孙肖子模拟电子电路及技术基础.pptx
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1、9.1功率放大电路的一般问题9.1.1特点和要求功率放大电路的主要任务是不失真地给负载提供足够大的信号功率。从能量转换的观点看,功率放大电路与电压放大电路并无本质上的差别,只是考虑问题的侧重点不同。功率放大电路工作在大功率、大信号状态下,其特点和要求如下:(1)输出功率尽可能大。由于功率是电压和电流的乘积,为了获得大的输出功率,功率管上的电压和电流都要有足够大的幅度,即第1页/共86页(9.1.1)显然,功率管处于大信号范围工作,小信号等效电路分析法就不准确了,所以在功率放大电路中一般采用图解分析法进行分析。(2)效率要高。由于负载得到的有用功率是在输入信号的控制下,通过晶体管的作用由直流电源
2、提供的能量转换而来,在转换时,管子和电路中的耗能元件均要消耗功率。设直流电源提供的直流功率为PE,交流输出功率为Po,集电极损耗功率为PC,则PE=Po+PC (9.1.2)第2页/共86页对功放电路来讲,由于输出功率较大,效率问题就变得十分重要,否则,就会造成极大的功率浪费,甚至还会带来功率管的不安全因素。效率定义为(9.1.3)将式(9.1.2)代入式(9.1.3)可得(9.1.4)上式表明,当集电极损耗功率PC一定时,交流输出功率Po将随增加而迅速提高。第3页/共86页(3)非线性失真要小。由于功放管工作在大信号状态,因此非线性失真不可避免。如何减小非线性失真,同时又得到大的交流输出功率
3、,这也是功放电路设计者必须要考虑的问题之一。(4)功率器件的安全问题必须考虑。在功放电路中,有相当大的功率消耗在功放管的集电结上,它使管子的结温和管壳稳度升高。为了保证功放管安全、可靠地运行,必须要限制功耗、最大电流和管子承受的反压,要有良好的散热条件和适当的过流、过压保护措施。第4页/共86页9.1.2功率放大电路的工作状态功率放大电路根据静态工作点Q的位置不同,可分为A类、B类、C类来描述功放电路的工作状态,如图9.1.1所示。1.A类工作状态如图9.1.1(a)所示,工作点Q设在交流负载线的中点处,即放大管在输入信号整个周期内变化,ICQ不为零,放大管均导通,导通角=360。特点:静态电
4、流大;动态时,整个信号周期内有电流,非线性失真小,管耗大,且效率最低;用于小信号放大和驱动级。第5页/共86页图9.1.1功放电路的工作状态(a)A类工作状态;(b)B类工作状态;(c)C类工作状态第6页/共86页2.B类工作状态如图9.1.1(b)所示,工作点Q设在截止点处,ICQ=0。输入信号在整个周期内变化时,放大管只有半周导通,另外半周截止,导通角=180。特点:静态电流约等于零;动态时,半个周期内无电流,效率较高,但非线性失真大;用于功率放大电路。第7页/共86页3.C类工作状态如图9.1.1(c)所示,工作点Q位于截止区,ICQ=0,导通角180。特点:静态电流等于零;动态时,小于
5、半个周期以内有电流,导通角0),V1管发射结因加正向电压而导通,V2管截止,集电极电流iC1流过负载RL;在输入信号负半周时(ui0),V1管截止,而V2管导通,集电极电流iC2流过负载RL,但方向与正半周相反,波形如图9.2.1(b)、(c)所示。显然,在输入信号一个周期内,V1、V2两管交替工作,以弥补对方不能导通的半个周期的波形,在负载RL上合成一个完整的输出波形。由于该电路两管特性参数对称,并且正、负电源相等,故又称之为互补跟随推挽功率放大器。第14页/共86页3.指标分析计算B类互补跟随对称功率放大电路的集电极电流和电压波形如图9.2.2所示。它是将V2管导通特性倒置后与V1管导通特
6、性画在一起,让静态工作点Q重合,形成两管的合成曲线。第15页/共86页图9.2.2双电源互补跟随对称电路的图解分析第16页/共86页图9.2.2中分别画出了功放输出波形的三种情况。(1)任意状态:Uom=Uim(因为是共集组态Au=Uom/Uim1);(2)最大状态:Uom=UCCUCES(式中UCES为集电极饱和电压);(3)理想状态:UomUCC(不考虑UCES)。有关指标计算如下:1)输出功率Po如果输入、输出为正弦信号,则负载得到的功率为第17页/共86页(9.2.1)一般情况下,输出电压的幅值Uom小于电源电压UCC值,故引入电源利用系数,即(9.2.2)式(9.2.1)可改写为(9
7、.2.3)第18页/共86页号越大,Uom增大,电压利用率也增大。最大输出电压振幅为Uom(max)=UCCUCESUCC (=1)(9.2.4)故理想状态下,最大输出功率Pom为(9.2.5)第19页/共86页2)直流电源提供的功率PE由于每个晶体管的集电极电流为半个周期的非正弦波,用傅里叶级数展开,其电流的平均值Io为(9.2.6)因此,两个电源提供的总平均功率为(9.2.7)第20页/共86页可见,电源电压越大,输入信号越强(越大),RL越小,则电源提供的功率PE就越大。当=1时,PE最大,其最大功率为(9.2.8)当=0时,PE最小,其最小功率为(9.2.9)第21页/共86页可见,直
8、流电源提供的功率PE不是恒定不变的,而是随输入信号大小而变化。输入信号小,PE也小;输入信号大,PE也大。3)效率效率指交流输出功率Po与直流电源提供的功率PE之比,即(9.2.10)第22页/共86页在理想情况下(=1时),效率达到最高(9.2.11)考虑到管子的饱和压降和电阻等元件上的损耗,实际功放电路的效率一般在60%左右。4)管耗PC每只管子的管耗PC等于每管由电源输入的直流功率与每管输出的交流功率之差。单管管耗第23页/共86页(9.2.12)可见,每个管子的损耗PC是输出信号振幅的函数。无信号时,管子的损耗为零。现将PC对Uo求导,可得出最大管耗PCm。令(9.2.13)第24页/
9、共86页得出,当 时,每管的损耗最大,即(9.2.14)那么,我们可以得出一个重要结论,即PCm与最大输出功率的关系为(9.2.15)第25页/共86页式(9.2.15)提供了选择功率管功耗的依据。例如,负载要求的最大功率Pom=10W,那么只要选一个功耗PCm大于0.2Pom=2W的功率管就行了。5)选择功率管为保证晶体功率管的安全和输出功率的要求,电源及输出功率管参数的选择原则如下:(1)已知Pom及RL,选UCC,则第26页/共86页(9.2.16)(2)已知Pom,选择管子允许的最大管耗PCm。对一个功率管而言,其最大管耗为(9.2.17)第27页/共86页(3)功率管的最大耐压U(B
10、R)CEO。由图9.2.2可知,当信号最大时,一管趋于饱和,而另一管趋于截止,截止管承受的最大反压为2UCC的电源。因此,功率管耐压必须大于2UCC,即(9.2.18)(4)功率管允许的最大集电极电流ICM。由图9.2.1可知,V1管饱和导通时,V2管将截止,此时V1管的射极电压为UCC,故第28页/共86页(9.2.19)(5)管子的最大输出功率Pomax。(9.2.20)对于B类互补跟随对称功率放大电路两功率管的安全情况,应根据式(9.2.17)检查管耗是否超过允许值,同时,在最大输出功率时,管子上的最大电流和电压是否超过极限值ICM和U(BR)CEO。第29页/共86页【思考题】9.2.
11、1某B类互补跟随对称功率放大电路,若在负载不变的情况下,要将输出功率提高一倍,供电电压应提高多少倍?设管子的饱和压降忽略不计。9.2.2在图9.2.1(a)所示电路中,负载RL=8,管子的饱和压降为1 V,若输入信号ui为正弦波,要求负载上得到最大输出功率为10 W,则电源电压应如何选?第30页/共86页9.2.3减小或克服B类功放电路交越失真的方法是什么?9.2.4某B类互补跟随对称功率放大电路,在输出端串接一熔断丝,其作用是什么?9.2.5设计一个输出功率为20W的扩音机电路,若采用B类互补跟随对称功率放大电路(双电源),应选取PCM至少为多少瓦的功率管几个?第31页/共86页【例9.2.
12、1】在图9.2.3所示的功率放大电路中,已知UCC=15V,RL=8,功率管的饱和压降UCES=1V,试问:(1)静态时,调整哪个电阻可使uo=0V;(2)当ui0时,发现输出波形产生交越失真,应调节哪个电阻,如何调节;(3)二极管VD的作用是什么,若二极管反接,对V1、V2会产生什么影响;第32页/共86页(4)当输入信号ui为正弦波且有效值为10 V时,求电路输出功率Pom、电源供给功率PE、单管的管耗PC和效率;(5)若V1、V2功率管的极限参数为PCM=10W,ICM=5A,U(BR)CEO=40V,则验证功率管的工作是否安全。第33页/共86页图9.2.3AB类互补对称功率放大器第3
13、4页/共86页解(1)静态时,调整电阻R1可使uo=0V。(2)调整电阻R2并适当加大其值,以恰好消除交越失真为限。(3)利用其交流电阻小于其直流电阻之值,以使得V1、V2管基极之间有足够的直流电压差,也就是在管子的基极与发射极之间加了一个适当的正向偏置(微导通状态),使之工作在AB类状态。若二极管反接,则流过电阻R1的静态电流全部成为V1、V2管的基极电流,这将导致V1、V2管基极电流过大,甚至有可能烧坏功率管。第35页/共86页(4)因输入信号ui的有效值为10 V,故其最大值Uim=10V,又因该功放电路是射极跟随器结构(Au1),则有Uom=Uim=10V。故电路最大输出功率电源供给功
14、率 第36页/共86页单管的管耗效率(5)验证功率管安全与否,须计算功率管的最大工作电压和电流。因最大管耗第37页/共86页最大工作电压UomM=2UCC=30V40 V最大工作电流第38页/共86页9.2.2AB类单电源互补跟随对称功率放大电路双电源互补跟随对称功率放大电路需要两个独立的正、负电源。当只有一个电源时,可采用单电源互补跟随对称功放电路,如图9.2.4所示。它与双电源电路的最大区别在于输出端接有大容量的电容C2。第39页/共86页图9.2.4AB类单电源互补跟随对称功率放大电路第40页/共86页1.工作原理静态(ui=0)时,A点电位UA(1/2)UCC,那么大电容C2上的直流电
15、位也为UCC/2,它取代了双电源功放电路中的负电源,充当电源角色。动态(ui0)时,在输入信号的负半周,V1导通、V2截止,电流通过电源UCC,V1向大电容C2充电,在负载RL上得正半周信号;在输入信号的正半周,大电容C2放电代替电源向V2提供电流,由于其容量很大,故放电时间常数远大于输入信号周期,其上的电压可视为恒定不变。此时,V1截止、V2导通,在负载RL上得负半周信号。第41页/共86页2.分析计算采用一个电源的互补跟随对称功率电路,由于每个管子的工作电压不是原来的UCC,而是UCC/2,即输出电压幅值Uom最大也只能达到约UCC/2,因此前面导出的计算公式必须加以修正才能使用。修正的方
16、法也很简单,只要以UCC/2代替原来公式中的UCC即可。负载得到的交流电压振幅的最大值为(9.2.21)第42页/共86页故该电路负载得到的最大交流功率Pom为(9.2.22)为保证功率放大器良好的低频响应,电容C2必须满足(9.2.23)式中,fL为放大器所要求的下限频率(忽略共集电路输出电阻)。第43页/共86页9.2.3复合管及准互补B类功率放大电路(OCL电路)在互补B类功率放大电路中,如要求输出功率Pom=10 W,负载电阻为10,那么,功率管的电流峰值ICm=1.414 A,则必须选择大功率的NPN、PNP管,但是特性相同的大功率管很难匹配,而特性相同的同型号小功率管却容易挑选。若
17、选=30的功率管,则要求其基极驱动电流IBm=47.1 mA。若前置级放大器或运算放大器输不出这样大的电流来驱动后级功率管,则需要引入复合管,也就是用易配对的小功率管去推动大功率管工作。第44页/共86页复合管又称达林顿管,它是由两只三极管组成的一只等效三极管。在接法上,前一只三极管CE极(或FET的DS极)跨接在后一只三极管的BC极之间,为后一只三极管的基极电流提供通路。其中前一只三极管为小功率推动管,后一只三极管为大功率输出管。复合管的总值为总12。第45页/共86页1.组成复合管的原则(1)电流流向要一致。(2)各极电压必须保证所有管子工作在放大区,即保证e结正偏,c结反偏。(3)因为复
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