武汉理工大学模电功率放大电路.pptx

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1、 2023/3/178.功率放大电路1引言2功率放大电路的一般问题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TAKE A REST第2页/共40页 2023/3/17引言第3页/共40页 2023/3/17功率放大电路的一般问题1.功率放大器的特点（P134）2.对功率放大电路的一般要求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，三极管都工作在线性区线性区，要求向负载输出不失真的电压信号

2、，分析方，要求向负载输出不失真的电压信号，分析方法可以采用法可以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等，输出信号的失真是可以忽略不计的；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，多采用流、电压值都很大，小信号模型不再适用，多采用图图解分析方法解分析方法；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、直流电源供给功率直流电源供给功率PV、效率、效率等；等；用于用于驱动驱动扬

3、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 2023/3/17对功放的一般要求提高效率的同时降低三极管本身的管耗提高效率的同时降低三极管本身的管耗减小输出信号的非线性失真现象减小输出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 2023/3/17功放的分类根据

4、晶体管在正弦信号一个周期内的导通时间（导通角根据晶体管在正弦信号一个周期内的导通时间（导通角，直接，直接关系到输出功率的效率）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 2023/3/17射极输出器甲类放大的实例1共集电极电路共集电极电路(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、电流增益为（、电流增益为（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，常用做输出电阻小，带负载能力

5、强，常用做多级放大电路的输出级。多级放大电路的输出级。第7页/共40页 2023/3/17射极输出器甲类放大的实例21.静态分析（直流通路）静态分析（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源保证稳定的偏置电流镜像电流源保证稳定的偏置电流直到饱和，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 2023/3/17射极输出器甲类放大的实例33.功率和效率的计算功率和效率的计算例例8.2.1 设电

6、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作用下，作用下，当当vi=0时，输出电压时，输出电压vO0。若。若vi为正弦信号电压，试计为正弦信号电压，试计算最大输出功率算最大输出功率Pom、T1的管耗的管耗PT1、电流源的损耗和、电流源的损耗和效率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。

7、第9页/共40页 2023/3/17求管耗、电流源损耗、效率输出功率最大时输出功率最大时理想情况下，电阻负载的甲类功放最高效率也只能达到理想情况下，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 2023/3/17乙类双电源互补对称功率放大器1.电路组成2.工作原理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

8、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 2023/3/17乙类功放电路组成第12页/共40页 2023/3/17乙类功放工作原理1)vi=0 时，为静态时，为静态vitovoto2)vi正半周时，正半周时，T1导通，导通，T2截止截止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 2023/3/17乙类功放分析计算负载上的输出平均功率：最大不失真平均功率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

9、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 2023/3/17最大输出功率与阻抗匹配第15页/共40页 2023/3/17转换效率的计算若忽略放大管的饱和管压降，乙类双电源互补对称功放的最大效率可达第16页/共40页 2023/3/17功率管功率损耗PT的计算功率放大电路的功率损耗实际上是BJT三极管的功率损耗，即晶体管集电结上的功耗。一个信号周期内的平均管耗为：求最大值：求最大值：选择功率管的依据之一第17页/共40页 2023/3/17平均管耗第18页/共40页 2023/3/17相关曲线对常规坐标做线性变换，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规律：

10、4.管耗最大的时候是在中间的某个位置第19页/共40页 2023/3/17相关曲线与特征规律第20页/共40页 2023/3/17功率BJT的选择1.每只BJT的最大允许管耗PCM必须大于0.2 Pom;例8.3.1 电路如图所示,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）放大电路在=0.6时的输出功率Po第21页/共40页 2023/3/17例8.3.1解：解：求求Pom，并检验，并检验BJT的安全工作情况的安全工作情况=（12V）2/2 8=9W通过BJT

11、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，均应分别小于极限参数，均应分别小于极限参数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 2023/3/17甲乙类互补对称功率放大器1.甲乙类双电源互补对称电路2.甲乙类单电源互补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（DEA

12、D 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 2023/3/17交越失真第24页/共40页 2023/3/17甲乙类双电源互补对称功放(OCL)11.偏置电路：偏置电路：甲乙类工作方式可以消除交越失真假设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

13、页 2023/3/17甲乙类双电源互补对称功放22.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：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 2023/3/17甲乙类双电源互补对称功放33.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

14、偏置的双电源互补对称电路：只要从工艺上保证VBE4恒定，就可以通过调整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 2023/3/17甲乙类单电源互补对称功放(OTL)1.基本电路：基本电路：信号负半周时，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 2023/3/17其它类型功率放大电路11.采用复合管采用复合管(达林顿达林顿)的的OCL电路：电路：采用一对同型号

15、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 2023/3/17其它类型功率放大电路22.桥式推挽功率放大电路桥式推挽功率放大电路(BTL电路电路)：在输入信号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7

16、8.5%。第30页/共40页 2023/3/17集成功率放大器在集成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的要求。电路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 2023/3/17LM380（封装与符号）第32页/共40页 2023/3/17LM380（内部原理图）第33页/共40页 2023/3/17LM380（典型应用1）第34页/共40页 2023/3/17LM380（典型应用2）第35页/共40页 2023/3/17作业8.3.48

17、.4.4、8.4.5第36页/共40页 2023/3/17素材1iC1iC2QiB=常数常数AB00vCE VCES VCES Icm2IcmVcem2VcemiC1QiB=常数常数AB0vCE1 VCES Vcem1Icm1第37页/共40页 2023/3/17素材2vo3第38页/共40页 2023/3/17基本共射极甲类放大电路忽略管压降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页感谢您的观看！第40页/共40页