可能大要求输出功率尽可能大;即要求输出电流和电压都大，管子运行在极限状态。即要求输出电流和电压都大，管子运行在极限状态。8.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题 效率是指负载得到的有用信号功率与电源供给的直效率是指负载得到的有用信号功率与电源供给的直流功率之比，比值越大效率越高。流功率之比，比值越大效率越高。电路效率要高：电路效率要高：非线性失真尽可能小：非线性失真尽可能小：功率与失真是一对矛盾，一般输出功率越大失真越功率与失真是一对矛盾，一般输出功率越大失真越严重。严重。半导体的散热问题：半导体的散热问题：功放电路中很大一部分功率被集电结消耗掉，使结功放电路中很大一部分功率被集电结消耗掉，使结温上升，为充分利用允许的管耗输出足够大的功率，温上升，为充分利用允许的管耗输出足够大的功率，散热非常重要。散热非常重要。功放管的保护问题：功放管的保护问题：为输出足够大的功率，管子承受的电压很高，通为输出足够大的功率，管子承受的电压很高，通过的电流很大，管子较容易损坏。过的电流很大，管子较容易损坏。3第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-8.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题.功率放大电路的类型功率放大电路的类型 功率放大电路按其静态工作点在负载线上所处功率放大电路按其静态工作点在负载线上所处位置不同，或按输入正弦信号在一个周期内功放管位置不同，或按输入正弦信号在一个周期内功放管的导通角来分，可分为的导通角来分，可分为甲类甲类、乙类乙类和和甲乙类甲乙类等类型等类型.(1)甲类：甲类：输入正弦信号在一个周期内功放管均导通，或输入正弦信号在一个周期内功放管均导通，或静态工作点设置在直流负载线的中间部分，功放管静态工作点设置在直流负载线的中间部分，功放管的导通角为的导通角为;失真小，但效率低。失真小，但效率低。uotuoibuceQIcUSC/REUSC4第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-8.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题.功率放大电路的类型功率放大电路的类型(2)乙类：乙类：输入正弦信号在一个周期内功放管仅导通半个周输入正弦信号在一个周期内功放管仅导通半个周期，或期，或静态工作点设置在截止区的边缘，静态工作点设置在截止区的边缘，功放管导通功放管导通角为角为;效率高，但严重失真。效率高，但严重失真。iCQvCEtib5第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-8.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题.功率放大电路的类型功率放大电路的类型(3)甲乙类：甲乙类：输入正弦信号在一个周期内功放管导通半个多输入正弦信号在一个周期内功放管导通半个多周期，周期，静态工作点设置在放大区但靠近截止区，静态工作点设置在放大区但靠近截止区，导导通角为通角为 。效率高，可以消除交越失真。效率高，可以消除交越失真。iCib 动动 画画6第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-射极输出器射极输出器 的特点的特点：1.电压放大倍数接近电压放大倍数接近1但永远小于但永远小于1;2.输入电阻高，适合做多级放大电路的输入级输入电阻高，适合做多级放大电路的输入级;3.输出电阻低，带负载能力强，输出电阻低，带负载能力强，适合做多级放大电路的输出级适合做多级放大电路的输出级;8.2 射极输出器射极输出器甲类功率放大电路实例甲类功率放大电路实例7第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-vCEiBiCiEVCC+_viRLReC2vsRbv0+_2.射极输出器作功放射极输出器作功放 电路的原理图电路的原理图1.射极输出器的结构射极输出器的结构8.2 射极输出器射极输出器甲类功率放大电路实例甲类功率放大电路实例T：工作在放大状态：工作在放大状态VBE=0.6V vi：为正弦信号，：为正弦信号，幅度比较大幅度比较大v0：为输出信号，：为输出信号，v0=vi-0.6i0 iBIASviRL+VCC-VEETRB-voVOm+=VCC-0.28第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路乙类双电源互补对称功率放大电路8.3.1.电路组成电路组成T1和和 T2分别为分别为NPN 管和管和 PNP管构成互补对称电路。管构成互补对称电路。静态时两个管子均不取电流静态时两个管子均不取电流,有信号时两个管子轮流导电有信号时两个管子轮流导电,各向负载提供半个周期的输出各向负载提供半个周期的输出波形，从而形成一种推拉式输波形，从而形成一种推拉式输出结构。出结构。+UCC和和-UCC为两个电源为两个电源T1和和 T2两个射极输出器组成的基本互补对称电路两个射极输出器组成的基本互补对称电路T2vi的正半周的正半周vi的负半周的负半周9第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-工作原理工作原理(设设u ui i为正弦波为正弦波)1.1.静态分析静态分析 u ui i=0=0v viic1c1、i ic2c2均为均为0 0（乙类（乙类工作状态）工作状态）u uo o=0=0v v ic1ic2ui-USCT1T2uo+USCRLiL+2.动态分析动态分析ic1ic2当当ui 0V时时T1截止，截止，T2导通导通当当ui 0V时时T1导通，导通，T2截止截止iL=ic1;iL=ic2两管交替工作得到完整的正弦波两管交替工作得到完整的正弦波 动动 画画8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路乙类双电源互补对称功率放大电路10第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-(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：交越失真：在交越失真：在乙类互补对称功放电路中，在两功放乙类互补对称功放电路中，在两功放管轮流导通的交接班期间出现的非线性失真。管轮流导通的交接班期间出现的非线性失真。ic1ic2ui-USCT1T2uo+USCRLiL+交越失真 动动 画画8.3.2 工作原理工作原理(设设u ui i为正弦波为正弦波)8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路乙类双电源互补对称功率放大电路产生交越失真的原因：产生交越失真的原因：三极管存在着死区电压。三极管存在着死区电压。11第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-分析计算分析计算i ic的变化范围：的变化范围：I Icm ，vCE的变化范围：的变化范围：(VCC-VCES)若忽略管子的饱和压降若忽略管子的饱和压降V VCESCES，则，则V Vcemcem=I=IcmcmR RL LVVCCCC8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路乙类双电源互补对称功率放大电路12第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-8.3.2 分析计算分析计算8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路乙类双电源互补对称功率放大电路1.1.输出功率输出功率当输入信号足够大时当输入信号足够大时:获得最大输出功率：获得最大输出功率：功率三角形：功率三角形：13第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-若图若图T9.1所示电路中晶体管饱和管压降的数值为所示电路中晶体管饱和管压降的数值为UCES，则最大输出功率则最大输出功率POM 。8.3.2 分析计算分析计算8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路乙类双电源互补对称功率放大电路1.1.输出功率输出功率14第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-设输出电压为设输出电压为：v0=Vomsint两只管子平均管耗：两只管子平均管耗：P=2PT1=2PT2VVviv02.2.每只管子平均管耗每只管子平均管耗8.3.2 分析计算分析计算8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路乙类双电源互补对称功率放大电路15第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-3.3.每只管子的最大管耗每只管子的最大管耗8.3.2 分析计算分析计算8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路乙类双电源互补对称功率放大电路16第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-4.4.直流电源供给的功率直流电源供给的功率8.3.2 分析计算分析计算8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路乙类双电源互补对称功率放大电路当输出电压幅度达到最大，即当输出电压幅度达到最大，即 Vom VCC 时，则得时，则得电源供给的最大功率为：电源供给的最大功率为：17第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-5.5.效率效率8.3.2 分析计算分析计算8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路乙类双电源互补对称功率放大电路当当Vom VCC 时，则效率最高：时，则效率最高：18第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-8.3.2 分析计算分析计算8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路乙类双电源互补对称功率放大电路例例:(:(北方交通大学北方交通大学20002000年研究生入学试题年研究生入学试题)若要设计一个输出功率为若要设计一个输出功率为10W10W的乙类功率放大器，则应的乙类功率放大器，则应选择选择P PCMCM至少为至少为_W_W的功率管两只管子。的功率管两只管子。解：乙类功率放大器最大管耗与电路的最大输出功率的解：乙类功率放大器最大管耗与电路的最大输出功率的关系是关系是 P PT1m T1m=0.2 P=0.2 Po o,要求输出功率为要求输出功率为10W,10W,要用两个额要用两个额定管耗大于定管耗大于2W2W的管子。的管子。19第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-8.3.2 分析计算分析计算8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路乙类双电源互补对称功率放大电路例例.如图，设如图，设BJT的的100，VBE=0.7V，VCES=0.5V，ICEO=0，电容，电容C对交流视为短路。输入信号对交流视为短路。输入信号vi为正弦波。为正弦波。(1)计算电路可能达到的计算电路可能达到的最大不失真输出功率最大不失真输出功率Pom；(2)此时此时Rb应调节到什么数值？应调节到什么数值？(3)此时此时电路的效率电路的效率？试与工作在乙类的互补对称电路比较。？试与工作在乙类的互补对称电路比较。解解.(1)TRbRL12Vvi8Cv0v0(t)=V0+Vmsint，V0为直流分量，为直流分量，Vm为交流振幅为交流振幅故故.V0+VmVCES故故.2Vm0T1导通，通，T2截止截止在在负载上有正半周的上有正半周的电流通流通过。ui0T1截止，截止，T2导通导通在在负载上有上有负半周的半周的电流通流通过。ic1ic2iB1tiB2IB1IB2iLt8.4.2甲乙类单电源互补对称电路甲乙类单电源互补对称电路(OTL)(OTL)2.2.工作工作原理原理8.4甲甲乙类互补对称功率放大电路乙类互补对称功率放大电路34第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-将双电源该为单电源后，将双电源该为单电源后，应将应将VCC改为改为VCC/2。如：如：8.4.2甲乙类单电源互补对称电路甲乙类单电源互补对称电路(OTL)(OTL)3.3.分析计算分析计算8.4甲甲乙类互补对称功率放大电路乙类互补对称功率放大电路35第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-8.4.2甲乙类单电源互补对称电路甲乙类单电源互补对称电路(OTL)(OTL)8.4甲甲乙类互补对称功率放大电路乙类互补对称功率放大电路例例:(:(北京邮电大学北京邮电大学19991999年研究生入学试题年研究生入学试题)OTL)OTL互补对称功放如互补对称功放如图所示，设电容图所示，设电容 C C足够大，三极管的饱和电压降足够大，三极管的饱和电压降V VCESCES=1V,R=1V,RL L=8=8问：问：(1)(1)按功放分类，按功放分类，T T1 1,T,T2 2的工作方式为那种；的工作方式为那种；(2)(2)电阻电阻R R1 1和和D D1 1、D D2 2的作用；的作用；(3)(3)电位器电位器R RW W的作用；的作用；(4)(4)负载负载R RL L得到的最大不失真输出功率得到的最大不失真输出功率P Pomaxomax。甲乙类甲乙类解解.(1)(2)为为T1、T2管提供静态偏置电压，动态情管提供静态偏置电压，动态情况下可消除况下可消除 Ui幅度较小时由于三极管的死幅度较小时由于三极管的死区而引起的交越失真。区而引起的交越失真。(3)调节电位器使三极管调节电位器使三极管T1、T2的基极的基极B1、B2间有一合适的电流间有一合适的电流 D和压降和压降VB1B2,压降确压降确保保T1、T2 管在静态时处于导通状态。管在静态时处于导通状态。(4)36第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-集成功率放大器广泛用于音响、电视和小电机集成功率放大器广泛用于音响、电视和小电机的驱动方面。集成功放是在集成运算放大器的电压的驱动方面。集成功放是在集成运算放大器的电压互补输出级后，加入互补功率输出级而构成的。大互补输出级后，加入互补功率输出级而构成的。大多数集成功率放大器实际上也就是一个具有直接耦多数集成功率放大器实际上也就是一个具有直接耦合特点的运算放大器。它的使用方法原则上与集成合特点的运算放大器。它的使用方法原则上与集成运算放大器相同。运算放大器相同。8.5集成集成功率放大电路功率放大电路37第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-功率器件的散热问题功率器件的散热问题 集成功放使用时不能超过规定的极限参数，极限参集成功放使用时不能超过规定的极限参数，极限参数主要有功耗和最大允许电源电压。集成功放要加有足数主要有功耗和最大允许电源电压。集成功放要加有足够大的散热器，保证在额定功耗下温度不超过允许值。够大的散热器，保证在额定功耗下温度不超过允许值。8.5集成集成功率放大电路功率放大电路1.最高允许结温。最高允许结温。2.通常的散热措施是给功放管加装散热片。通常的散热措施是给功放管加装散热片。3.散热片（板）是铜、铝等导热性能良好的金属材料散热片（板）是铜、铝等导热性能良好的金属材料制成的，尺寸越大散热能力越强，使用时可根据散热制成的，尺寸越大散热能力越强，使用时可根据散热要求的不同来选配。要求的不同来选配。38第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-为了适用大功率的要求，开发了一种为了适用大功率的要求，开发了一种V形开槽形开槽的纵向的纵向MOS，称，称VMOS；随后又出现了一种更新的；随后又出现了一种更新的双扩散双扩散MOS，称，称DMOS。1.VMOSsio2N+型衬底型衬底漏极漏极DN-型外延层型外延层N+N+PS源极源极G栅极栅极8.5.2 功率功率VMOSFETVMOSFET和和DMOSFETDMOSFET8.5集成集成功率放大电路功率放大电路39第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-2.DMOS漏极漏极D源极源极S栅极栅极G8.5.2 功率功率VMOSFETVMOSFET和和DMOSFETDMOSFET8.5集成集成功率放大电路功率放大电路40第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-2.VMOS和和DMOS器件的优点器件的优点(1)(1)与与MOSMOS器件一样是电压控制电流器件，输入阻抗极器件一样是电压控制电流器件，输入阻抗极 高，因此所需驱动电流极小，功率增益高；高，因此所需驱动电流极小，功率增益高；(2)VMOS(2)VMOS不会出现热击穿，温度稳定性好；不会出现热击穿，温度稳定性好；(3)(3)高频特性好；高频特性好；(4)(4)导通电阻导通电阻r rDSDS小；小；8.5.2 功率功率VMOSFETVMOSFET和和DMOSFETDMOSFET8.5集成集成功率放大电路功率放大电路41第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-8.5.3 以以MOSMOS功率管作输出级的甲乙类功率放大器功率管作输出级的甲乙类功率放大器SHM1150II BiMOS集成功率放大器集成功率放大器v01v02v02v01-v028.5集成集成功率放大电路功率放大电路42第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-12V 50VPOmax 150W8.5.3 以以MOSMOS功率管作输出级的甲乙类功率放大器功率管作输出级的甲乙类功率放大器SHM1150II BiMOS集成功率放大器集成功率放大器8.5集成集成功率放大电路功率放大电路43第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-=22V8.5.4 BJTBJT集成功率放大器举例集成功率放大器举例LM380 集成音频功率放大器集成音频功率放大器8.5集成集成功率放大电路功率放大电路44第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-=22V8.5.4 BJTBJT集成功率放大器举例集成功率放大器举例LM380 集成音频功率放大器集成音频功率放大器8.5集成集成功率放大电路功率放大电路45第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-1功率放大器的特点：工作在大信号状态下，输出电功率放大器的特点：工作在大信号状态下，输出电压和输出电流都很大。要求在允许的失真条件下，尽可压和输出电流都很大。要求在允许的失真条件下，尽可能提高输出功率和效率。能提高输出功率和效率。2为了提高效率，在功率放大器中，为了提高效率，在功率放大器中，BJT常工作在乙类常工作在乙类和甲乙类状态下，并用互补对称结构使其基本不失真。和甲乙类状态下，并用互补对称结构使其基本不失真。这种功率放大器理论上的最大输出效率可以达到这种功率放大器理论上的最大输出效率可以达到78.5。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、甲乙类。乙类、甲乙类。OTL（单电源）（单电源）乙类、甲乙类。乙类、甲乙类。小小 结结46第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-例例1互补对称功放电路如图，互补对称功放电路如图，VCC=-VEE=20V,RL=8，T1与与T2管管的的VCES=2V1)当当T3输出信号输出信号VO3=10V有效值时，计算有效值时，计算电路的输出功率、管耗、直流电源供给功电路的输出功率、管耗、直流电源供给功率和效率。率和效率。2)该电路不失真的最大输出功率、效率和该电路不失真的最大输出功率、效率和所需所需VO3有效值是多少？有效值是多少？解解 1)T3的输出的输出VO3也就是也就是OCL的输入信号的输入信号10v输出功率输出功率:直流电源供给功率直流电源供给功率:每支管子的管耗每支管子的管耗:效率效率:47第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-例例1互补对称功放电路如图，互补对称功放电路如图，VCC=-VEE=20V,RL=8，T1与与T2管管的的VCES=2V1)当当T3输出信号输出信号VO3=10V有效值时，计算有效值时，计算电路的输出功率、管耗、直流电源供给功电路的输出功率、管耗、直流电源供给功率和效率。率和效率。2)该电路不失真的最大输出功率、效率和该电路不失真的最大输出功率、效率和所需所需VO3有效值是多少？有效值是多少？解解 2)T3的输出的输出VO3也就是也就是OCL的输入信号的输入信号10v48第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-解解 1)静态时，电容静态时，电容C3两端的电压是：两端的电压是：VCC/2=10V调整调整R2或或R3可满足这个要求。可满足这个要求。2)调整调整R2，增大，增大R2可以加大可以加大VB1B2，从而提高了，从而提高了T1、T2的导通程度。的导通程度。49例例2OTL功放电路如图，功放电路如图，VCC=20V,RL=8，T1与与T2管的管的VCES=2V1)静态时，电容静态时，电容C3两端的电压是多少？调整两端的电压是多少？调整哪个电阻能满足这个要求？哪个电阻能满足这个要求？2)动态时，若出现交越失真应调整哪个电阻？动态时，若出现交越失真应调整哪个电阻？如何调整？如何调整？3)计算该电路不失真的最大输出功率和效率？计算该电路不失真的最大输出功率和效率？第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-例例2OTL功放电路如图，功放电路如图，VCC=20V,RL=8，T1与与T2管的管的VCES=2V1)静态时，电容静态时，电容C3两端的电压是多少？调整两端的电压是多少？调整哪个电阻能满足这个要求？哪个电阻能满足这个要求？2)动态时，若出现交越失真应调整哪个电阻？动态时，若出现交越失真应调整哪个电阻？如何调整？如何调整？3)计算该电路不失真的最大输出功率和效率？计算该电路不失真的最大输出功率和效率？解解 3)50第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-例例3如图，如图，VCC=35V,RL=35，流过负载，流过负载RL的电流为的电流为i i0=0.45cost(A).1)负载上所能得到的功率负载上所能得到的功率P0？2)电源供给功率电源供给功率PV？解解 1)2)由于输出电压对称，所以电源功率等由于输出电压对称，所以电源功率等于输出正半周时，电源提供的功率于输出正半周时，电源提供的功率51第第8章章 功率放大电路功率放大电路51-作业题作业题P40752