第4章 功率放大电路模电分析课件.ppt

第4章 功率放大电路,4.2互补对称功率放大电路,4.3改进型OCL电路,4.1概述,*4.4集成功放及其应用,小 结,4.1 概述,4.1.1 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, = Pom / PV 要高,非线性失真要小,特点：,晶体管的散热与保护问题,分析方法-图解法,本章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。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，功放管常常工作在尽限应用状态。,（功放的输入信号幅值较大，分析时应采用图解法）,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Po=IoUo，式中Io和Uo均为交流有效值。最大输出功率Pom是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。,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。,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显的区别。,4.1.2 功率放大电路的分类,甲类：,乙类：,甲乙类：,甲类,乙类,甲乙类,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周期内均导通（即导通角为360），则称之工作在甲类状态。,若晶体管仅在信号的正半周或负半周导通（即导通角为180），则称之工作在乙类状态。,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180 360之间），则称之工作在甲乙类状态。,放大电路的工作状态,甲类(= 2),乙类(= ),甲乙类( 2),Q,Q,Q,乙类工作状态失真大，静态电流为零 ，管耗小，效率高。,甲乙类工作状态失真大， 静态电流小 ，管耗小，效率较高。,甲类工作状态失真小，静态电流大，管耗大，效率低。,4.2.1 互补对称功率放大电路的引出,设“Q”设置在交流负载线中点,VCC,IC,4.2 互补对称功率放大电路,1.甲类功率放大电路的输出功率与效率,4.2.1互补对称功率放大电路（1）,共射放大电路输出功率很小，且由于电源提供的功率始终不变，使得效率也很低，可见其不宜作为功率放大电路。,2.互补对称功率放大器的引出,上图所示的射极跟随器输出电阻小，带负载能力强，适合作功率输出级。为了提高效率，必须使电路的静态损耗为0，即IB=0，IC=0，并且采用两个极性相反的射极跟随器组成乙类互补功率放大电路。,射极跟随器,波形失真,4.2.2 OCL电路的组成与工作原理(OCL Output Capacitorless),电路组成及工作原理,ui 0 T1 导通 T2 截止,iC1,io = iE1 = iC1, uO = iC1RL,ui 0 T2 导通 T1 截止,iC1,io = iE2 = iC2, uO = iC2RL,ui = 0 T1 、 T2 截止,目前使用最广泛的是无输出变压器的功率放大电路（OTL电路）和无输出电容的功率放大电路（OCL电路）。本节以OCL电路为例，介绍功率放大电路最大输出功率和转换效率的分析计算，以及功放中晶体管的选择。,电路存在的问题：当输入电压小于死区电压时，三极管截止，引起 交越失真。,交越失真,输入信号幅度越小失真越明显,为了消除交越失真，应当设置合适的静态工作点，使两只晶体管均工作在临界导通或微导通状态。即晶体管工作在甲乙类状态。,4.2.3 OCL电路的输出功率与效率,功率放大电路最重要的技术指标是电路的最大输出功率Pom及效率 。为了求解Pom ，需首先求出负载上能够得到的最大输出电压幅值。当输入电压足够大，且又不产生饱和失真时，电路的图解分析如右图所示。图中区为T1管的输出特性，区为T2管的输出特性。因Q点在横轴上，因而最大输出电压幅值等于电源电压减去晶体管的饱和压降，即（VCC-UCES）。,OCL电路,OCL电路的图解分析,最大输出功率Pomax= Pom,最大不失真输出电压的有效值Uom,电源功率PV,电源所消耗的平均功率等于其平均电流与电源电压之积，其表达式为,转换效率,在理想情况下，即饱和管压降可忽略不计的情况下,应当指出，大功率管的饱和管压降常为2 3V，因而一般情况下都不能忽略饱和管压降，即不能用上面理想情况下的式子来计算电路的最大输出功率和效率。,令,则,时管耗最大，即,可见，晶体管集电极最大功耗仅为最大输出功率的五分之一。,在查阅手册选择晶体管时，应使极限参数,PCM 0.2 Pom,U(BR)CEO 2VCC,ICM VCC / RL,这里仍需强调，在选择晶体管时，其极限参数，特别是PCM应留有一定的余量，并严格按手册要求安装散热片。,每只管子最大管耗为 0.2Pom（理想）,管耗,例1：在所示电路中，已知VCC=15V，输入电压为正弦波，晶体管的饱和管压降为3V，电压放大倍数约为1，负载电阻RL=4。（1）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8V，则负载上能够获得的最大功率为多少？,解：,（1）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身的参数外，还与输入电压是否足够大有关。,因为Uo=Ui，所以Uom=8V,4.3 改进型OCL电路,4.3.1 甲乙类互补对称功率放大电路,1.克服交越失真思路,电路：,当 ui = 0 时，T1、T2 微导通。,当 ui 0 ( 至 )， T1 微导通 充分导通 微导通；,T2 微导通 截止 微导通。,当 ui 0 ( 至 )， T2 微导通 充分导通 微导通；,T1 微导通 截止 微导通。,使UB1、B2略大于T1管发射结和T2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，即都有一个微小的基极电流，分别为IB1和IB2。,B1,B2,2.克服交越失真的方法,利用二极管消除交越失真,UBE的倍增电路,合理选择R1和R2，可以得到UBE任意倍数的直流电压，故称该电路为UBE倍增电路。同时，也可得到PN结任意倍数的温度系数，故可以用于温度补偿。,B1,B2,3.消除交越失真的OCL电路,甲乙类互补对称功率放大电路,4.功率和效率,由于甲乙类互补对称功率放大电路的静态电流很小，其工作原理与分析方法与乙类功率放大电路近似相同。 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，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，误差也不是很大。,理想,4.3.2 准互补对称放大电路,1. 复合管(达林顿管),目的：实现管子参数的配对,ib1,(1 + 1) ib1,(1 + 1) (1 + 2) ib1,= (1 + 1 + 2+ 12) ib1, 1 2,rbe= rbe1+ (1 + 1) rbe2,2(1+1) ib1,1 ib1,ib,ic,ie,(1 + 2 + 12) ib1,等效为,复合管的构成规则：,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）。,在并接点，必须保证两管电流同时流入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（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。,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二只管子的基极电流。,NPN,PNP,NPN,PNP,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iB，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，这就需要提高电源电压。,例：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。,不能,不能,NPN型,B,C,E,不能,不能,PNP型,B,C,E,NPN型,B,C,E,练习：,2. 采用复合管的准互补功率放大电路,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。要寻找特性完全对称的NPN型和PNP型对管是比较困难的，所以，在实用电路中常采用准互补电路。从输出端看进去，T2和T4均采用了同类型管，较容易做到特性相同。这种输出管为同一类型管的电路称为准互补电路。,4.3.3 输出电流的保护,准互补电路，T3和T4复合而成的PNP型管与NPN型管T2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R3和R4。R1、R2和T1构成UBE倍增电路，为电路设置了合适的静态工作点，以消除交越失真。 R3和R4还作为输出电流（发射极电流）的采样电阻与D1、D2共同构成过流保护电路。,T2导通时：,当iO未超过额定值时，D1所获得实际电压uD1Uon，D1截止；当iO过大时，R3上电压变大，使D1导通，为T2的基极分流，从而限制了T2的发射极电流，保护了T2管。D2在T3和T4导通时起保护作用。,iO,甲乙类单电源互补对称放大电路（补充）, OTL电路(Output Transformerless ),E,电容 C 的作用：,1)充当 VCC / 2 电源,2)耦合交流信号,取VEE=0,当 ui = 0 时:,当 ui 0 时：,T2 导通，C 放电，,T2 的等效电源电压 0.5VCC。,当 ui 0 时：,T1导通，C 充电，,T1 的等效电源电压 + 0.5VCC。,应用 OCL 电路有关公式时，要用 VCC / 2 取代 VCC 。,E,OCL 电路和 OTL 电路的比较*,思考一： 已知电路如图所示，T1和T2管的饱和管压降UCES3V，VCC15V， RL8。（1）说明电路中D1和D2管的作用；（2）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Pom和效率各为多少？（4）晶体管的最大功耗PTmax为多少？（5）为了使输出功率达到Pom，输入电压的有效值约为多少？,分析：,（1）,电路中D1和D2的作用是消除交越失真。,（2）,UEQ=0,（3）,（4）,（5）,思考二： 已知电路如图所示，T1和T2管的饱和管压降UCES2V，VCC15V， 输入电压足够大。求解：（1）最大不失真输出电压的有效值；（2）负载电阻RL上电流的最大值；（3）计算电路的最大输出功率Pom和效率各为多少？（4）在电路中R4和R5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？,分析：,（1）,（2）,（3）,（4）,*4.4集成功放及其应用,引言,4.4.2 DG810 集成功放及其应用,4.4.3 TD2040 集成功放及其应用,4.4.1 LM386 集成功放及其应用,组成：,前置级、中间级、输出级、偏置电路,特点：,输出功率大、效率高,有过流、过压、过热保护,引言,4.4.1 LM386 集成功放及其应用,1. 典型应用参数：,直流电源：,4 12 V,额定功率：,660 mW,带 宽：,300 kHz,输入阻抗：,50 k,1234,8765,引脚图,2. 内部电路,1. 8 开路时， Au = 20(负反馈最强),1. 8 交流短路 Au = 200(负反馈最弱),电压串联负反馈,V1、V6 ：,V3、V5：,V2、V4：,射级跟随器，高 Ri,双端输入单端输出差分电路,恒流源负载,V7 V12：,功率放大电路,V7 为驱动级(I0 为恒流源负载),V11、V12 用于消除交越失真,V8、V10 构成 PNP 准互补对称,3. 典型应用电路,输出电容(OTL),频率补偿，抵消电 感高频的不良影响防止自激等,调节电压放大倍数,4.4.2 DG810 集成功放及其应用, 标准音频功率放大,功率大、噪声小、频带宽、工作电源范围宽、有保护电路,输出电容,输入偏置,交流负反馈,频率补偿，防自激等,自举电容,频率补偿防自激等,+VCC,ui,C9,R1,R4,C2,DG810,1,12,9,4,7,8,5,C1,C8,C7,C4,C5,C6,5 F,100 k,.01 F,100 F,1000 pF,0.1 F,4 ,56 ,4 700 pF,10,100 F,100 F,100 ,R3,R2,1000 F,100 F,C10,1 ,电源滤波,4.4.3 TD2040 集成功放及其应用,特点：,输出短路保护、自动限制功耗、有过热关机保护,参数：,直流电源： 2.5 20 V,开环增益：80 dB,功率带宽：100 kHz,输入阻抗：50 k,输出功率：22 W (RL = 4 ),双电源(OTL)应用,大电容滤除低频成分,小电容滤除高频成分,1. 功率管的工作类型,小 结,结构简单，效率高，频率响应好，易集成,结构简单，效率高，频率响应好，易集成，单电源,双电源，电源利用率不高,输出需大电容，电源利用率不高,最大输出功率,直流电源消耗功率,效率,最大管耗,2. OCL 和 OTL 功放电路的特性,