低频功率放大器.ppt

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1、低频功率放大器,第5章,427,目 录,5.1 概述 428,5.4 其它形式的功放电路简介 467,5.2 互补推挽功率放大器 436,5.3 功率放大器的保护电路 462,5.5 功放实际线路举例 477,HOME,428,5.1 概述,5.1.1 功率放大器的主要指标,5.1.2 功率放大器的分类,HOME,429,5.1.1 功率放大器的主要指标,功率放大：以输出功率为重点，驱动负载。,电压放大：不失真地增大输出信号电压幅度，以驱动功放。,功率放大器实质上也是能量转换电路，它的主要特点就是工作在大信号状态下。,1.预备知识,电压放大和功率放大有不同的特点及指标要求，在多级放大器中，电压

2、放大器处于前置级和中间级，而功率放大处在末级（也可能包括末前级），以驱动负载。,HOME,430,效率：放大器的输出信号功率 与直流电源供给功率 之比。,2.主要指标,功率放大器在线性区能够向负载提供的最大交流功率。,工作在线性区；,（1）输出功率,注意：,提供的最大交流功率（管子充分利用或称尽限运用）。,：直流电源供给集电极回路和偏置电路等直流功率之和。,（2）效率,5.1.1 功率放大器的主要指标,HOME,431,5.1.1 功率放大器的主要指标,直流电源供给功率 一部分变成了有用的输出信号，剩余的部分主要变成了晶体管的管耗，即：,（3）非线性失真,由于功放工作在大信号状态下，所以很容易

3、导致输出信号产生非线性失真。要求功放产生的非线性失真尽可能小。,HOME,432,结论：,功率放大器的任务是:在确保晶体管安全运用情况下，获得尽可能大的输出功率，尽可能高的效率和尽可能小的非线性失真。,5.1.1 功率放大器的主要指标,HOME,433,5.1.2 功率放大器的分类,功率放大器根据功放管的导通时间的长短进行分类。,（1）甲类（A类）工作状态,在输入信号的整个周期内晶体管都是导通的。,（2）乙类（B类）工作状态,在输入信号的半个周期内晶体管导通。,HOME,434,（3）甲乙类（AB类）工作状态,是介于甲类和乙类之间的工作状态，晶体管导通的时间大于半个周期，但小于一个周期。,（4

4、）丙类（C类）工作状态,晶体管导通的时间小于半个周期。,5.1.2 功率放大器的分类,HOME,435,（5）丁类（D类）工作状态,此时，晶体管处于开关状态，即在输入信号的半个周期内饱和导通；在另外半个周期内，晶体管截止。,饱和导通：,五类功放的效率满足下式：,5.1.2 功率放大器的分类,HOME,436,5.2 互补推挽功率放大器,5.2.1 乙类推挽功率放大器的工作原理,5.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算,5.2.3 乙类推挽功率放大器的非线性失真,HOME,437,5.2 互补推挽功率放大器,引言：甲类单管功放简介,设变压器为理想的,HOME,438,需要强调指出的是，对于甲类功

5、率，PU是一常数，与输入信号的大小无关。即使输入信号为零，直流电源还照样提供直流功率，因此效率很低。,时,当,5.2 互补推挽功率放大器,HOME,439,采用乙类的原因：由于晶体管只在半个周期内导通，因此晶体管的静态集电极电流为零，所以一个周期内晶体管的平均功耗小。,5.2.1 乙类推挽功率放大器的工作原理,显然，集电极电流产生了严重的非线性失真,选用两只特性完全相同的异型晶体管，轮流工作在乙类状态。,如何解决非线性失真和高效率的矛盾？,HOME,440,1.电路结构,（1）和 是一对对称的异型晶体管；,（2）和 分别与负载 组成射极跟随器；,（3）采用 两组电源供电。,两管交替工作，一只在

6、输入信号正半周导通，另一只在负半周导通，犹如一推一挽，在负载上合成完整的波形。,5.2.1 乙类推挽功率放大器的工作原理,HOME,441,2.工作原理,注：以下的分析中不考虑发射结导通门限电压。,电路,两管基极的静态电位为零,两管集电极电流为零,5.2.1 乙类推挽功率放大器的工作原理,HOME,442,电路,导通，截止,与 组成射极跟随器,在 上得到上半周波形,输入信号在正半周的情况,2.工作原理,5.2.1 乙类推挽功率放大器的工作原理,HOME,443,电路,导通，截止,与 组成射极跟随器,在 上得到下半周波形,输入信号在负半周的情况,2.工作原理,5.2.1 乙类推挽功率放大器的工作

7、原理,HOME,444,2.工作原理,5.2.1 乙类推挽功率放大器的工作原理,HOME,445,两管的Q点重合,5.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算,组合特性曲线,组合特性曲线,由于功放电路工作在大信号状态下，必须采用图解法分析。为了便于分析，将VT1的特性曲线倒置在VT2特性曲线的下方，它们的静态工作点重合。,静态集电极电流为零,HOME,446,1.输出功率,两个晶体管的输出功率为,通常所指的输出功率 是指在线性区得到的最大输出功率。如一功率放大器输出功率为10W，就是这个意思。实际输出功率与激励信号的大小有关。,5.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算,定义电压利用系数,HOME,

8、447,5.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算,例5-1 一互补推挽功放电路如图所示，己知,求输出功率。,解：,HOME,448,每个集电极的电流为半个周期的非正弦波。,可见，输入信号越大，即越大，需要提供的直流电源供给功率PU就越大；反之，输入信号越小，需要提供的直流电压功率就越小。当输入信号为零时，直流电源不需要提供功率。,2.电源供给晶体管的直流功率,5.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算,这说明电源供给的直流功率不是恒定不变的，而是根据输入信号大小而变化。因此乙类功放的效率高（与甲类进行比较）。,HOME,449,3.集电极功耗Pc,集电极功耗：每管的集电极损耗。,能否认为输入信号

9、越大 越大），管耗就越大呢？,上式均是对两管而言的，而集电极功耗是对每一管子而言的。,管耗也与有关。,5.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算,HOME,450,5.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算,在选管时，为了保证晶体管安全工作，可以以此作为选管依据。,通过管耗的表达式可以画出 和的关系曲线,HOME,451,4.集电极效率,cmax称为理论极限效率。,可见，乙类推挽功放的集电极效率与电压利用系数成正比。,5.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算,HOME,452,处于截止状态的晶体管的c极和e极之间承受的反压,5.功放管的耐压,，导通，截止，情况一样。,当，导通，截止，,5.2.2

10、乙类推挽功率放大器的分析计算,HOME,453,6.功放管的最大允许电流,指功放管导通时，流过管子的最大电流。,为确保晶体管安全工作，所选管子必须同时满足 上述的三个条件。,结论：,5.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算,HOME,454,5.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算,例5-2 若设计一互补推挽功率放大器，要求,解：,采用15V供电，应如何选择晶体管？,要求每只晶体管必须满足以下参数：,HOME,455,5.2.3 乙类推挽功率放大器的非线性失真,1.推挽电路对偶次谐波的抑制,推挽电路中，若两管的特性完全一致，则其电压、电流波形也完全对称。,可见，对称的电路可以消除偶次谐波成分。

11、,HOME,456,2.交越失真与工作点的选择,理想传输特性（不考虑门限电压）,（1）传输特性,在实际传输特性中，必须考虑三极管发射结的门限电压值。,可以看出，当输入信号的绝对值小于0.7V时，没有输出，因此输出信号会出现明显的失真。,是NPN管的集电极饱和电压,5.2.3 乙类推挽功率放大器的非线性失真,HOME,457,实际传输特性及输出电压波形如图所示,（2）交越失真,交越失真是指发生在信号穿越过零点时产生的失真。,5.2.3 乙类推挽功率放大器的非线性失真,HOME,458,加入合适的偏置电压。,（3）消除交越失真的方法,5.2.3 乙类推挽功率放大器的非线性失真,HOME,459,实

12、际电路1,5.2.3 乙类推挽功率放大器的非线性失真,显然，在该电路中，正向偏压是由 和 的正向电压提供。,HOME,460,实际电路2：,实际电路3：,在该电路中，是放大级，和、组成恒压源电路,为 和 提供正向偏压，以消除交越失真。,5.2.3 乙类推挽功率放大器的非线性失真,正向偏压是利用二极管（由三极管、接线而得）。,HOME,461,恰当选择电阻R1、R2，使IB1可以忽略不计，则,调整R1、R2比值，即可获得某一倍数 UBE 的UBB，因此该电路又称为UBE倍增电路。,5.2.3 乙类推挽功率放大器的非线性失真,HOME,462,5.3 功率放大器的保护电路,5.3.1 功放管的管耗

13、与散热,5.4.3 保护电路,HOME,463,5.3.1 功放管的管耗与散热,热功率：,集电极功耗Pc：管子在给负载输送功率的同时，本身所消耗的功率。,功放管的管耗是通过热传导的形式以散热的方式消耗掉的。,热传导：热能从高温点向低温点传送的现象。,对于功放管而言,表示管子的结温,HOME,464,5.3.1 功放管的管耗与散热,则当环境温度和热阻一定时，功放管的最高结温对应集电极的最大允许功耗。,HOME,465,限制管耗即可以有效地保护功放管，因此只要限制流过集电极地电流，就可以限制管耗。,（1）二极管保护电路,最大输出电流为,VD3、VD4是附加的限流二极管。正常时，VD3和VD4不起作

14、用；正向电流过大，Re2上的压降增大，VD3由截止变为导通，分去了一部分基极电流，因此限制了输出电流。,5.3.2 保护电路,HOME,466,5.3.2 保护电路,（2）三极管保护电路,VD4、VD5是附加的限流二极管。正常时，VD4和VD5不起作用；正向电流过大，Re2上的压降增大，VD4由截止变为导通，分去了一部分基极电流，因此限制了输出电流。,HOME,467,5.4 其它形式的功放电路,5.4.1 单电源供电的互补推挽电路,5.4.2 准互补推挽功率放大器,5.4.3 场效应管功率放大器,HOME,468,5.4.1 单电源供电的互补推挽电路,1.原理电路,双电源供电的互补推挽电路需

15、要两组正负电源，有时使用不便，因此提出了单电源供电电路。,当电容C 的容量很大时，对C的充放电时间远大于信号的半个周期。因此，当两管轮流导通时，电容两端电压基本不变。,HOME,469,2.实际电路结构,电路中只采用了一组电源供电；VT1是放大级，工作在甲类状态。,VT2和VT3构成互补推挽功放，R4用来消除交越失真，C3用来旁路R4，使加到VT2、VT3的基极的激励信号相等。,VT2和VT3的输出通过电容C2和负载相接。,5.4.1 单电源供电的互补推挽电路,HOME,470,3.工作原理,调整VT1的静态工作点，使,由于C2的容量很大，因此C2充放电的时间常数远大于信号的半个周期，所以两管

16、轮流导通时，电容两端的电压基本不变恒等于UCC/2，相当于直流电源电压。,5.4.1 单电源供电的互补推挽电路,HOME,471,4.性能指标,该电路的性能指标计算等同于OCL电路，只是此时的等效电源电压为UCC/2。,图示的单电源供电的互补推挽功率放大器称为OTL(Output Transformer Less)电路。,5.4.1 单电源供电的互补推挽电路,HOME,472,5.4.2 准互补推挽功率放大器,1.复合管的构成,将两只或两只以上的晶体管按照一定的原则连接在一起，以实现一定的目的。,（1）等效为NPN管,（2）等效为PNP管,（3）连接原则：,复合管类型以第一个晶体管为准；应保证

17、两管的基极电流能流通；第一管的c、e不能和第二管的b、e接在一起。,HOME,473,2.准互补推挽电路,VT5作为放大管，工作在甲类工作状态。,VT1、VT3 以复合管的方式构成NPN管。,VT2、VT4 以复合管的方式构成PNP管。,注：VT3和VT4是同型管子，所以不具互补性，互补作用是由VT1和VT2实现的。,5.4.2 准互补推挽功率放大器,HOME,474,在 型硅衬底上生长出一层 外延层，区共同构成漏区，在其上引出漏极（d极）；在 外延层上掺杂扩散形成P层及 层，以此为源极区并在其上引出源极(s极)；最后利用光刻技术刻蚀出纵向的V型槽，在整个表面氧化生成SiO2层，并在V型槽表面

18、蒸发一层金属层形成栅极（g极）。,1.VMOS功率场效应管,5.4.3 场效应管功率放大器,是一种短沟道，垂直导电型的MOS功率器件。,HOME,475,1.VMOS功率场效应管,5.4.3 场效应管功率放大器,(1)垂直导电，充分利用了硅片面积，可提高输出电流；(2)器件的耐压得以提高；(3)器件的工作频率及开关速度大大提高；(4)器件具有良好的线性特性；(5)有利于器件大功率工作。,HOME,476,2.VMOS管功率放大电路,5.4.3 场效应管功率放大器,特点：电路简单，非线性失真小，具有自保护功能。,结型管 组成自偏式共源放大器，作为激励级为功放提供大信号输入。VMOS管 构成单管共

19、源功放，和 构成电阻分压式偏置电路提供静态的栅源偏压,输出信号通过、反馈回输入端，构成电压串联负反馈，以稳定输出电压提高输入电阻，改善放大器性能。,HOME,477,LM386：低电压通用型低频集成功放,5.5 功放线路实际举例,HOME,478,LM386：低电压通用型低频集成功放,5.5 功放线路实际举例,VT1 VT6组成有源负载单端输出差动放大器作输入级，,VT5、VT6构成镜像电流源作差放的有源负载以提高单端输出时差动放大器的放大倍数。,VT7构成的共射放大器,VT8 VT10组成准互补推挽功放,HOME,479,LM386管脚说明,5.5 功放线路实际举例,2、3脚分别为反相、同相输入端；5脚为输出端；6脚为正电源端；4脚接地；7脚为旁路端，可外接旁路电容以抑制纹波；1、8脚为电压增益设定端，,HOME,480,、构成串联补偿网络与呈感性的负载（扬声器）相并，最终使等效负载近似呈纯阻，以防止高频自激和过压现象。,5.5 功放线路实际举例,LM386典型应用电路,5脚输出：,7脚旁路：,外接去耦电容，用以提高波纹抑制能力，消除低频自激。,1、8脚电压增益设定：接入电阻电容串联支路，用以调整电压增益,HOME,