功率放大器 (2)精.ppt

功率放大器第1页，本讲稿共35页 10.2 互补推挽功率放大器10.3 其它形式的功放电路10.1 概述第2页，本讲稿共35页 45810.1 概述概述10.1.1 功率放大器的主要指标10.1.2 功率放大器的分类第3页，本讲稿共35页 45910.1.1 功率放大器的主要指标功率放大器的主要指标 功率放大：以输出功率为重点，驱动负载。功率放大：以输出功率为重点，驱动负载。电压放大：不失真地增大输出信号电压幅度，以驱动功放。电压放大：不失真地增大输出信号电压幅度，以驱动功放。功率放大实质上也是能量转换电路，它的主要特点功率放大实质上也是能量转换电路，它的主要特点就是工作在大信号状态下。就是工作在大信号状态下。1.预备知识 电压放大和功率放大有不同的特点及指标要求，在多级电压放大和功率放大有不同的特点及指标要求，在多级放大器中，电压放大器处于前置级和中间级，而功率放大处放大器中，电压放大器处于前置级和中间级，而功率放大处在末级（也可能包括末前级），以驱动负载。在末级（也可能包括末前级），以驱动负载。第4页，本讲稿共35页 460（2 2）功率放大器的效率）功率放大器的效率和晶体管集电极效率和晶体管集电极效率2.主要指标主要指标 功率放大器在线性区能够向负载提供的功率放大器在线性区能够向负载提供的最大最大交流功率。交流功率。工作在线性区；工作在线性区；（1）输出功率注意：注意：提供的最大交流功率（管子充分利用或称尽限运用）。提供的最大交流功率（管子充分利用或称尽限运用）。效率效率：放大器的输出信号功率：放大器的输出信号功率 与直流电源供给功率与直流电源供给功率 之比。之比。：直流电源供给集电极和偏置电路等直流功率之和。晶体管集电极效率 ：输出功率Po与电源供给集电极的直流功率 之比。10.1.1 功率放大器的主要指标 第5页，本讲稿共35页 461 直流电源供给功率直流电源供给功率 一部分变成了有用的输出信号，一部分变成了有用的输出信号，剩余的部分主要变成了晶体管的管耗剩余的部分主要变成了晶体管的管耗 ，即：，即：（3 3）非线性失真）非线性失真 由于功放工作在大信号状态下，所以很容易导致输出由于功放工作在大信号状态下，所以很容易导致输出信号产生非线性失真。要求功放产生的非线性失真尽可能小。信号产生非线性失真。要求功放产生的非线性失真尽可能小。结论：结论：功率放大器的任务是功率放大器的任务是:在确保晶体管安全运用情况下，在确保晶体管安全运用情况下，获得尽可能大的输出功率，尽可能高的效率和尽可能小的获得尽可能大的输出功率，尽可能高的效率和尽可能小的非线性失真。非线性失真。10.1.1 功率放大器的主要指标功率放大器的主要指标 第6页，本讲稿共35页 46210.1.2 功率放大器的分类功率放大器的分类功率放大器根据功放管的导通时间的长短进行分类。功率放大器根据功放管的导通时间的长短进行分类。（1 1）甲类（）甲类（A A类）工作状态类）工作状态 在输入信号的整个周期内晶体管在输入信号的整个周期内晶体管都是导通的。都是导通的。（2 2）乙类（）乙类（B B类）工作状态类）工作状态 在输入信号的半个周期内晶体管在输入信号的半个周期内晶体管导通。导通。第7页，本讲稿共35页 463 10.1.2 功率放大器的分类功率放大器的分类（3 3）甲乙类（）甲乙类（ABAB类）工作状态类）工作状态 是介于甲类和乙类之间的工作状态，晶体管导通的时间大于是介于甲类和乙类之间的工作状态，晶体管导通的时间大于半个周期，但小于一个周期。半个周期，但小于一个周期。（4 4）丙类（）丙类（C C类）工作状态类）工作状态晶体管导通的时间小于半个周期。晶体管导通的时间小于半个周期。第8页，本讲稿共35页 46410.1.2 功率放大器的分类功率放大器的分类（5 5）丁类（）丁类（D D类）工作状态类）工作状态 此时，晶体管处于开关状态，即在输入信号的半个周期内此时，晶体管处于开关状态，即在输入信号的半个周期内饱和导通；在另外半个周期内，晶体管截止。饱和导通；在另外半个周期内，晶体管截止。饱和导通：饱和导通：五类功放的效率满足下式：五类功放的效率满足下式：静态电流是造成功耗静态电流是造成功耗的主要原因。的主要原因。（6 6）结论）结论第9页，本讲稿共35页 46610.2 互补推挽功率放大器互补推挽功率放大器10.2.1 乙类推挽功率放大器的工作原理10.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算10.2.3 乙类推挽功率放大器的非线性失真第10页，本讲稿共35页 10.2 互补推挽功率放大器互补推挽功率放大器引言：甲类单管功放简介设变压器为理想的设变压器为理想的第11页，本讲稿共35页 需要强调指出的是，对于甲类功率，需要强调指出的是，对于甲类功率，PU是一常数，与输入信号是一常数，与输入信号的大小无关。即使输入信号为零，直流电源还照样提供直流功率，的大小无关。即使输入信号为零，直流电源还照样提供直流功率，因此效率很低。因此效率很低。时当10.2 互补推挽功率放大器第12页，本讲稿共35页 467 采用乙类的原因：由于晶体管只在半个周期内采用乙类的原因：由于晶体管只在半个周期内导通，因此晶体管的集电极静态电流导通，因此晶体管的集电极静态电流 ，所以，所以一个周期内晶体管的平均功耗小。一个周期内晶体管的平均功耗小。10.2.1 乙类推挽功率放大器的工作原理乙类推挽功率放大器的工作原理显然，显然，集电极电流集电极电流产生了产生了严重的非线性失真严重的非线性失真 选用两只特性完全相同选用两只特性完全相同的异型晶体管的异型晶体管 ，轮流工作在，轮流工作在乙类状态。乙类状态。如何解决非线性失真和高效率的矛盾？如何解决非线性失真和高效率的矛盾？从而在负载上获得完整的输出波形从而在负载上获得完整的输出波形。第13页，本讲稿共35页 4681.电路结构电路结构 （1 1）和和 是一对对是一对对称的异型晶体管；称的异型晶体管；（2 2）和和 分别与分别与负载组成射极跟随器；负载组成射极跟随器；（3 3）采用）采用 两组电源两组电源供电。供电。两管交替工作，一只在输入两管交替工作，一只在输入信号正半周导通，另一只在负半信号正半周导通，另一只在负半周导通，犹如一推一挽，在负载周导通，犹如一推一挽，在负载上合成完整的波形。上合成完整的波形。10.2.1乙类推挽功率放大器的工作原理第14页，本讲稿共35页 4692.工作原理工作原理注：以下的分析中不考虑门限电压。注：以下的分析中不考虑门限电压。电路电路两管基极的静态电位为零两管基极的静态电位为零两管均截止两管均截止10.2.1乙类推挽功率放大器的工作原理第15页，本讲稿共35页 470 2.工作原理工作原理电路电路 导通，导通，截止截止 与与 组成射极跟随器组成射极跟随器在在 上得到上半周波形上得到上半周波形 输入信号在正半周的情况输入信号在正半周的情况10.2.1乙类推挽功率放大器的工作原理第16页，本讲稿共35页 4712.工作原理工作原理电路 导通，导通，截止截止 与与 组成射极跟随器组成射极跟随器在在 上得到下半周波形上得到下半周波形 输入信号在负半周的情况输入信号在负半周的情况10.2.1乙类推挽功率放大器的工作原理第17页，本讲稿共35页 472 2.工作原理工作原理10.2.1乙类推挽功率放大器的工作原理第18页，本讲稿共35页 473静态时两管的Q点重合10.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算组合特性曲线组合特性曲线1.组合特性曲线 由于功放电路工作在大由于功放电路工作在大信号状态下，不能采用微变信号状态下，不能采用微变等效电路分析，必须采用图等效电路分析，必须采用图解法分析。为了便于分析，解法分析。为了便于分析，将将VTVT2 2的特性曲线倒置在的特性曲线倒置在VTVT1 1特性曲线的下方，它们的静特性曲线的下方，它们的静态工作点重合。态工作点重合。第19页，本讲稿共35页 474工作原理分析第20页，本讲稿共35页 475A2.输出功率输出功率不考虑不考虑u uCESCES时，输出功率是时，输出功率是AQOAQO的面积，此时输出功的面积，此时输出功率最大。率最大。两个晶体管的输出功率为两个晶体管的输出功率为 定义电压利用系数定义电压利用系数即忽略晶体管的饱和压降即忽略晶体管的饱和压降结论：结论：通常所指的输出功率 是指在线性区得到的最大输出功率。实际输出功率与激励信号的大小有关。第21页，本讲稿共35页 476 直流电源供给晶体管集电极的直流功率是由两个电源供直流电源供给晶体管集电极的直流功率是由两个电源供给的给的.由于每个晶体管只导通半周期，故流过每个集电极的由于每个晶体管只导通半周期，故流过每个集电极的电流为电流为半个周期的非正弦波半个周期的非正弦波。3.直流电源供给晶体管集电极的直流功率 可见，输入信号越大，即可见，输入信号越大，即越大，越大，需要提供的直流电源供给功率需要提供的直流电源供给功率P PU U就越大；就越大；反之，输入信号越小，需要提供的直流反之，输入信号越小，需要提供的直流电压功率就越小。当输入信号为零时，电压功率就越小。当输入信号为零时，直流电源不需要提供功率。直流电源不需要提供功率。这说明电源供给的直这说明电源供给的直流功率不是恒定不变的，流功率不是恒定不变的，而是根据输入信号大小而而是根据输入信号大小而变化。因此乙类功放的效变化。因此乙类功放的效率高（与甲类进行比较）。率高（与甲类进行比较）。第22页，本讲稿共35页 4774.集电极效率集电极效率 cmaxcmax称为理论极限效率。称为理论极限效率。可见，乙类推挽功放的集电极效率与电压利用系数可见，乙类推挽功放的集电极效率与电压利用系数成正比。成正比。10.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算第23页，本讲稿共35页 4785.对晶体管的要求对晶体管的要求（1 1）集电极功耗）集电极功耗P Pc c：每管的集电极损耗。：每管的集电极损耗。能否认为输入信号越大 越大），管耗就越大呢？均是对两管而言的均是对两管而言的管耗也与管耗也与有关。有关。为了保证晶体管安全工作为了保证晶体管安全工作通过管耗的表达式可以画出通过管耗的表达式可以画出 和和的关系曲线的关系曲线10.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算第24页，本讲稿共35页 479 处于截止状态的晶体管的处于截止状态的晶体管的c c极和极和e e极极之间承受的反压之间承受的反压（3 3）集电极最大允许电流）集电极最大允许电流指功放管导通时，流过管子的最大电流。指功放管导通时，流过管子的最大电流。（2）反向击穿电压结论：结论：为确保晶体管安全工作，必须同时满足上面的三个条件。为确保晶体管安全工作，必须同时满足上面的三个条件。图示的双电源供电的互补推挽功率放大器称为图示的双电源供电的互补推挽功率放大器称为OCLOCL（Output Capacitor Less)Output Capacitor Less)电路。电路。，导通，截止，情况一样。当 ，导通，截止，10.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算第25页，本讲稿共35页 480例10-1 一双电源互补对称电路如图所示，设已知UCC=12V,RL=16,输入信号为正弦波，求（1）忽略饱和压降时，负载得到的最大输出功率Pomax；(2)每个管子的PCM至少为多少？(3)每个管子的耐压为多少？解：(2)每管允许承受的管耗：每管允许承受的管耗：故要求管子允许的最大管耗为故要求管子允许的最大管耗为(3)每管的耐压为：每管的耐压为：第26页，本讲稿共35页 485交越失真实际传输特性及输出电压波形如图所示实际传输特性及输出电压波形如图所示交越失真交越失真交越失真是指发生交越失真是指发生在信号穿越过零点时产在信号穿越过零点时产生的失真。生的失真。10.2.3 乙类推挽功率放大器的非线性失真乙类推挽功率放大器的非线性失真第27页，本讲稿共35页 486门限电压门限电压原理电路原理电路消除交越失真的方法消除交越失真的方法改为甲乙类工作状态改为甲乙类工作状态交越失真交越失真 该图是原理电路，实际上，在集该图是原理电路，实际上，在集成电路中，正向偏置不会直接采用电成电路中，正向偏置不会直接采用电压源的方式，可以用电阻、二极压源的方式，可以用电阻、二极管和晶体管等元器件来提供。管和晶体管等元器件来提供。图中，给两个晶体管加入了同样的正偏电压 ，由于此时晶体管的导通时间已大于半个周期，因此此时的工作状态是甲乙类工作状态。但由于其工作状态十分接近于乙类，故仍可按乙类的功放进行分析。10.2.3 乙类推挽功率放大器的非线性失真乙类推挽功率放大器的非线性失真交越失真交越失真消除门限电压的影响？消除门限电压的影响？给两管给予一定的正向偏置给两管给予一定的正向偏置第28页，本讲稿共35页 490小 结乙类工作状态的矛盾互补推挽功放互补推挽功放电路结构电路结构工作原理工作原理电流波形图电流波形图组合特性曲线组合特性曲线性能指标性能指标非线性失真非线性失真工作原理工作原理性能指标计算性能指标计算极限参数选择极限参数选择交越失真交越失真消除方法消除方法10.2.3 乙类推挽功率放大器的非线性失真第29页，本讲稿共35页 49110.3 其它形式的功放电路其它形式的功放电路10.3.1 单电源供电的互补推挽电路10.3.2 准互补推挽功率放大器10.3.3 桥式平衡功率放大器第30页，本讲稿共35页 492 10.3.1 单电源供电的互补推挽电路单电源供电的互补推挽电路1.原理电路原理电路 双电源供电的互补推挽电路需要两组正负电源，使用不便双电源供电的互补推挽电路需要两组正负电源，使用不便.当电容当电容C C的容量很大时，对的容量很大时，对C C的充放的充放电时间远大于信号的半个周期。因此，电时间远大于信号的半个周期。因此，当两管轮流导通时，电容两端电压基本当两管轮流导通时，电容两端电压基本不变。不变。图示的单电源供电的互补推挽功率放大器称为OTL(Output Transformer Less)电路。第31页，本讲稿共35页 49510.3.1 单电源供电的互补推挽电路单电源供电的互补推挽电路2.性能指标性能指标 该电路的性能指标计算等同于OCL电路，只是此时的等效电源电压为UCC/2。第32页，本讲稿共35页 496 10.3.2 准互补推挽功率放大器准互补推挽功率放大器复合管类型以第一个晶体管为准；复合管类型以第一个晶体管为准；应保证两管的基极电流能流通；应保证两管的基极电流能流通；第一管的第一管的c c、e e不能和第二管的不能和第二管的b b、e e接在一起。接在一起。1.复合管 将两只或两只以上的晶体管按照一定的原则连接在一起，将两只或两只以上的晶体管按照一定的原则连接在一起，以实现一定的目的。以实现一定的目的。（1 1）等效为）等效为NPNNPN管管（2 2）等效为）等效为PNPPNP管管（3 3）连接原则：）连接原则：第33页，本讲稿共35页 497 10.3.2 准互补推挽功率放大器准互补推挽功率放大器2.准互补推挽电路准互补推挽电路 VT VT5 5作为放大管，工作在甲类作为放大管，工作在甲类工作状态。工作状态。VT VT1 1、VTVT3 3 以复合管的方式构以复合管的方式构成成NPNNPN管。管。VT VT2 2、VTVT4 4 以复合管的方式构以复合管的方式构成成PNPPNP管。管。注：注：VTVT3 3和和VTVT4 4是同型管子，所以不具互补性，互补是同型管子，所以不具互补性，互补作用是由作用是由VTVT1 1和和VTVT2 2实现的。实现的。R Re1e1和和R Rc2c2的作用是为了减小的作用是为了减小复合管的穿透电流。复合管的穿透电流。第34页，本讲稿共35页 49810.3.3 桥式平衡功率放大器（桥式平衡功率放大器（BTLBTL电路电路)该功率放大器是为了解决输出该功率放大器是为了解决输出功率和电源电压之间的矛盾而提出功率和电源电压之间的矛盾而提出的。的。该电路最大的特点就是该电路最大的特点就是“推推”和和“挽挽”可以同时工作，因此实现了单可以同时工作，因此实现了单电压下的大功率输出。电压下的大功率输出。忽略饱和压降时，负载忽略饱和压降时，负载 的输出电压的输出电压幅度为幅度为 。忽略饱和压降时，负载忽略饱和压降时，负载 的输出电压的输出电压幅度为幅度为 。负载一定时，负载一定时，BTLBTL电路的输出功率可达到电路的输出功率可达到OTLOTL电路的四倍。电路的四倍。第35页，本讲稿共35页