第八章 功率放大电路精选文档.ppt

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1、第八章 功率放大电路本讲稿第一页，共二十五页1功率放大电路的定义功率放大电路的定义功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。它一般直接驱动功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。它一般直接驱动负载，带负载能力要强。负载，带负载能力要强。2功率放大电路与电压放大电路的区别功率放大电路与电压放大电路的区别(1).本质相同本质相同电压放大电路或电流放大电路：主要用于增强电压幅度或电流幅度。功率放大电路电压放大电路或电流放大电路：主要用于增强电压幅度或电流幅度。功率放大电路:主要输出较大的功率。但无论哪种放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电主要输出较大的功率。但无论哪种放大电路，

2、在负载上都同时存在输出电压、电流和功率，从能量控制的观点来看，放大电路实质上都是能量转换电路。因此，功流和功率，从能量控制的观点来看，放大电路实质上都是能量转换电路。因此，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。称呼上的区别只不过是强调的输出量率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。称呼上的区别只不过是强调的输出量不同而已。不同而已。8.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题本讲稿第二页，共二十五页8.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题(2).任务不同任务不同电压放大电路：主要任务是使负载得到不失真的电压信号。输出的功电压放大电路：主要任务是使负载得到不失真的电压信号

3、。输出的功率并不一定大。在小信号状态下工作。率并不一定大。在小信号状态下工作。功率放大电路：主要任务是使负载得到不失真（或失真较小）的输出功率放大电路：主要任务是使负载得到不失真（或失真较小）的输出功率。在大信号状态下工作。功率。在大信号状态下工作。(3).指标不同指标不同电压放大电路：主要指标是电压增益、输入和输出阻抗电压放大电路：主要指标是电压增益、输入和输出阻抗.功率放大电路：主要指标是功率、效率、非线性失真。功率放大电路：主要指标是功率、效率、非线性失真。(4).研究方法不同研究方法不同电压放大电路：图解法、等效电路法电压放大电路：图解法、等效电路法功率放大电路：图解法功率放大电路：图

4、解法3.功率放大电路的特殊问题功率放大电路的特殊问题（1）功率要大功率要大（2）效率要高效率要高（3）失真要小失真要小（4）散热要好散热要好为了获得大的为了获得大的功率输出，要功率输出，要求功放管的电求功放管的电压和电流都有压和电流都有足够大的输出足够大的输出幅度，因此管幅度，因此管子往往在接近子往往在接近极限运用状态极限运用状态下工作。下工作。所谓效率就是所谓效率就是负载得到的有负载得到的有用信号功率和用信号功率和电源供给的直电源供给的直流功率的比值流功率的比值。它代表了电。它代表了电路将电源直流路将电源直流能量转换为输能量转换为输出交流能量的出交流能量的能力能力.功率放大电路是功率放大电路

5、是在大信号下工作，在大信号下工作，所以不可避免地所以不可避免地会产生非线性失会产生非线性失真，这就使真，这就使输出输出功率和非线性失功率和非线性失真成为一对主要真成为一对主要矛盾矛盾。在功率放大电路在功率放大电路中，有相当大的中，有相当大的功率消耗在管子功率消耗在管子的集电结上，使的集电结上，使结温和管壳温度结温和管壳温度升高。为了充分升高。为了充分利用允许的管耗利用允许的管耗而使管子输出足而使管子输出足够大的功率，放够大的功率，放大器件的散热就大器件的散热就成为一个重要问成为一个重要问题。题。本讲稿第三页，共二十五页8.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题4放大电路的工作状态分类

6、放大电路的工作状态分类（1）甲类放大（）甲类放大（A类放大）类放大）在输入正弦信号的一个周期内三极管都导通，都在输入正弦信号的一个周期内三极管都导通，都有电流流过三极管。这种工作方式称为甲类放大。或称有电流流过三极管。这种工作方式称为甲类放大。或称A类放大。此时整个周期类放大。此时整个周期都有，功率管的导电角都有，功率管的导电角=2。（2）乙类放大（）乙类放大（B类放大）在输入正弦信号的一个周期内，只有半个周期三极管导类放大）在输入正弦信号的一个周期内，只有半个周期三极管导通。称为乙类放大。如图通。称为乙类放大。如图2所示，此时功率管的导电角所示，此时功率管的导电角=。本讲稿第四页，共二十五页

7、8.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题4放大电路的工作状态分类放大电路的工作状态分类（3）甲乙类放大（）甲乙类放大（AB类放大）类放大）在输入正弦信号的一个周期内，有半个周期在输入正弦信号的一个周期内，有半个周期以上三极管是导通的。称为甲乙类放大。如图所示，此时功率管的导电角以上三极管是导通的。称为甲乙类放大。如图所示，此时功率管的导电角满足：满足：2。（4）丙类放大（）丙类放大（c类放大）功率管的导电角小于半个周期，即类放大）功率管的导电角小于半个周期，即00，则，则T2截止，截止，T1承担放大任务，有电流通过负载承担放大任务，有电流通过负载RL；(c)互补对称互补对称(OCL

8、)电路电路:为了使负载上得到的波形正、负半周大小相同，还要求两个管为了使负载上得到的波形正、负半周大小相同，还要求两个管子的特性必须完全一致，即工作性能对称。所以图子的特性必须完全一致，即工作性能对称。所以图1所示电路通常称为乙类互补对称电所示电路通常称为乙类互补对称电路。路。该电路是由两个射极输出器组成的。图中,T1和T2分别为NPN型管和PNP型管，两管的基极和发射极相互连接在一起，信号从基极输入，从射极输出，RL为负载 8.3 乙类互补对称功放的组成原理乙类互补对称功放的组成原理本讲稿第八页，共二十五页功率放大电路的分析任务是功率放大电路的分析任务是求解最大输出功率、效率及三极管的工作求

9、解最大输出功率、效率及三极管的工作参数参数等。分析的关键是等。分析的关键是vo的变化范围。在分析方法上，通常采用图解法，这是的变化范围。在分析方法上，通常采用图解法，这是因为因为BJT处于大信号下工作。处于大信号下工作。根据图解分析，可得输出电压的幅值根据图解分析，可得输出电压的幅值为为Vom=IomRL=VCC-VCE1其最大值其最大值为为Vommax=VCC-VCES。T2管的工作情况和管的工作情况和T1相似，只是相似，只是在信号的负半周导电。在信号的负半周导电。2.乙类互补对称功放的图解分析乙类互补对称功放的图解分析下图表示在下图表示在vi为正半周时为正半周时T1的工作情况。图中假定，只

10、要的工作情况。图中假定，只要vBE1=vi0，T1就开始就开始导电，则在一周期内导电，则在一周期内T1导电时间约为半周期。随着导电时间约为半周期。随着vi的增大，工作点沿着的增大，工作点沿着负载线上移，则负载线上移，则io=iC1增大，增大，vo也增大，当工作点上移到图中也增大，当工作点上移到图中A点时，点时，vCE1=VCES，已到输出特性的饱和区，此时输出电压达到最大不失真幅值，已到输出特性的饱和区，此时输出电压达到最大不失真幅值Vomax。本讲稿第九页，共二十五页两管的工作情况：为了便于分析两管的工作情况，将两管的工作情况：为了便于分析两管的工作情况，将T2的特性曲线倒置在的特性曲线倒置

11、在T1的的右下方，并令二者在右下方，并令二者在Q点，即点，即vCE=VCC处重合，形成处重合，形成T1和和T2的所谓合成曲线，如图的所谓合成曲线，如图(b)所示。所示。这时负载线通过这时负载线通过VCC点形成一条斜线，其斜率为点形成一条斜线，其斜率为-1/RL。显然，允许的。显然，允许的io的最大变的最大变化范围为化范围为2Iom，vo的变化范围为的变化范围为2Vommax=2IomRL=2(VCC-VCES)。若忽略管子的饱和压降。若忽略管子的饱和压降VCES，则，则Vom2VCC。根据以上分析，不难求出工作在乙类的互补对称电路的输。根据以上分析，不难求出工作在乙类的互补对称电路的输出功率、

12、管耗、直流电源供给的功率和效率。出功率、管耗、直流电源供给的功率和效率。当VomVcc和Iom=Icm时获得最大输出功率本讲稿第十页，共二十五页本讲稿第十一页，共二十五页考虑到考虑到T1和和T2在一个信号周期内各导电约在一个信号周期内各导电约180，且通过两管的电流和，且通过两管的电流和两管两端的电压两管两端的电压vCE在数值上都分别相等（只是在时间上错开了半个周期）。在数值上都分别相等（只是在时间上错开了半个周期）。因此，为求出总管耗，只需先求出单管的损耗就行了。设输出电压为因此，为求出总管耗，只需先求出单管的损耗就行了。设输出电压为vo=Vomsint，则，则T1的管耗为的管耗为而两管的管

13、耗为而两管的管耗为3乙类互补对称功放的管耗乙类互补对称功放的管耗本讲稿第十二页，共二十五页效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。为效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。为了计算效率，必须先分析直流电源供给的功率了计算效率，必须先分析直流电源供给的功率PV，它包括负载得到的信，它包括负载得到的信号功率和号功率和T1、T2消耗的功率两部分，即消耗的功率两部分，即当当输出电压幅值达到最大，即输出电压幅值达到最大，即Vom=VCC时，则得电源供给的最大功率为时，则得电源供给的最大功率为所以，一般情况下效率为所以，一般情况下效率为当当Vom=VCC时，则时，则4乙

14、类互补对称功放的效率乙类互补对称功放的效率本讲稿第十三页，共二十五页工作在乙类的基本互补对称电路，在静态时，管子几乎不取电流，管耗接近工作在乙类的基本互补对称电路，在静态时，管子几乎不取电流，管耗接近于零，因此，当输入信号较小时，输出功率较小，管耗也小，这是容易理解于零，因此，当输入信号较小时，输出功率较小，管耗也小，这是容易理解的；但能否认为，当输入信号愈大，输出功率也愈大，管耗就愈大呢？答案的；但能否认为，当输入信号愈大，输出功率也愈大，管耗就愈大呢？答案是否定的。那么，最大管耗发生在什么情况下呢？由管耗表达式是否定的。那么，最大管耗发生在什么情况下呢？由管耗表达式可知管耗PT1是输出电压

15、幅值Vom的函数，因此，可以用求极值的方法来求解。有:令 故 此时最大管耗为此时最大管耗为5.最大管耗与最大输出功率的关系最大管耗与最大输出功率的关系本讲稿第十四页，共二十五页上式常用来作为乙类互补对称电路选择管子的依据，它说明，如果要求输出功率为10W，则只要用两个额定管耗大于2W的管子就可以了。当然，在实际选管子时，还应留有充分的安全余量，因为上面的计算是在理想情况下进行的。可得每管的最大管耗和最大输出功率之间具有如下的关系 为了便于选择功放管，常将最大管耗与功放电路的最大输出功率联系起来。由最大输出功率表达式 5.最大管耗与最大输出功率的关系最大管耗与最大输出功率的关系为了加深印象，可以

16、通过为了加深印象，可以通过Po、PT1和和PV与与Vom/VCC的关系曲线（如图所示）的关系曲线（如图所示）观察它们的变化规律。图中用观察它们的变化规律。图中用Vom/VCC表示的自变量作为横坐标，纵坐表示的自变量作为横坐标，纵坐标分别用相对值表示。标分别用相对值表示。本讲稿第十五页，共二十五页在功率放大电路中，为了输出较大的信号功率，管子承受的电压要高，在功率放大电路中，为了输出较大的信号功率，管子承受的电压要高，通过的电流要大，功率管损坏的可能性也就比较大，所以功率管的参数通过的电流要大，功率管损坏的可能性也就比较大，所以功率管的参数选择不容忽视。选择时一般应考虑选择不容忽视。选择时一般应

17、考虑BJT的三个极限参数，即集电极最大的三个极限参数，即集电极最大允许功率损耗允许功率损耗PCM，集电极最大允许电流，集电极最大允许电流ICM和集电极和集电极-发射极间的反向击穿电发射极间的反向击穿电压压V(BR)CEO。6功率功率BJT的选择的选择由前面知识点的分析可知，若想得到最大输出功率，又要使功率由前面知识点的分析可知，若想得到最大输出功率，又要使功率BJT安全工安全工作，作，BJT的参数必须满足下列条件：的参数必须满足下列条件：（1）每只每只BJT的最大管耗的最大管耗PT1max0.2Pomax（2）通过通过BJT的最大集电极电流为的最大集电极电流为IcmVCC/RL（3）考虑到当考

18、虑到当T2导通，导通，-vCE2=VCES0时，此时时，此时vCE1具有最大值，且等具有最大值，且等于于2VCC，因此，应选用反向击穿电压，因此，应选用反向击穿电压|V(BR)CEO|2VCC的管子。的管子。注意，在实际选择管子时，其极限参数还要留有充分的余地。注意，在实际选择管子时，其极限参数还要留有充分的余地。本讲稿第十六页，共二十五页8.3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理想情况下，乙类互补对称电路的输出没有失真。理想情况下，乙类互补对称电路的输出没有失真。实际的乙类互补对称电路（图），由于没有直流偏置，只有当输入信号实际的乙类互补对称电路（图），由于没有直流偏置，只

19、有当输入信号vi大于管子的门坎电压（大于管子的门坎电压（NPN硅管约为硅管约为0.6V，PNP锗管约为锗管约为0.2V）时，）时，管子才能导通。当输入信号管子才能导通。当输入信号vi低于这个数值时，低于这个数值时，T1和和T2都截止，都截止，ic1和和ic2基本为零，负载基本为零，负载RL上无电流通过，出现一段死区，如图所示。这种现上无电流通过，出现一段死区，如图所示。这种现象称为象称为交越失真交越失真。1乙类互补对称功率放大电路的交越失真乙类互补对称功率放大电路的交越失真本讲稿第十七页，共二十五页本讲稿第十八页，共二十五页2甲乙类双电源互补对称电路甲乙类双电源互补对称电路2.1基本电路基本电

20、路为了克服乙类互补对称电路的交越失真，需要给电路设置偏置，使之工作为了克服乙类互补对称电路的交越失真，需要给电路设置偏置，使之工作在甲乙类状态。如图所示。在甲乙类状态。如图所示。8.3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图中：图中：T3组成前置放大级（注意，图中未画组成前置放大级（注意，图中未画出出T3的偏置电路），给功放级提供足够的偏的偏置电路），给功放级提供足够的偏置电流。置电流。T1和和T2组成互补对称输出级。静态组成互补对称输出级。静态时，在时，在D1、D2上产生的压降为上产生的压降为T1、T2提提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状供了一个适当的偏压，使之处于微导通状

21、态，工作在甲乙类态，工作在甲乙类。这样，即使。这样，即使vi很小很小（D1和和D2的交流电阻也小），基本上可线性的交流电阻也小），基本上可线性地进行放大。地进行放大。上述偏置方法的缺点：偏置电压不易调整，上述偏置方法的缺点：偏置电压不易调整，改进方法可采用改进方法可采用VBE扩展电路。扩展电路。2.2VBE扩展电路扩展电路VBE扩展电路如图所示扩展电路如图所示图中，流入图中，流入T4的基极电流远小于的基极电流远小于流过流过R1、R2的电流，则由图可的电流，则由图可求出求出VCE4=VBE4（R1+R2）/R2由于由于VBE4基本为一固定值（硅基本为一固定值（硅管约为管约为0.60.7V），只要

22、适当），只要适当调节调节R1、R2的比值，就可改变的比值，就可改变T1、T2的偏压的偏压VCE4值。值。VCE4就是就是T1、T2的偏置电的偏置电压这种电路称为压这种电路称为VBE扩展电路扩展电路本讲稿第十九页，共二十五页本讲稿第二十页，共二十五页8.3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3.1电路组成电路组成甲乙类单电源互补对称电路如甲乙类单电源互补对称电路如图所示。图所示。3.2工作原理工作原理v在在vi=0时，调节时，调节R1、R2，就可使，就可使IC3、VB2和和VB1达到所需大小，给达到所需大小，给T2和和T1提供一个提供一个合适的偏置合适的偏置，从而，从而使使K点电

23、位点电位VK=VC=VCC/2。vvi0时，在信号的时，在信号的负半周，负半周，T1导电导电，有电流通过负载，有电流通过负载RL，同时向同时向C充电充电；v在信号的在信号的正半周，正半周，T2导电导电，则已充电的，则已充电的电容电容C起着起着双电源互补对称电路中双电源互补对称电路中电电源源-VCC的作用的作用，通过负载，通过负载RL放电。只要选择时间常数放电。只要选择时间常数RLC足够大（比信号的足够大（比信号的最长周期还大得多），就可以认为用电容最长周期还大得多），就可以认为用电容C和一个电源和一个电源VCC可代替原来的可代替原来的+VCC和和-VCC两个电源的作用。两个电源的作用。3甲乙类

24、甲乙类单电源单电源单电源单电源互补对称电路（互补对称电路（OTL电路）电路）T3组成前置放大级，T2和T1组成互补对称电路输出级 本讲稿第二十一页，共二十五页本讲稿第二十二页，共二十五页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3甲乙类单电源互补对称电路甲乙类单电源互补对称电路3.3分析计算：分析计算：采用一个电源的互补对称电路，由于每个管子的工作电压不是原来的采用一个电源的互补对称电路，由于每个管子的工作电压不是原来的VCC，而，而是是VCC/2，即输出电压幅值，即输出电压幅值Vom最大也只能达到约最大也只能达到约VCC/2，所以前面导出的计算，所以前面导出的计算Po、PT、

25、和、和PV的最大值公式，必须加以修正才能使用。修正的方法也很简单，的最大值公式，必须加以修正才能使用。修正的方法也很简单，只要只要以以Vcc/2代替原来的公式中的代替原来的公式中的VCC即可即可。4.1单电源互补对称电路存在的单电源互补对称电路存在的问题问题单电源互补对称电路解决了工作单电源互补对称电路解决了工作点的偏置和点的偏置和稳定问题稳定问题。但输出电压幅值达不到Vom=VCC/2。现分析如下：（1）理想情况当vi为负半周最大值时，iC3最小，vB1接近于+VCC，此时希望T1在接近饱和状态工作，即vCE1=VCES，故K点电位VK=+VCC-VCESVCC。当vi为正半周最大值时，T1

26、截止，T2接近饱和导电，VK=VCES0。因此，负载RL两端得到的交流输出电压幅值Vom=VCC/2。（2）实际情况当vi为负半周时，T1导电，因而iB1增加，由于Rc3上的压降和vBE1的存在，当K点电位向+VCC接近时，T1的基流将受限制而不能增加很多基流将受限制而不能增加很多，因而也就限制了T1输向负载的电流，使RL两端得不到足够的电压变化量，致使Vom明显小于VCC/2。4自举电路自举电路本讲稿第二十三页，共二十五页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4.2自举电路自举电路（1）电路）电路解决上述矛盾方法是如果把图中解决上述矛盾方法是如果把图中D点电位升高，使点电

27、位升高，使VD+VCC，例如将图，例如将图中中D点与点与+VCC的连线切断，的连线切断，VD由另一电源供给，则问题即可以得到解决。通常由另一电源供给，则问题即可以得到解决。通常的办法是在电路中引入的办法是在电路中引入R3、C3等元件组成的所谓自举电路，如图所示。等元件组成的所谓自举电路，如图所示。（2）工作原理）工作原理在图中，当在图中，当vi=0时，时，vD=VD=VCC-Ic3R3，而，而vK=VK=VCC/2，因此电容，因此电容C3两两端电压被充电到端电压被充电到VC3=VCC/2-Ic3R3。当时间常数。当时间常数R3C3足够大时，足够大时，vC3（电容（电容C3两端电压）将基本为常数

28、（两端电压）将基本为常数（vC3VC3），不随，不随vi而改变。这样，当而改变。这样，当vi为负时，为负时，T1导电，导电，vK将由将由VCC/2向更正方向变化，考虑到向更正方向变化，考虑到vD=vC3+vK=VC3+vK，显然，显然，随着随着K点电位升高，点电位升高，D点电位点电位vD也自动升高也自动升高。因而，即使输出电压幅度升。因而，即使输出电压幅度升得很高，也有足够的电流得很高，也有足够的电流iB1，使，使T1充分导电。这种工作方式称为自举，意思是电充分导电。这种工作方式称为自举，意思是电路本身把路本身把vD提高了。提高了。本讲稿第二十四页，共二十五页1功率放大电路是在大信号下工作，通

29、常采用图解法进行分析。研究的重点是如功率放大电路是在大信号下工作，通常采用图解法进行分析。研究的重点是如何在允许的失真情况下，尽可能提高输出功率和效率。（阻抗匹配）何在允许的失真情况下，尽可能提高输出功率和效率。（阻抗匹配）2与甲类功率放大电路相比，乙类互补对称功率放大电路的主要优点是效与甲类功率放大电路相比，乙类互补对称功率放大电路的主要优点是效率高，在理想情况下，其最大效率约为率高，在理想情况下，其最大效率约为78.5%。3为保证为保证BJT安全工作，双电源互补对称电路工作在乙类时，器件的极限安全工作，双电源互补对称电路工作在乙类时，器件的极限参数必须满足：参数必须满足：PCMPT10.2

30、Pom，|V(BR)CEO|2VCC，ICMVCC/RL。4由于由于BJT输入特性存在死区电压，工作在乙类的互补对称电路将出输入特性存在死区电压，工作在乙类的互补对称电路将出现交越失真，克服交越失真的方法是采用甲乙类（接近乙类）互补对称现交越失真，克服交越失真的方法是采用甲乙类（接近乙类）互补对称电路。通常可利用二极管或电路。通常可利用二极管或VBE扩大电路进行偏置。扩大电路进行偏置。5在单电源互补对称电路中，计算输出功率、效率、管耗和电源在单电源互补对称电路中，计算输出功率、效率、管耗和电源供给的功率，可借用双电源互补对称电路的计算公式，但要用供给的功率，可借用双电源互补对称电路的计算公式，但要用VCC/2代替原公式中的代替原公式中的VCC。(自举电路）自举电路）本本章章小小结结本讲稿第二十五页，共二十五页