模电第七章功率放大器.ppt

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1、第七章第七章 功率放大器功率放大器 在实际工作中常要求电子设备或放大电路的最在实际工作中常要求电子设备或放大电路的最后一级能向负载提供足够大的输出功率，通常将这后一级能向负载提供足够大的输出功率，通常将这最后一级放大电路称为最后一级放大电路称为功率放大电路功率放大电路。1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题一、对功率放大电路的要求一、对功率放大电路的要求1、根据负载的需求，提供足够的输出功率。、根据负载的需求，提供足够的输出功率。2、具有较高的效率。、具有较高的效率。Pom：在正弦输入信号下输

2、出波形不超过规定的非线：在正弦输入信号下输出波形不超过规定的非线性失真指标时放大电路的最大输出电流与最大输出电压有性失真指标时放大电路的最大输出电流与最大输出电压有效值的乘积。效值的乘积。即在电源电压一定的情况下，最大不失真输出电压最大。即在电源电压一定的情况下，最大不失真输出电压最大。即电路损耗的直流功率尽可能小，静态时功放管的集即电路损耗的直流功率尽可能小，静态时功放管的集电极电流近似为电极电流近似为0。3、非线性失真要小。、非线性失真要小。功率放大电路要求有较高的输出电压和输出电流，因功率放大电路要求有较高的输出电压和输出电流，因此工作在大信号状态，于是管子特性曲线的非线性问题就此工作在

3、大信号状态，于是管子特性曲线的非线性问题就更加明显。更加明显。同一电路输出功率越大，非线性失真也越严重。同一电路输出功率越大，非线性失真也越严重。实际应用中，要根据负载的需求尽可能减小非线性失实际应用中，要根据负载的需求尽可能减小非线性失真。例如测量系统中非线性失真就是严重的问题，而在电真。例如测量系统中非线性失真就是严重的问题，而在电机控制等以输出功率为主要目的时，对非线性失真的要求机控制等以输出功率为主要目的时，对非线性失真的要求就会降低。就会降低。4、三极管的散热问题。、三极管的散热问题。集电极上的大电压和大电流是管子工作近极限状态，集电极上的大电压和大电流是管子工作近极限状态，结温和管

4、壳温度升高，散热不好容易损坏功率管。结温和管壳温度升高，散热不好容易损坏功率管。二、功率放大电路中三极管的工作状态二、功率放大电路中三极管的工作状态三、功率放大电路的分析方法三、功率放大电路的分析方法 在功放中，晶体管集电极或发射极电流的最大值接近在功放中，晶体管集电极或发射极电流的最大值接近最大集电极电流最大集电极电流ICM，管压降的最大值接近，管压降的最大值接近c-e反向击穿电反向击穿电压压U(BR)CEO，集电极消耗功率的最大值接近集电极最大耗集电极消耗功率的最大值接近集电极最大耗散功率散功率PCM，称为工作在，称为工作在尽限状态尽限状态，其工作点不能超出输，其工作点不能超出输出特性曲线

5、上的安全区，选择时要留有余地。出特性曲线上的安全区，选择时要留有余地。电路工作在大信号条件下，不能再采用微变等效电路电路工作在大信号条件下，不能再采用微变等效电路法，只能用图解法进行电路分析。法，只能用图解法进行电路分析。为什么功率管的为什么功率管的值不大？值不大？三、功率放大电路的分类三、功率放大电路的分类 按功率放大电路中晶体管在一个正弦波周期内的导按功率放大电路中晶体管在一个正弦波周期内的导通状态分为：通状态分为：1、甲类（、甲类（A类）放大器类）放大器导通整个周期导通整个周期=360 在整个输入信号周期内三极管都在整个输入信号周期内三极管都导通，任何时刻导通，任何时刻VCC始终不断输送

6、功始终不断输送功率。静态时，这些功率全部消耗在管率。静态时，这些功率全部消耗在管子上并以热量的形式散出。子上并以热量的形式散出。在动态时，在动态时，VCC的功率一部分转化为有用的输出功率，的功率一部分转化为有用的输出功率，一部分消耗在管子上，所以效率低，最高一部分消耗在管子上，所以效率低，最高50%，但没有失，但没有失真。因此甲类放大器多用于信号放大，很少用于功率放大。真。因此甲类放大器多用于信号放大，很少用于功率放大。三、功率放大电路的分类三、功率放大电路的分类2、乙类（、乙类（B类）放大器类）放大器导通角导通角=180 在整个输入信号周期内三极管只导通半个周期，另外在整个输入信号周期内三极

7、管只导通半个周期，另外半个周期由另一个管子导通完成工作。半个周期由另一个管子导通完成工作。静态功耗是效率低的主要原因，如果把静态功耗是效率低的主要原因，如果把Q点往下移点往下移动使静态电流动使静态电流ICQ接近为接近为0，则静态时消耗在管子上的功，则静态时消耗在管子上的功率也近似为率也近似为0，可以提高效率，但要避免交越失真。，可以提高效率，但要避免交越失真。三、功率放大电路的分类三、功率放大电路的分类3、甲乙类（、甲乙类（AB类）放大器类）放大器 导通角导通角 180 360 在整个输入信号周期内三极管导通大半个周期，兼顾在整个输入信号周期内三极管导通大半个周期，兼顾效率和失真。效率和失真。

8、三、功率放大电路的分类三、功率放大电路的分类4、丙类（、丙类（C类）放大器类）放大器导通角导通角 180 通常与通常与LC谐振回路共同构成功率电路，谐振回路共同构成功率电路，LC回路对频回路对频率的选择特性会滤去谐波成分，丙类放大器比乙类放大率的选择特性会滤去谐波成分，丙类放大器比乙类放大器效率更高。器效率更高。三、功率放大电路的分类三、功率放大电路的分类5、丁类（、丁类（D类）放大器类）放大器工作于开关状态工作于开关状态 原用于高频功率放大电路，若不考虑器件的导通电原用于高频功率放大电路，若不考虑器件的导通电阻和开关状态过渡时间，则阻和开关状态过渡时间，则D类放大器工作时不存在损耗，类放大器

9、工作时不存在损耗，效率理想值可达效率理想值可达100%。近年来由于大功率高速开关技术的成熟，近年来由于大功率高速开关技术的成熟，D类放大技类放大技术也被应用于高效率低频功率的放大，并出现一些专用术也被应用于高效率低频功率的放大，并出现一些专用集成电路，如用于电动机、音频放大、激光管偏置等装集成电路，如用于电动机、音频放大、激光管偏置等装置的驱动电路。置的驱动电路。2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路 传统的功率放大电路采用变压器耦合方式，具有传统的功率放大电路采用变压器耦合方式，具有体积大、消耗有色金属、漏磁、低频和高频特性不够体积大、消耗有色金属、漏磁、低频和高频特性不够好、容易产生

10、自激振荡、不易集成等缺点。好、容易产生自激振荡、不易集成等缺点。本节主要介绍直接耦合的互补对称式本节主要介绍直接耦合的互补对称式OTL和和OCL功率放大电路。功率放大电路。一、乙类互补对称功率放大电路一、乙类互补对称功率放大电路无输出变压器的功率放大电路无输出变压器的功率放大电路（OTL电路）电路）功率管接成电压跟随器，功率管接成电压跟随器，uOuI ，为什么不考虑电容充，为什么不考虑电容充放电的影响？放电的影响？一、乙类互补对称功率放大电路一、乙类互补对称功率放大电路1、电路组成及工作原理、电路组成及工作原理tuOO推挽：推挽：同类型的管子在电路中交替导通的方式。同类型的管子在电路中交替导通

11、的方式。一、乙类互补对称功率放大电路一、乙类互补对称功率放大电路2、分析计算、分析计算00uCE1-uCE2iC2iC1 静态时，两管的集电极静态时，两管的集电极电流为电流为0或近似为或近似为0。Q 加正弦输入信号后，加正弦输入信号后，Q点将沿交流负载线移动。点将沿交流负载线移动。AB VT1导通，导通，Q点沿点沿QA上移，上移，VT1集电极电流最大值为集电极电流最大值为ICm1，集电极电压最大值为集电极电压最大值为UCem1。在在uI的正半周：的正半周：VCCRLVCCRLICm1UCem1VCC,0）Q点坐标（点坐标（一、乙类互补对称功率放大电路一、乙类互补对称功率放大电路2、分析计算、分

12、析计算Q00uCE1-uCE2iC2iC1AB VT2导通，导通，Q点沿点沿QB下移，下移，VT2集电极电流最大值为集电极电流最大值为ICm2，集电极电压最大值为集电极电压最大值为 UCem2 。在在uI的负半周：的负半周：VCCRLVCCRLICm1UCem1ICm2UCem2UCES1UCES2 静态时，两管的集电极静态时，两管的集电极电流为电流为0或近似为或近似为0。加正弦输入信号后，加正弦输入信号后，Q点将沿交流负载线移动。点将沿交流负载线移动。VCC,0）Q点坐标（点坐标（一、乙类互补对称功率放大电路一、乙类互补对称功率放大电路2、分析计算、分析计算Q00uCE1-uCE2iC2iC

13、1ABVCCRLVCCRLICm1UCem1ICm2UCem2UCES1UCES2VT1和和VT2的特性曲线对称。的特性曲线对称。三极管集电极最大电压：三极管集电极最大电压：三极管集电极最大电流：三极管集电极最大电流：由图可知：由图可知：一、乙类互补对称功率放大电路一、乙类互补对称功率放大电路2、分析计算、分析计算（1）输出功率）输出功率（Po）：提供给负载的信号功率。提供给负载的信号功率。Po=Io Uo 有效值有效值最大输出功率（最大输出功率（Pom）输出电压最大幅值：输出电压最大幅值：一、乙类互补对称功率放大电路一、乙类互补对称功率放大电路2、分析计算、分析计算（2）管耗（）管耗（PT）

14、一、乙类互补对称功率放大电路一、乙类互补对称功率放大电路2、分析计算、分析计算即即 UOM 0.6 VCC 时，时，具有最大管耗。具有最大管耗。求最大管耗求最大管耗（2）管耗（）管耗（PT）（3）直流电源供给的功率（）直流电源供给的功率（PE）一、乙类互补对称功率放大电路一、乙类互补对称功率放大电路2、分析计算、分析计算（4）转换效率（）转换效率（）一、乙类互补对称功率放大电路一、乙类互补对称功率放大电路2、分析计算、分析计算负载上得到的信号功率与电源所提供的功率之比。负载上得到的信号功率与电源所提供的功率之比。最大集电极电流最大集电极电流 ICM大信号条件下必须要使三极管的工作点处于安全区。

15、大信号条件下必须要使三极管的工作点处于安全区。一、乙类互补对称功率放大电路一、乙类互补对称功率放大电路3、功率管的选择、功率管的选择过过损损耗耗区区iCuCEOPCM=iCuCE安安全全 工工 作作 区区工工 作作 U(BR)CEOICMc e间最大管压降间最大管压降 U(BR)CEO最大集电极电流最大集电极电流 ICM最大集电极耗散功率最大集电极耗散功率 PCM一、乙类互补对称功率放大电路一、乙类互补对称功率放大电路3、功率管的选择、功率管的选择c-e间最大管压降间最大管压降 U(BR)CEOQ00uCE1-uCE2iC2iC1ABVCCRLVCCRLICm1UCem1ICm2UCem2UC

16、ES1UCES2两三极管的集电极电压之和：两三极管的集电极电压之和：当当VT2导通时导通时VT1截止，截止，VT1的集电极承受反向电压的集电极承受反向电压且当且当 uCE2 的值达到最小值的值达到最小值 UCES2 时，时，VT1集电极的集电极的反向电压达到最大。反向电压达到最大。一、乙类互补对称功率放大电路一、乙类互补对称功率放大电路3、功率管的选择、功率管的选择最大集电极耗散功率最大集电极耗散功率 PCM即即 UOM 0.6 VCC 时，时，具有最大管耗。具有最大管耗。PUom0PVPOPT例题例题 管子在输入正弦信号管子在输入正弦信号ui的作用的作用下，一周期内下，一周期内T1和和T2轮

17、流导通，轮流导通，导电角约导电角约180，电源电压，电源电压Vcc=25V，负载电阻，负载电阻RL=4。（1）当输入信号有效值）当输入信号有效值Ui=12V时，电路的输出功率时，电路的输出功率PO、管、管耗耗PT、直流电源供给的功率、直流电源供给的功率PE和效率和效率。试求：试求：（2）输入信号增加到使管子工作在最大输出功率（基本不）输入信号增加到使管子工作在最大输出功率（基本不失真）情况下，电路的输出功率失真）情况下，电路的输出功率PO、管耗、管耗PT、直流电源供、直流电源供给的功率给的功率PE和效率和效率。二、甲乙类互补对称功率放大电路二、甲乙类互补对称功率放大电路交越交越失真失真交越失真

18、产生的原因：交越失真产生的原因：ui 死区电压，晶体管不导通死区电压，晶体管不导通二、甲乙类互补对称功率放大电路二、甲乙类互补对称功率放大电路 采用各种电路以产生不大的偏流，使静态工作点稍采用各种电路以产生不大的偏流，使静态工作点稍高于截止点，三极管高于截止点，三极管微导通微导通，即工作于，即工作于甲乙类甲乙类状态。状态。克服交越失真的措施克服交越失真的措施E1E2 消除交越失真，消除交越失真，T1、T2微导通。微导通。tuOO二、甲乙类互补对称功率放大电路二、甲乙类互补对称功率放大电路1、双电源甲乙类互补对称电路、双电源甲乙类互补对称电路tuOO二、甲乙类互补对称功率放大电路二、甲乙类互补对

19、称功率放大电路2、单电源互补对称电路（、单电源互补对称电路（OTL电路电路）分析计算：分析计算：以以 代替原公式中的代替原公式中的 VCC 即可。即可。二、甲乙类互补对称功率放大电路二、甲乙类互补对称功率放大电路2、单电源互补对称电路（、单电源互补对称电路（OTL电路电路）（1）最大输出功率：）最大输出功率：当当 UOM=VCC/2时，时，（2）最大管耗：）最大管耗：当当 UOM=0.3 VCC 时，时，（3）直流电源提供的功率：）直流电源提供的功率：二、甲乙类互补对称功率放大电路二、甲乙类互补对称功率放大电路2、单电源互补对称电路（、单电源互补对称电路（OTL电路电路）（4）转换效率：）转换

20、效率：（5）极限参数：）极限参数：c e间最大管压降间最大管压降 U(BR)CEO最大集电极电流最大集电极电流 ICM最大集电极耗散功率最大集电极耗散功率 PCMPUom0PVPOPT三三、采用复合管的互补功率放大电路采用复合管的互补功率放大电路1、三极管构成复合管的原则、三极管构成复合管的原则 复合管可由两个或两个以上同类型或不同类复合管可由两个或两个以上同类型或不同类型的三极管组成。型的三极管组成。（1）保证前级三极管输出电流和后级三极管输出电）保证前级三极管输出电流和后级三极管输出电流的实际方向一致，以形成是党的电流通路。流的实际方向一致，以形成是党的电流通路。（2）外加电压的极性要保证三极管处于放大区。）外加电压的极性要保证三极管处于放大区。三三、采用复合管的互补功率放大电路采用复合管的互补功率放大电路2、几种不同接法的复合管、几种不同接法的复合管三三、采用复合管的互补功率放大电路采用复合管的互补功率放大电路3、结论、结论（1）由两个同类型的三极管组成的复合管，其类型不变。）由两个同类型的三极管组成的复合管，其类型不变。（2）由两个不同类型的三极管组成的复合管，其类型与）由两个不同类型的三极管组成的复合管，其类型与前级三极管相同。前级三极管相同。