电子线路基础第3章功放部分.ppt

第3章 多级放大电路和集成运算放大电路,3.1 多级放大电路 3.2 差分放大电路 3.3 电流源电路 3.4 功率放大电路 3.5 集成运算放大电路,3.4 功率放大电路,3.4.1 功率放大电路概述1.功率放大电路的特点：1）根据负载要求，提供尽可能大的输出功率功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。当输入正弦信号时，在输出波形不超过规定的非线性失真范围的情况下，放大电路最大输出电压和最大输出电流有效值的乘积称为最大输出功率Pom，即,Pom=UoIo,2）具有较高的效率 从前面的分析可知，所有的放大电路实质上都是能量变换器。负载上所得到的信号功率实际上是由直流电源通过放大器件转换而来的。当供给功率放大电路的直流电源功率一定时，为了向负载提供尽可能大的功率，就必须减小损耗，因此提高功率放大电路的能量转换效率是一个重要问题。功率放大电路的转换效率是最大输出功率与电源所提供的功率之比，用表示，即式中,PV为直流电源所提供的功率。,3）尽量减小非线性失真 在功率放大电路中，为了使输出功率尽可能大，三极管一般都工作在极限状态，瞬时工作点将运动到接近于管子的饱和区和截止区，输出信号不可避免地会有非线性失真，而且输出功率越大，非线性失真越严重。因此必须注意功放管的正确选择，要保证管子的最大耗散功率PCM、最大集电极电流ICM、最大管压降U(BR)CEO不超过限定范围，使管子工作在安全工作区。由于功率放大电路中的三极管通常都工作在大信号状态，因此在进行分析时，一般不采用小信号等效电路法，而是采用图解法进行功放电路的静态和动态分析。,2.功率放大电路提高效率的主要途径 功率放大电路的形式很多，按放大电路不同的工作状态，可分为甲类放大、乙类放大、甲乙类放大。在前面所讨论的电压放大电路中，输入信号在整个周期内都有电流流过放大器件，这种工作方式称为甲类放大，其工作状态如图3-24（a）所示，由图可见iC0。在甲类放大电路中，直流电源所提供的功率在没有信号输入时，全部消耗在管子和电阻上；当有信号输入时，一部分转化为有用的输出功率，另一部分消耗在器件上。可以证明,即使在理想情况下，甲类放大电路的效率最高也只能达到50%。,怎样才能使电源所提供的功率尽可能多地转化为有用的信号输出功率呢？要想提高放大电路的效率，只有减小损耗。从甲类放大电路可知，静态电流是造成管耗的主要因素。如果把静态工作点向下移动，使信号等于零时，电源的输出功率也等于零（或很小），信号增大时电源供给的功率也随之增大，这样电源所提供的功率和管耗都会随着输出功率的大小而变化。利用图3-24（b）和（c）所示工作情况，可以实现上述设想。在图3-24（b）中，有半个周期以上iC0，称为甲乙类放大；图3-24（c）中，一个周期内只有半个周期iC0，称为乙类放大。,甲乙类和乙类放大虽然减小了静态功耗，提高了效率，但是由于工作点偏下，会出现严重的波形失真，因此，既要保持静态时管耗小，又要使波形不产生严重失真，就必须改进电路结构。,图 3-24 Q点下移对工作状态的影响(a)甲类放大,图 3-24 Q点下移对工作状态的影响(b)甲乙类放大,图 3-24 Q点下移对工作状态的影响(c)乙类放大,1）变压器耦合功率放大电路,图 3-25 变压器耦合乙类推挽功率放大电路,图中Tr1为输入变压器，Tr2为输出变压器，三极管V1、V2特性完全相同，且接成对称射极输出器形式。当输入电压ui为零时，由于V1、V2管的发射极电压为零，均处于截止状态，因此电源所提供的功率为零，负载上的电压也为零，两只管子的管压降均为UCC。当输入电压ui为正半周时，V1管导通，V2管截止，电流iC1如图中实线所示；当输入电压ui为负半周时，V1管截止，V2管导通，电流iC2如图中虚线所示。这种V1和V2管在电路中轮流导通的方式称为“推挽”工作方式。虽然两个三极管的集电极电流iC1和iC2均只有半个正弦波，但是经变压器耦合后，负载RL上的电流iL和输出电压uo的波形是整个正弦波。,图 3-26 OTL电路,2）无输出变压器的功率放大电路 变压器耦合的功率放大电路优点是可以实现阻抗变换，但是其体积庞大、笨重，消耗有色金属，高频和低频特性差，因此目前广泛应用的是无输出变压器的功率放大电路（Output TransfomerLess），简称OTL电路，如图3-26所示。OTL电路用一个大电容取代了变压器，采用特性对称、类型不同的两个三极管V1和V2，其中一个为NPN型，另一个为PNP型。,静态时，前级电路应使基极电压为UCC/2，所以两管的发射极电压也为UCC/2，则电容上的电压也等于UCC/2，极性如图3-26所示。设电容容量足够大，对交流信号视为短路，三极管b-e间的开启电压忽略不计。在ui的正半周，V1管导通，V2管截止，电流iC1从UCC流出，经V1管和电容C后流过负载RL到公共端，方向如图中实线所示。由于V1管和负载RL组成的电路为射极输出形式，故输出电压uoui；在ui的负半周，V1管截止，V2管导通，电流iC2由电容C的正极流出，经V2管和负载RL回到电容C的负极，方向如图中虚线所示。V2管也以射极输出形式将负半周信号传送给RL，即uoui。这样负载RL上得到一个完整的信号波形。,通常情况下功率放大电路的负载电流很大，电容容量常选为几千微法，且是电解电容。由于大容量的电容不适于集成电路，所以通常采用无输出电容的功率放大电路（Output CapacitorLess），简称OCL电路。下面以OCL电路为例，介绍功率放大电路的最大输出功率、效率及管耗的分析与计算。,3.4.2 互补功率放大电路 1.OCL电路的组成及工作原理,基本OCL电路如图3-27所示。电路采用绝对值相等的双电源供电，V1管和V2管特性对称，且一个为NPN型，一个为PNP型。两管发射极连接在一起作为输出端，基极连在一起作为输入端，所以两管都是共集电极接法，故又称互补射极输出器。,图 3-27 OCL电路(a)电路图；(b)波形图,当输入信号ui=0时，电路处于静态，两管都不导通，静态电流为零，电源不消耗功率。在输入信号的正半周，即ui0时，V1管导通，V2管截止，正电源供电，电流iC1经V1管流过负载RL，方向如图3-27（a）中实线所示，输出电压uoui；在输入信号的负半周，即ui0时，V1管截止，V2管导通，负电源供电，电流iC2流过负载RL，方向如图3-27（a）中虚线所示，输出电压uoui。这样在输入信号的一个周期内，V1、V2管交替工作，管子工作在乙类放大状态，互相补充对方所缺少的半个周期，从而使负载R上得到一个完整的信号波形。,2.输出功率、效率和管耗的计算 由于输出波形是两管共同作用的结果，为了便于分析，将V#-2管的输出特性曲线倒置在V1管的右下方，并令两者在Q点，即uCE=UCC处重合，就得到了如图3-28所示的两管组合后的特性曲线。交流负载线为过Q点且斜率为-1/RL的直线，根据输入的正弦信号，Q点在交流负载线上移动，信号为正半周时，V1管导通，可得到其集电极电流iC1和集-射之间的电压uCE1的半波波形；信号为负半周时，V2管导通，得到iC2和uCE2的半波波形，这样在负载RL上是完整的正弦电流、电压波形。显然,允许的iC的最大变化范围为2Icm，uCE的最大变化范围为2(UCC-UCES)=2Ucem。,图 3-28 用图解法分析OCL电路,1）最大输出功率Pom由图3-28可得最大输出功率为,在理想情况下UCES0，所以,2）直流电源提供的功率PV 由于每个直流电源只提供半个周期的电流,iC=Icmsint,因此，两个直流电源所提供的总功率等于其电源电压与平均电流的乘积，即,3）效率,理想情况下，忽略UCES，则,4）集电极管耗PT 集电极管耗是指每个三极管集电极上所损耗的功率，用PT表示。通常情况下，功率放大电路中的损耗主要是三极管的集电极管耗。由于上述电源所提供的功率和负载上获得的功率是对两个三极管而言的，因此每个三极管的集电极管耗为,（3-51）,对式（3-51）进行求导，令dPT/dUcem=0，得Ucem=UCC时，三极管的管耗为最大，即,当U0时，由式（3-47）可得,5）功放三极管的选择 从前面的分析可知，在OCL电路中，每只功放管的最大管耗为PTmax0.2Pom，它的集-射之间最大压降为2UCC，它的最大集电极电流为UCC/RL，因此在选择功放管时应满足下列条件：每只功放管最大允许管耗PCM0.2omax；每只功放管集、射之间反向击穿电压U(BR)CEO2UCC；每只功放管最大允许集电极电流ICMUCC/RL。,3.交越失真及其消除 在图3-27所示的OCL电路中，若考虑三极管b-e间的导通电压Uon，则当输入电压的数值|ui|Uon时，V1、V2管均处于截止状态，iC1和iC2同时为零，输出电压uo也为零。只有|ui|Uon时，V1或V2管才导通，使输出电压uo等于输入电压ui。因此在这种情况下，得到的波形是失真波形，如图3-29所示。由于这种失真发生在两管交替瞬间，故称为交越失真。,图 3-29 交越失真的波形,为了消除交越失真，应设置合适的静态工作点，使两只三极管均工作在临界导通或微导通状态，通常采用如图3-30所示电路。图中R1、R2、VD1、VD2、R3组成偏压电路，利用R2、VD1、VD2上的电压降给V1、V2管的发射极提供一个小的正向偏压，这样在ui=0时，两个管子已处于微导通状态，每个管子的基极各自存在一个较小的基极电流iB1和iB2，同样，在两管的集电极也存在着较小的集电极电流iC1和iC2，但是静态时，iL=iC1-iC2=0，所以输出电压uo为零。,图 3-30 消除交越失真的OCL电路,当所接信号按正弦规律变化时，由于二极管VD1、VD2的动态电阻很小，而且2的阻值也很小，因此可忽略VD1、VD2管及电阻R上的交流压降，认为uB1uB2ui。当ui0时，随着ui的增大，V1管的电流逐渐增大，同时ui增大到一定值时，V2管截止，负载RL上得到正方向的电流；当ui0时，随着ui的减小，V2管的电流逐渐增大，当ui减小到一定值时，V1管截止，负载RL上得到负方向的电流。这样，即使|ui|很小，也总能保证至少有一只三极管导通，因而消除了交越失真。通过上述分析可知，两管的导通时间都比输入信号的半个周期长，因此V1、V2管工作在甲乙类状态。,【例3-4】功率放大电路如图3-31所示，设功率管1=2=15,电源电压UCC=16 V,负载RL=4，三极管饱和压降UCES=0 V，试求电路最大不失真输出功率、满功率输出时的管耗及最大管耗、功放电路的效率和输入信号的功率。解 在图3-31中，V1为PNP管，V2为NPN管，R2、VD1、VD2上产生的压降之和应略大于V1、V2两管的导通电压之和，从而使V1、V2管有一个小的静态电流，并可由R2来调节静态电流的大小。,图 3-31 例3-4电路图,电路的最大输出电流峰值为,最大输出功率为,电源供给的直流功率为,输出功率最大（满功率输出）时的管耗,最大管耗,PTmax=0.2Pom=0.232=6.4 W,输入信号电流和电压峰值分别为,所以，输入信号的功率应为,4.采用复合管的OCL电路,图 3-32 采用复合管的OCL电路,复合管又称为达林顿管，它可由两个或两个以上的三极管复合，也可由场效应管和三极管复合。构成复合管的原则是:复合后的管子类型应和第一个管子的类型相同;若把两只管子或多只管子正确连接成复合管，必须保证每只管子各电极的电流都能顺着各个管子的正常工作方向流动，否则将是错误的;复合管外加电压的极性应保证复合中的管子都工作在放大区。,图 3-33 复合后的等效互补管,从图3-33（a）可见，复合后管子的电流放大系数为,式（3-54）表明，复合管的电流放大系数约等于两只管子电流放大系数的乘积。,（3-54）,图 3-34 常用复合管结构,3.4.3 集成功率放大电路,图 3-35 LM380集成功率放大电路的内部电路原理图,图3-35中，V1V6管为输入级，其中，V1和V3、V2和V4分别构成复合管，组成差分放大电路，V5、V6组成镜像电流源作为V3、V4的有源负载，R3为发射极反馈电阻；信号从V1和V2管的基极输入，从V4的集电极输出，这是双端输入单端输出的差分放大电路。V12构成的共射放大电路作为中间级；V10、V11接成镜像电流源作为V12管的有源负载，以提高放大倍数。V7V9为互补推挽的功率输出级。V8、V9复合成PNP管与V#-7管构成互补推挽形式。二极管VD1、VD2用于消除交越失真。,在深度负反馈条件下，LM380的电压放大倍数能够达到50倍，其外接电路如图3-36 所示。它的电源电压工作范围为1222 V。当UCC=22 V，RL=8 时，最大输出信号电压幅值为10 V，相应的输出信号功率Po=6.25 W，利用电位器RW，可以调节扬声器的音量。,图 3-36 LM380外接电路,