第9章功率放大电路.ppt

第9章 功率放大电路,9.1 功率放大电路概述 9.2 互补对称功率放大电路 9.3 集成功率放大器,9.1 低频功率放大电路概述,9.1.1 分类,图 9 1 甲类、乙类、甲乙类功率放大电路的工作状态示意图,按晶体管导通时间不同，可分为甲类、乙类、甲乙类等,实际的放大电路中，输出信号要驱动一定的负载装置，如收音机中扬声器的音圈、电动机控制绕组、计算机监视器或电视机的扫描偏转线圈等。所以，实际的多级放大电路除了应有电压放大级外，还要求有一个能输出一定信号功率的输出级，这类主要用于向负载提供功率的放大电路常称为功率放大电路。,甲类功率放大电路的特征是在输入信号的整个周期内，晶体管均导通；乙类功率放大电路的特征是在输入信号的整个周期内，晶体管仅在半个周期内导通；甲乙类功率放大电路的特征是在输入信号的整个周期内，晶体管导通时间大于半周而小于全周。小信号放大电路中（如共射放大电路），在输入信号的整个周期内，晶体管始终工作在线性放大区域，故属甲类工作状态。本章将要介绍的OCL、OTL功放工作在乙类或甲乙类状态。按照放大信号的频率，分为低频功放和高频功放。前者用于放大音频范围（几十赫兹到几十千赫兹）的信号，后者用于放大射频范围（几百千赫兹到几十兆赫兹）的信号。本课程仅介绍低频功放。,9.1.2 功率放大电路的特点及主要技术指标,1.输出功率要足够大,如输入信号是某一频率的正弦信号,则输出功率表达式为,式中,Io、Uo分别为负载RL上的正弦信号的电流、电压的有效值。如用振幅值表示,代入公式(9-1),则,（9-1）,（9-2）,最大输出功率POM是指在正弦输入信号下，输出波形不超过规定的非线性失真指标时，放大电路最大输出电压和最大输出电流有效值的乘积。,2.效率要高,放大电路输出给负载的功率是由直流电源提供的。在输出功率比较大时，效率问题尤为突出。如果功率放大电路的效率不高，不仅造成能量的浪费，而且消耗在电路内部的电能将转换为热量，使管子、元件等温度升高而损毁。为定量反映放大电路效率的高低，定义放大电路的效率为,式中，Po为信号输出功率，PE为直流电源向电路提供的功率。可见，效率反映了功放把电源功率转换成输出信号功率（即有用功率）的能力，表示了对电源功率的转换率。,(9-3),3.非线性失真要尽量小 在功率放大电路中，晶体管处于大信号工作状态，因此输出波形不可避免地产生一定的非线性失真。在实际的功率放大电路中，应根据负载的要求来规定允许的失真度范围。4、分析估算采用图解法 由于功放中的晶体管工作在大信号状态，因此分析电路时，不能用微变等效电路分析方法，可采用图解法对其输出功率和效率等指标作粗略估算。,5、功放中晶体管的保护及散热问题 在功率放大电路中，为使输出功率尽可能大，晶体管往往工作在接近管子的极限参数状态，即晶体管集电极电流最大时接近ICM（管子的最大集电极电流），管压降最大时接近UCEO（管子c-e间能承受的最大管压降），耗散功率最大时接近PCM（管子的集电极最大耗散功率）。因此，在选择功放管时，要特别注意极限参数的选择，以保证管子的安全使用。当晶体管选定后，需要合理选择功放的电源电压及工作点，甚至需要对晶体管加散热措施，以保护晶体管，使其安全工作。功率放大电路的主要技术指标为最大输出功率和转换效率。,2.改善器件的散热条件,普通功率三极管的外壳较小,散热效果差,所以允许的耗散功率低。当加上散热片,使得器件的热量及时散热后,则输出功率可以提高很多。例如低频大功率管3AD6在不加散热片时,允许的最大功耗Pcm仅为1W,加了120mm120 mm4 mm的散热片后,其Pcm可达到10 W。在实际功率放大电路中,为了提高输出信号功率,在功放管一般加有散热片。,9.1.3 提高输出功率的方法,提高电源电压,9.1.4 提高效率的方法,提高效率对于功率放大电路来说非常重要，那么，怎样才能最大限度地提高效率呢？在放大电路中，在保证输出信号不失真的情况下，应将放大电路的工作点选得尽可能低，以便减小静态工作点电流，降低静态功率损耗。损耗小了，电路的效率自然就提高了。所以，放大电路的效率与静态工作点的位置有着密切的关系。乙类和甲乙类放大电路的静态工作点较低，故效率较高，理想情况下最高可达78.5%，但随着静态工作点的降低，集电极电流波形产生了较为严重的截止失真，这样的输出波形显然是不允许的。通过采取适当的电路结构，可以使电路既保持管耗小的优点，又不至于产生较大的失真，这样就解决了提高效率和非线性失真严重之间的矛盾。,9.2 互补对称功率放大电路,9.2.1 双电源互补对称电路(OCL电路),图9 2 双电源互补对称电路,1、电路组成及工作原理,设两管的门限电压均等于零。当输入信号ui=0,则ICQ=0,两管均处于截止状态,故输出uo=0。当输入端加一正弦信号,在正半周时,由于ui0,因此V1导通、V2截止,ic1流过负载电阻RL;在负半周时,由于ui0,因此V1截止、V2导通,电流ic2通过负载电阻RL,但方向与正半周相反。即V1、V2管交替工作,流过RL的电流为一完整的正弦波信号。由于该电路中两个管子导电特性互为补充,电路对称,因此该电路称为互补对称功率放大电路。,2.指标计算,图9 3 双电源互补对称电路的图解分析,(1)输出功率Po:,当考虑饱和压降Uces时,输出的最大电压幅值为,一般情况下,输出电压的幅值Ucem总是小于电源电压UCC值,故引入电源利用系数,(9-6),(9-4),(9-5),将(9-6)式代入(9-4)式得,当忽略饱和压降Uces时,即=1,输出功率Pom可按下式估算:,图9-4Po与关系曲线,(2)效率:由(9-3)式确定。为此应先求出电源供给功PE。,图9 5 集电极电流ic波形,因此,直流电源UCC供给的功率为,因考虑是正负两组直流电源,故总的直流电源的供给功率为,当=1时,效率最高,即,图9 6 PE与的关系曲线,(3)集电极功率损耗Pc:,图9-7Pc与的关系曲线,(9-14),3.存在问题,(1)交越失真。,图9 8 互补对称功率放大电路的交越失真,图9 9 克服交越失真的几种电路,图9-12(a)是利用V3管的静态电流IC3Q在电阻R1上的压降来提供V1、V2管所需的偏压,即,图9-12(b)是利用二极管的正向压降为V1、V2提供所需的偏压,即,图9-12(c)是利用UBE倍压电路向V1、V2管提供所需的偏压,其关系推导如下:,所以,(2)用复合管组成互补对称电路,图9 10 复合管的几种接法,图9 14 复合管互补对称级,图9 15 准互补对称电路,9.2.2 单电源互补对称电路(OTL电路),图9 16 单电源互补对称电路,9.2.3 实际功率放大电路举例,图9 17 OCL准互补对称功率放大电路,图9-18 集成运放作为前置级的OCL电路,9.3 集成功率放大器,9.3.1 内部电路组成简介,图 9-19 中虚线框内为DG4100系列单片集成功放内部电路。它由三级直接耦合放大电路和一级互补对称放大电路构成,并由单电源供电,输入及输出均通过耦合电容与信号源和负载相连,是OTL互补对称功率放大电路。,图 9-19 DG4100集成功放与外接元件总电路图,因为反馈由输出端直接引至输入端,且放大器的开环增益很高(三级电压放大),整个放大电路为深度负反馈放大器,所以,放大器的闭环电压增益约为1/F,即 当信号ui正半周输入时,V2输出也为正半周,经两级中间放大后,V7输出仍为正半周,因此V12、V13复合管导通,V8、V14管截止,在负载RL上获得正半周输出信号；当ui负半周输入时,经过相应的放大过程,在RL上取得负半周输出信号。,9.3.2 DG4100集成功放的典型接线法,图 9-20DG4100集成功放的典型接线法,