第4章-功率放大电路模电分析课件.ppt

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1、 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术第第4 4章章 功率放大电路功率放大电路4.2互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路4.3改进型改进型OCL电路电路4.1概述概述*4.4集成功放及其应用集成功放及其应用小小 结结 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术4.1 4.1 概述概述4.1.1 功率放大的特点及主要性能指标功率放大的特点及主要性能指标 Pomax 大，三极管工作在尽限状态大，三极管工作在尽限状态 =Pom/PV 要高要高非线性失真要小非线性失真要小特点：特点：晶体管的散热与保护问题晶体管的散热与保护问题分析方法分析方法-图解法图解法本章本章主要阐明功率放大电路的组成、最大输出功率和效

2、率的估算、以及集成功放主要阐明功率放大电路的组成、最大输出功率和效率的估算、以及集成功放的应用。的应用。功率放大电路是在电源电压确定情况下，以输出尽可能大的不失真的信号功率和功率放大电路是在电源电压确定情况下，以输出尽可能大的不失真的信号功率和具有尽可能高的转换效率为组成原则，功放管常常工作在具有尽可能高的转换效率为组成原则，功放管常常工作在尽限尽限应用状态。应用状态。（功放的（功放的输入信号幅值较大，分析时应采用图解法）输入信号幅值较大，分析时应采用图解法）模模 拟拟 电电 子子 技技 术术最大输出功率最大输出功率Pom功率放大电路的主要技术指标是最大输出功率和转换效率：功率放大电路的主要技

3、术指标是最大输出功率和转换效率：功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。在输入为正功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。在输入为正弦波且输出基本不失真条件下，输出功率是交流功率，表达式为弦波且输出基本不失真条件下，输出功率是交流功率，表达式为Po=IoUo，式中式中Io和和Uo均均为交流有效值。最大输出功率为交流有效值。最大输出功率Pom是是在电在电路参数确定的情况下负载上可能获得的最大交流功率。路参数确定的情况下负载上可能获得的最大交流功率。转换效率转换效率 功率放大电路的最大输出功率与电源所提供的功率之比称为转换功率放大电路的最大输出功率与电源所提供的功率之比称为转换效率。电

4、源提供的功率是直流功率，其值等于电源输出电流平均效率。电源提供的功率是直流功率，其值等于电源输出电流平均值与其电压之积。值与其电压之积。从从能量控制和转换的角度看，功率放大电路与其它放大电路在本质上没有根能量控制和转换的角度看，功率放大电路与其它放大电路在本质上没有根本的区别；只是功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电本的区别；只是功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。因此，从功流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。因此，从功放电路的组成和分析方法，到其元器件的选择，都与小信号放大电路有着明放

5、电路的组成和分析方法，到其元器件的选择，都与小信号放大电路有着明显的区别。显的区别。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术4.1.2 功率放大电路的分类功率放大电路的分类 甲类：甲类：乙类：乙类：甲乙类：甲乙类：甲类甲类乙类乙类甲乙类甲乙类在在放大电路中，当输入信号为正弦波时，若晶体管在信号的整个放大电路中，当输入信号为正弦波时，若晶体管在信号的整个周期内均导通（即导通角为周期内均导通（即导通角为360），则称之工作在甲类状态。），则称之工作在甲类状态。若若晶体管仅在信号的正半周或负半周导通（即导晶体管仅在信号的正半周或负半周导通（即导通角为通角为180），则称之工作在乙类状态。），则称之工作在乙

6、类状态。若晶体管的导通时间大于半个周期且小于周期（即导通角在若晶体管的导通时间大于半个周期且小于周期（即导通角在180 360之间），则称之工作在甲乙类状态。之间），则称之工作在甲乙类状态。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术放大电路的工作状态放大电路的工作状态甲类甲类(=2)tiCO IcM 2 ICQ tiCO IcM 2 ICQ乙类乙类(=)tiCO IcM ICQ2 甲乙类甲乙类(0 T1 导通导通 T2 截止截止iC1io=iE1=iC1,uO=iC1RLui 0.2 PomU(BR)CEO 2VCCICM VCC/RL这里仍需强调，在选择晶体管时，其极限参数，特别是这里仍需强调，在选

7、择晶体管时，其极限参数，特别是PCM应应留有一定的余量，并严格按手册要求安装散热片。留有一定的余量，并严格按手册要求安装散热片。RLT1T2+VCC+ui+uo VCC每只管子最大管耗为每只管子最大管耗为 0.2Pom（理想）（理想）管耗管耗 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术例例1：在所示电路中，已知在所示电路中，已知VCC=15V，输入电压为正弦波，输入电压为正弦波，晶体管的饱和管压降为晶体管的饱和管压降为3V，电压放大倍数约为电压放大倍数约为1，负载电阻，负载电阻RL=4。（1）求解负载上可能获得的最大功率和效率；求解负载上可能获得的最大功率和效率；（2）若输入电压最大有效值为）若输入电

8、压最大有效值为8V，则负载上能够获得的最则负载上能够获得的最大功率为多少？大功率为多少？解：解：（1）求解负载上可能获得的最大功率和效率）求解负载上可能获得的最大功率和效率（2）功率放大电路的最大输出功率除了决定于功放自功率放大电路的最大输出功率除了决定于功放自身的参数外，还与输入电压是否足够大有关。身的参数外，还与输入电压是否足够大有关。因为因为Uo=Ui，所以所以Uom=8V 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术4.3 改进型改进型OCL电路电路4.3.1 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给给 T1、T2 提提供静态电压供静态电压 tiC0 ICQ1ICQ21.克服交越失

9、真思路克服交越失真思路电路：电路：RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uo VCCT3 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术当当 ui=0 时，时，T1、T2 微导通。微导通。当当 ui 0(至至 )，T2 微导通微导通 充分导通充分导通 微导通；微导通；T1 微导通微导通 截止截止 微导通。微导通。RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uo VCCT3使使UB1、B2略大于略大于T1管发射结和管发射结和T2管发射结开启电压之和，从而使管发射结开启电压之和，从而使两只管子均处于微导通状态，即两只管子均处于微导通状态，即都有一个微小的基极电流，分别都有一个微小的基极电流，分别为为IB1和和IB2

10、。B1B2 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术2.克服交越失真的方法克服交越失真的方法T1T2T3T4T1T2T3R2R1利用二极管消除交越失真利用二极管消除交越失真UBE的倍增电路的倍增电路合理选择合理选择R1和和R2，可以得到可以得到UBE任意倍数的直流电压，故称该任意倍数的直流电压，故称该电路为电路为UBE倍增电路倍增电路。同时，也可得到。同时，也可得到PN结任意倍数的温度系结任意倍数的温度系数，故可以用于温度补偿。数，故可以用于温度补偿。B1B2 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术3.消除交越失真的消除交越失真的OCL电路电路T4RL+VCC+uo T1T2T3 VEER1R2R3R4

11、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 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术4.功率和效率功率和效率 由于由于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的静态电流很小，其的静态电流很小，其工作原理工作原理与分析方法与分析方法与与乙类功率放大电路乙类功率放大电路近似相同。近似相同。对于甲乙类互补对称功率放大电路的对于甲乙类互补对称功率放大电路的输出功率与效率计算输出功率与效率计算，仍然，仍然可以使用乙类功率放大电路的计算公式，这样做计算过程简单，误差也可以使用乙类功率放大电路的计算公式，这样做计算过程简单，误差也不是很大。不是很大。理想理想 模模 拟拟 电电 子子 技技 术

12、术4.3.2 准互补对称放大电路准互补对称放大电路1.复合管复合管(达林顿管达林顿管)目的：实现管子参数的配对目的：实现管子参数的配对ib1(1+1)ib1(1+1)(1+2)ib1=(1+1+2+1 2)ib1 1 2 rbe=rbe1+(1+1)rbe2 2(1+1)ib1 1 ib1ibicie(1+2+1 2)ib1T1T2等效为等效为 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术复合管的构成规则：复合管的构成规则：在串接点，必须保证两管电流方向的一在串接点，必须保证两管电流方向的一致和连续（实际电流方向不冲突）。致和连续（实际电流方向不冲突）。在并接点，必须保证两管电流同时流入在并接点，必须保

13、证两管电流同时流入接点或同时流出接点。接点或同时流出接点。必须保证复合管中每个管子都工作在放大区必须保证复合管中每个管子都工作在放大区（即保证发射结正偏，集电结反偏。）（即保证发射结正偏，集电结反偏。）复合管类型与第一只管子相同。复合管类型与第一只管子相同。在在正确的外加电压下每只管子的各极电流均有合适的通路，且均正确的外加电压下每只管子的各极电流均有合适的通路，且均工作在放大区；工作在放大区；为了实现电流放大，应将第一只管的集电极或发射极电流做为第为了实现电流放大，应将第一只管的集电极或发射极电流做为第二只管子的基极电流。二只管子的基极电流。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术T1T2NPNT

14、1T2PNPT1T2NPNT1T2PNP一些常见的复合管一些常见的复合管由于复合管有很高的电流放大系数，所以只需很小的输入驱动电流由于复合管有很高的电流放大系数，所以只需很小的输入驱动电流iB，便可获得很大的输出集电极电流便可获得很大的输出集电极电流iC。在一些场合下，还可将三只晶体管接成复合管，或将场效应管和晶体管接成复合管。应当指出使用三只在一些场合下，还可将三只晶体管接成复合管，或将场效应管和晶体管接成复合管。应当指出使用三只以上管子构成复合管的情况比较少，因为晶体管数目太多时，会因结电容的作用使高频特性变坏；而且以上管子构成复合管的情况比较少，因为晶体管数目太多时，会因结电容的作用使高

15、频特性变坏；而且为保证复合管中每一只管子都工作在放大区，必然要求复合管的为保证复合管中每一只管子都工作在放大区，必然要求复合管的c-e间直流电压足够大，这就需要提高电间直流电压足够大，这就需要提高电源电压。源电压。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术例：例：图中的哪些接法可以构成复合管？标出它们图中的哪些接法可以构成复合管？标出它们等效管的类型及管脚。等效管的类型及管脚。不能不能不能不能NPN型型BCE不能不能不能不能PNP型型BCENPN型型BCE 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术练习：练习：模模 拟拟 电电 子子 技技 术术2.采用复合管的准互补功率放大电路采用复合管的准互补功率放大电路为

16、了增大电流放大系数，以减小前级驱动电流，常采用复合管结构。为了增大电流放大系数，以减小前级驱动电流，常采用复合管结构。要寻找特性要寻找特性完全对称的完全对称的NPN型和型和PNP型对管是比较困难的，型对管是比较困难的，所以，在实用电路中常采用准互所以，在实用电路中常采用准互补电路。补电路。从输出端看进去，从输出端看进去，T2和和T4均采用了同类型管，较容易做到特性相同均采用了同类型管，较容易做到特性相同。这。这种输出管为同一类型管的电路称为准互补电路。种输出管为同一类型管的电路称为准互补电路。模模 拟拟 电电 子子 技技 术术4.3.3 输出电流的保护输出电流的保护准准互补电路，互补电路，T3

17、和和T4复合而成的复合而成的PNP型管与型管与NPN型管型管T2构成互补形式，为构成互补形式，为了弥补它们的非对称性，在发射极加两个阻值不同的电阻了弥补它们的非对称性，在发射极加两个阻值不同的电阻R3和和R4。R1、R2和和T1构成构成UBE倍增电路倍增电路，为电路设置了合适的静态工作点，为电路设置了合适的静态工作点，以消除交越以消除交越失真失真。R3和和R4还作为输出电流（发射极电流）的采样电阻与还作为输出电流（发射极电流）的采样电阻与D1、D2共同共同构成构成过流保护电路过流保护电路。T2导通时：导通时：当当iO未超过额定值时，未超过额定值时，D1所获得所获得实际电压实际电压uD1 0 时

18、时：T2 导通，导通，C 放电，放电，T2 的等效电源电压的等效电源电压 0.5VCC。当当 ui 0 时时：T1导通，导通，C 充电，充电，T1 的等效电源电压的等效电源电压+0.5VCC。应用应用 OCL 电路有关公式时，要用电路有关公式时，要用 VCC/2 取代取代 VCC。RLRBT4+VCCT5T1T2CERERB1RB2+uo+ui+CE 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术OCL 电路和电路和 OTL 电路的比较电路的比较*OCLOTL 电源电源双电源双电源单电源单电源信号信号交、直流交、直流交流交流频率响应频率响应好好fL 取决于输出耦合电容取决于输出耦合电容 C电路结构电路结构

19、较简单较简单较复杂较复杂Pomax 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术思考一：思考一：已知电路如图所示，已知电路如图所示，T1和和T2管的饱和管压降管的饱和管压降UCES3V，VCC15V，RL8。（1）说明电路中）说明电路中D1和和D2管的作用；管的作用；（2）静态时，计算晶体管发射极电位）静态时，计算晶体管发射极电位UEQ；（3）计算电路的最大输出功率）计算电路的最大输出功率Pom和效率和效率 各为多少？各为多少？（4）晶体管的最大功耗）晶体管的最大功耗PTmax为多少？为多少？（5）为了使输出功率达到）为了使输出功率达到Pom，输入电压的有效值约为多少？，输入电压的有效值约为多少？分析：

20、分析：（1）电路中电路中D1和和D2的作用是消除交越失真。的作用是消除交越失真。（2）UEQ=0（3）（4）（5）模模 拟拟 电电 子子 技技 术术思考二：思考二：已知电路如图所示，已知电路如图所示，T1和和T2管的饱和管压降管的饱和管压降UCES2V，VCC15V，输入电压足够大。求解：输入电压足够大。求解：（1）最大不失真输出电压的有效值；）最大不失真输出电压的有效值；（2）负载电阻）负载电阻RL上电流的最大值；上电流的最大值；（3）计算电路的最大输出功率）计算电路的最大输出功率Pom和效率和效率 各为多少？各为多少？（4）在电路中）在电路中R4和和R5可起短路保护作用。试问：当输出因故障

21、而短可起短路保护作用。试问：当输出因故障而短路时，晶体管的最大集电极电流和功耗各为多少？路时，晶体管的最大集电极电流和功耗各为多少？分析：分析：（1）（2）（3）（4）模模 拟拟 电电 子子 技技 术术*4.4集成功放及其应用集成功放及其应用 引言引言 4.4.2 DG810 集成功放及其应用集成功放及其应用 4.4.3 TD2040 集成功放及其应用集成功放及其应用 4.4.1 LM386 集成功放及其应用集成功放及其应用 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术组成：组成：前置级、中间级、输出级、偏置电路前置级、中间级、输出级、偏置电路特点：特点：输出功率大、效率高输出功率大、效率高有过流、过压

22、、过热保护有过流、过压、过热保护引言引言 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术4.4.1 LM386 集成功放及其应用集成功放及其应用1.典型应用参数：典型应用参数：直流电源：直流电源：4 12 V额定功率：额定功率：660 mW带带 宽：宽：300 kHz输入阻抗：输入阻抗：50 k 12348765引脚图引脚图 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术2.内部电路内部电路1.8 开路时，开路时，Au=20(负反馈最强负反馈最强)1.8 交流短路交流短路 Au=200(负反馈最弱负反馈最弱)电压串联电压串联负反馈负反馈 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术V1、V6：V3、V5：V2、V4：射级跟随器

23、，高射级跟随器，高 Ri双端输入单端输出差分电路双端输入单端输出差分电路恒流源负载恒流源负载V7 V12：功率放大电路功率放大电路V7 为驱动级为驱动级(I0 为恒流源负载为恒流源负载)V11、V12 用于消除交越失真用于消除交越失真V8、V10 构成构成 PNP 准互补对称准互补对称 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术3.典型应用电路典型应用电路 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 LM3861234785RPC1C2C3C4C5C610 F36 k 10 F100 F220 F0.1 F8 10 .047 F+VCC6输出电容输出电容(OTL)频频率率补补偿偿，抵抵消消电电 感感高高频频的

24、的不不良良影影响响防止自激等防止自激等调节电压调节电压放大倍数放大倍数 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术4.4.2 DG810 集成功放及其应用集成功放及其应用 标准音频功率放大标准音频功率放大功率大、噪声小、频带宽、功率大、噪声小、频带宽、工作电源范围宽、有保护电路工作电源范围宽、有保护电路输出电容输出电容输入输入偏置偏置交流负反馈交流负反馈频率补偿，防自激等频率补偿，防自激等自举电容自举电容频率补偿频率补偿防自激等防自激等VCC=15 V 时时输出功率输出功率 6 W+VCCuiC9R1R4C2DG81011294785C1C8C7C4C5C65 F100 k.01 F100 F1000

25、 pF0.1 F4 56 4 700 pF10100 F100 F100 R3R21000 F100 FC101 电源滤波电源滤波 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术4.4.3 TD2040 集成功放及其应用集成功放及其应用 特点：特点：输出短路保护、自动限制功耗、有过热关机保护输出短路保护、自动限制功耗、有过热关机保护参数：参数：直流电源：直流电源：2.5 20 V开环增益：开环增益：80 dB功率带宽：功率带宽：100 kHz输入阻抗：输入阻抗：50 k 输出功率：输出功率：22 W(RL=4 )双电源双电源(OTL)应用应用电源滤波电源滤波频率补偿频率补偿防自激等防自激等输出功率可输出功

26、率可大于大于 15 W交流电交流电压串联压串联负反馈负反馈R1C2220 k 680 22 FR3R2ui12435C1C7C3C4C5C61 F22 k 220 F220 F0.1 F4 5+VCC(16 V)20400.01 F0.1 F VEE(16 V)R4大电容滤除低频成分大电容滤除低频成分小电容滤除高频成分小电容滤除高频成分 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术1.功率管的工作类型功率管的工作类型类别类别特点特点Q 点点波波 形形甲类甲类无失真无失真Q 较高较高ICQ 较大较大Q 较高较高甲乙类甲乙类有失真有失真效率高效率高ICQ 小小Q 较低较低乙类乙类失真大失真大效率最高效率最高ICQ=0 Q 最低最低 tiCO ICQiCO ICQ t tiCO ICQ小小 结结 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术OCLOTL优优点点缺缺点点 主主要要公公式式结构简单，效率高，结构简单，效率高，频率响应好，易集成频率响应好，易集成结构简单，效率高，频率结构简单，效率高，频率响应好，易集成，单电源响应好，易集成，单电源双电源，双电源，电源利用率不高电源利用率不高输出需大电容，输出需大电容，电源利用率不高电源利用率不高最大输出功率最大输出功率直流电源消耗功率直流电源消耗功率效率效率最大管耗最大管耗2.OCL 和和 OTL 功放电路的特性功放电路的特性