武汉理工大学模电功率放大电路学习教案.pptx
会计学1武汉理工大学模电功率放大电路武汉理工大学模电功率放大电路(dinl)第一页，共40页。2023/5/268.功率放大电路功率放大电路(dinl)1引言(ynyn)2功率放大电路的一般(ybn)问题4乙类双电源互补对称功率放大器5甲乙类互补对称功率放大器7集成功率放大器8功率器件作业作业3射极输出器甲类放大的实例共射极甲类放大电路共射极甲类放大电路6其它类型互补对称功率放大电路第1页/共40页第二页，共40页。TAKE A REST第2页/共40页第三页，共40页。2023/5/26引言引言(ynyn)第3页/共40页第四页，共40页。2023/5/26功率放大电路功率放大电路(dinl)的一般问的一般问题题1.功率(gngl)放大器的特点（P134）2.对功率放大电路(dinl)的一般要求3.功率放大器的分类小信号、低功率输出的放大电路中，三极管都工作在小信号、低功率输出的放大电路中，三极管都工作在线线性区性区，要求向负载输出不失真的电压信号，分析方法可以，要求向负载输出不失真的电压信号，分析方法可以采用采用小信号模型法小信号模型法，关心的指标包括增益，关心的指标包括增益A、输入电阻、输入电阻Ri、输出电阻输出电阻Ro等，输出信号的失真是可以忽略不计的；等，输出信号的失真是可以忽略不计的；功率输出电路则不同，要求输出一定不失真功率，电流、功率输出电路则不同，要求输出一定不失真功率，电流、电压值都很大，小信号模型不再适用，多采用电压值都很大，小信号模型不再适用，多采用图解分析图解分析方法方法；关心的指标则是输出功率；关心的指标则是输出功率Po、管耗、管耗PT、直流电源、直流电源供给功率供给功率PV、效率、效率等；等；用于用于驱动驱动扬声器一类的扬声器一类的低阻负载低阻负载。第4页/共40页第五页，共40页。2023/5/26对功放的一般对功放的一般(ybn)要求要求提高效率的同时降低提高效率的同时降低(jingd)三极管本身的管耗三极管本身的管耗减小输出减小输出(shch)信号的非线性失真现象信号的非线性失真现象能驱动如扬声器般的低阻负载能驱动如扬声器般的低阻负载能有效地将结温控制在最大允许的范围之内，即散热问题能有效地将结温控制在最大允许的范围之内，即散热问题输出功率尽可能地大输出功率尽可能地大采取保护措施使功率放大器工作在安全工作区采取保护措施使功率放大器工作在安全工作区Angle of flow or conduction angle第5页/共40页第六页，共40页。2023/5/26功放的分类功放的分类(fn li)根据晶体管在正弦信号一个根据晶体管在正弦信号一个(y)周期内的导通时间（导通角周期内的导通时间（导通角，直，直接关系到输出功率的效率）接关系到输出功率的效率）,分为甲类、乙类、甲乙类、丙类分为甲类、乙类、甲乙类、丙类4种：种：Class A:=360Class B:=180Class AB:180 360Class C:180第6页/共40页第七页，共40页。2023/5/26射极输出器射极输出器甲类放大甲类放大(fngd)的实例的实例1共集电极电路共集电极电路(dinl)(射极输出器射极输出器)电压增益近似为电压增益近似为1、电流、电流(dinli)增益为增益为（1+），所以有明显的功率放大作用），所以有明显的功率放大作用输出电阻小，带负载能力强，常用做多输出电阻小，带负载能力强，常用做多级放大电路的输出级。级放大电路的输出级。第7页/共40页第八页，共40页。2023/5/26射极输出射极输出(shch)器器甲类放甲类放大的实例大的实例21.静态分析静态分析(fnx)（直流通路）（直流通路）Q2.动态分析（图解法）动态分析（图解法）vi在正半周在正半周镜像电流镜像电流(dinli)源保证稳定的偏置电流源保证稳定的偏置电流(dinli)直到饱和，继而出现饱和失真；此时最大不失真输出为：直到饱和，继而出现饱和失真；此时最大不失真输出为：vi在负半周在负半周直至直至T1截止或截止或T3饱和（通常不考虑饱和（通常不考虑T3率先饱和）率先饱和）第8页/共40页第九页，共40页。2023/5/26射极输出射极输出(shch)器器甲类放甲类放大的实例大的实例33.功率功率(gngl)和效和效率的计算率的计算例例8.2.1 设电路如图所示。设电路如图所示。VCC=VEE=15V，IBIAS=1.85A，RL=8。vI=VBIAS+vi，在偏置电压源，在偏置电压源VBIAS=0.6V作作用下，当用下，当vi=0时，输出电压时，输出电压vO0。若。若vi为正弦信号电压，为正弦信号电压，试计算最大输出功率试计算最大输出功率Pom、T1的管耗的管耗PT1、电流、电流(dinli)源的损耗和效率源的损耗和效率最大不失真输出最大不失真输出求最大输出功率求最大输出功率Pom求管耗和电源损耗、求放大电路的效率求管耗和电源损耗、求放大电路的效率显然，静态管耗是转换效率不高的原因。降低静态管耗，可以从设法降低Q点入手甲乙类和乙类工作方式的功率放大器。第9页/共40页第十页，共40页。2023/5/26求管耗、电流求管耗、电流(dinli)源损耗、源损耗、效率效率输出功率最大时输出功率最大时理想情况理想情况(qngkung)下，电阻负载的甲类功放最高效率也只能达到下，电阻负载的甲类功放最高效率也只能达到25%；变压器类负载的效率不超过；变压器类负载的效率不超过50%第10页/共40页第十一页，共40页。2023/5/26乙类双电源互补对称乙类双电源互补对称(duchn)功率放大器功率放大器1.电路(dinl)组成2.工作(gngzu)原理3.分析计算4.功率BJT的选择一对互补的一对互补的PNP和和NPN型三极管型三极管构成推拉式输出级构成推拉式输出级正、负直流电源供电正、负直流电源供电静态或功率管不导通的半个周期内，晶体管没有电流通过，管耗为零；虽减少了静态功耗，所以效率与甲类功放相比较高（理论值可达78.5%），但出现了严重的波形失真，是以牺牲线性为代价的。第11页/共40页第十二页，共40页。2023/5/26乙类功放电路乙类功放电路(dinl)组成组成第12页/共40页第十三页，共40页。2023/5/26乙类功放工作乙类功放工作(gngzu)原理原理1)vi=0 时，为静态时，为静态(jngti)vitovoto2)vi正半周时，正半周时，T1导通，导通，T2截止截止(jizh)3)vi负半周时，负半周时，T2导通，导通，T1截止截止功率管在信号的正半周或负半周内导通，导通角为180。第13页/共40页第十四页，共40页。2023/5/26乙类功放分析乙类功放分析(fnx)计算计算负载(fzi)上的输出平均功率：最大不失真(sh zhn)平均功率Pom：（2）转换效率的计算（1）输出功率的计算（3）功率管的功率损耗PT的计算（4）PT1、PV、PO的相关曲线最大输出功率与阻抗匹配最大输出功率与阻抗匹配第14页/共40页第十五页，共40页。2023/5/26最大输出功率与阻抗匹配最大输出功率与阻抗匹配(z kn p pi)第15页/共40页第十六页，共40页。2023/5/26转换转换(zhunhun)效率效率的计算的计算若忽略放大(fngd)管的饱和管压降，乙类双电源互补对称功放的最大效率可达第16页/共40页第十七页，共40页。2023/5/26功率管功率损耗功率管功率损耗(snho)PT的计的计算算功率(gngl)放大电路的功率(gngl)损耗实际上是BJT三极管的功率(gngl)损耗，即晶体管集电结上的功耗。一个信号周期(zhuq)内的平均管耗为：求最大值：求最大值：选择功率管的依据之一第17页/共40页第十八页，共40页。2023/5/26平均平均(pngjn)管耗管耗第18页/共40页第十九页，共40页。2023/5/26相关相关(xinggun)曲线曲线对常规(chnggu)坐标做线性变换，以为横坐标轴x，为纵坐标轴y 直观地表达各项性能指标的特征(tzhng)规律：4.管耗最大的时候是在中间的某个位置第19页/共40页第二十页，共40页。2023/5/26相关相关(xinggun)曲线与特征规曲线与特征规律律第20页/共40页第二十一页，共40页。2023/5/26功率功率(gngl)BJT的选择的选择1.每只BJT的最大允许(ynx)管耗PCM必须大于0.2 Pom;例8.3.1 电路(dinl)如图所示,设VCC=12V,RL=8,功率BJT的极限参数为ICM=2A,V（BR）CEO=30V，PCM=5W。试求：（1）最大输出功率Pom，并检验所给出的BJT是否能安全工作？（2）放大电路(dinl)在=0.6时的输出功率Po第21页/共40页第二十二页，共40页。2023/5/26例例8.3.1解：解：求求Pom，并检验，并检验(jinyn)BJT的安全工作情况的安全工作情况=（12V）2/2 8=9W通过(tnggu)BJT的最大集电极电流：最大管耗：BJTc、e极间的最大压降：极间的最大压降：iCmax=VCC/RL=12V/8=1.5AvCEm=2VCC =24VPT1m 0.2Pom =0.2 9W =1.8W求得的求得的iCm、vCEm 和和 PT1m，均应分别，均应分别(fnbi)小于极限参数小于极限参数ICM、V（BR）CEO 和和 PCM，BJT方能安全工作。方能安全工作。求=0.6时的 Po 值:Vom=9.2V第22页/共40页第二十三页，共40页。2023/5/26甲乙类互补甲乙类互补(h b)对称功率放大对称功率放大器器1.甲乙类双电源互补对称(duchn)电路2.甲乙类单电源互补(h b)对称电路乙类功放的优势与乙类功放的优势与缺陷缺陷？死区导致死区导致交越失真交越失真（DEAD BAND CROSSOVER DISTORTION）采用近乙类的甲乙类工作采用近乙类的甲乙类工作方式可以有效地消除交越方式可以有效地消除交越失真失真第23页/共40页第二十四页，共40页。2023/5/26交越失真交越失真(sh zhn)第24页/共40页第二十五页，共40页。2023/5/26甲乙类双电源互补甲乙类双电源互补(h b)对称功对称功放放(OCL)11.偏置偏置(pin zh)电路：电路：甲乙类工作方式可以消除(xioch)交越失真假设VBB/2=VBE1=VBE2，则vi=0时，两个功率管均导通，同时vo=02.利用二极管提供偏置的甲乙类双电源输出级：利用二极管提供偏置的甲乙类双电源输出级：3.利用利用vBE扩大电路进行偏置的双电源互补对称电路：扩大电路进行偏置的双电源互补对称电路：第25页/共40页第二十六页，共40页。2023/5/26甲乙类双电源互补甲乙类双电源互补(h b)对称功对称功放放22.利用二极管提供偏置利用二极管提供偏置(pin zh)的甲乙类双电源输出级：的甲乙类双电源输出级：由二极管建立起来的静态偏置(Quiescent bias)使T1、T2在静态时处于微导通状态，基本上可以消除交越失真，实现线性放大，但是大小(dxio)比较难控制根据瞬时极性(instantaneous polarity)，vI0时，T2管导通；其特性参数的计算同乙类放大，效率略低于乙类放大。T3管前置放大级，T1、T2构成互补对称的推拉式输出级第26页/共40页第二十七页，共40页。2023/5/26甲乙类双电源互补甲乙类双电源互补(h b)对称功对称功放放33.利用利用vBE扩大电路扩大电路(dinl)进行偏置的双电源互补进行偏置的双电源互补对称电路对称电路(dinl)：只要从工艺上保证VBE4恒定，就可以通过调整(tiozhng)R1、R2的大小来获得T1、T2所需要的偏置电压T4、R1、R2共同为T1、T2提供合适的偏置条件，在可以忽略IB4的情况下第27页/共40页第二十八页，共40页。2023/5/26甲乙类单电源互补甲乙类单电源互补(h b)对称功对称功放放(OTL)1.基本基本(jbn)电路：电路：信号(xnho)负半周时，T2导通，C充电信号正半周时，T1导通，C放电2.采用单电源的互补对称电路：采用单电源的互补对称电路：通过调整R1、R2的值来确保电容C上的电压为：可视为负电源第28页/共40页第二十九页，共40页。2023/5/26其它类型其它类型(lixng)功率放大电功率放大电路路11.采用采用(ciyng)复合管复合管(达林顿达林顿)的的OCL电路：电路：采用一对同型号的大功率管和一对异型号的互补的小功率管各自构成复合管来取代(qdi)互补对称管，所以又称为准互补对称（Quasi complementary circuit）功率放大器。第29页/共40页第三十页，共40页。2023/5/26其它其它(qt)类型功率放大电路类型功率放大电路22.桥式推挽桥式推挽(tu wn)功率放大电路功率放大电路(BTL电路电路)：在输入信号(xnho)vi正半周时，T1、T3导通，T2，T4截止，负载电流由VCC经T1，RL，T3流到虚地端；在输入信号vi负半周时，T2、T4导通，T1，T3截止，负载电流由VCC经 T2，RL，T4流到虚地端。实质仍然为乙类推挽放大电路 相同条件下，输出功率为OTL电路的4倍，电源利用率高；效率在理想情况下，仍近似为78.5%。第30页/共40页第三十一页，共40页。2023/5/26集成功率放大器集成功率放大器在集成(j chn)运放的基础上发展而来；在安全性、转换效率、输出功率和保真度方面有特殊(tsh)的要求。电路(dinl)内部通常引入的是深度负反馈 有过热、过电流、过电压等保护电路 1功率器件的散热与功率BJT的二次击穿问题 2常用BJT集成功率放大器举例：LM380 第31页/共40页第三十二页，共40页。2023/5/26LM380（封装与符号（封装与符号(fho)）第32页/共40页第三十三页，共40页。2023/5/26LM380（内部（内部(nib)原理图）原理图）第33页/共40页第三十四页，共40页。2023/5/26LM380（典型（典型(dinxng)应用应用1）第34页/共40页第三十五页，共40页。2023/5/26LM380（典型（典型(dinxng)应用应用2）第35页/共40页第三十六页，共40页。2023/5/26作业作业(zuy)8.3.48.4.4、8.4.5第36页/共40页第三十七页，共40页。2023/5/26素材素材(sci)1iC1iC2QiB=常数常数(chngsh)AB00vCE VCES VCES Icm2IcmVcem2VcemiC1QiB=常数常数(chngsh)AB0vCE1 VCES Vcem1Icm1第37页/共40页第三十八页，共40页。2023/5/26素材素材(sci)2vo3第38页/共40页第三十九页，共40页。2023/5/26基本基本(jbn)共射极甲类放大电共射极甲类放大电路路忽略(hl)管压降VCES的前提下，直流电源的供给的平均功率为：信号的最大不失真(sh zhn)输出电压负载电阻RL上得到的最大有用平均功率为：此时，电路的转换效率也达到最高：显然，静态管耗是转换效率不高的原因。降低静态管耗，可以从设法降低Q点入手甲乙类和乙类工作方式的功率放大器。第39页/共40页第四十页，共40页。
