[信息与通信]第9章低频功率放大电路.ppt

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1、9.1 功率放大电路概述 9.1.1 功率放大电路的特点 9.1.2 功率放大器工作状态 的分类9.2 双电源互补对称功率放大电路(OCL电路)9.2.1 电路组成和工作原理 9.2.2 性能分析 9.2.3 交越失真的消除 9.2.4 用复合管组成互补对称电路 9.2.5 OCL电路的应用分析9.3 单电源互补对称电路(OTL电路)9.3.1 电路特性 9.3.2 电路原理 9.3.3 电路实例 9.3.4 调试方法,9.4 BTL集成功率放大电路 9.4.1 BTL功放组成及其工作原理 9.4.2 集成BTL电路9.5 集成功率放大器4100系列简介9.6 VMOS功率放大器 9.6.1

2、功率场效应管(VMOS)简介 9.6.2 功率场效应管(VMOS)电路实例,本章要点:功放的特点与分类 OCL电路原理与特性分析 OTL电路原理与调试方法 BTL电路组成与原理 VMOS功放的特点与应用,本章难点:OCL电路性能指标分析 OTL电路调试方法,9.1 功率放大电路概述,9.1.1 功率放大电路的特点,功率放大器的主要任务是向负载提供较大的信号功率，故功率放大器应具有以下几个主要特点。,1.输出功率要足够大,如输入信号是某一频率的正弦信号，则输出功率的表达式为,Po=IoUo,(9-1),改用振幅值表示，公式9-1又为,Po=,IomUom,(9-2),第六章 负反馈放大器,第9章

3、 低频功率放大电路,9.1.1 功率放大电路的特点,2.效率要高,功率放大器实质上是一个能量转换器，它是将电源供给的直流能量转换成交流信号的能量输送给负载，因此，要求转换效率高。,(9-3),式中，Po为信号输出功率，PDC是直流电源向电路提供的功率。在直流电源提供相同直流功率的条件下，输出信号功率愈大，电路的效率愈高。,第9章 低频功率放大电路,9.1.1 功率放大电路的特点,3.非线性失真要小,功率放大器是在大信号状态下工作，电压、电流摆动幅度很大，而且由于三极管是非线性器件，在大信号工作状态下，器件本身的非线性问题十分突出，因此，输出信号不可避免地会产生一定的非线性失真。在实际应用中，要

4、采取措施减少失真，使之满足负载要求。,4.图解法进行估算,由于功放工作在大信号状态，实际上已不属于线性电路的范围，故不能用小信号微变电路的分析方法，通常采用图解法对其输出功率、效率等指标作粗略估算。,第9章 低频功率放大电路,9.1.2 功率放大器工作状态的分类,功率放大电路按放大器中三极管静态工作点设置的不同，可分为甲类、乙类和甲乙类三种，如图9-1所示。,图9-1 甲类、乙类、甲乙类功放电路工作状态,9.1.2 功率放大器工作状态的分类,甲类功率放大电路的特征是工作点在负载线线性段的中点，在输入信号的整个周期内，晶体管均导通，有电流流过，功放的导通角=360。乙类功率放大电路的特征是工作点

5、设置在截至区，在输入信号的整个周期内，晶体管仅在半个周期内导通，有电流流过，功放的导通角=180。甲乙类功率放大电路的特征是工作点设置在放大区内，但很接近截至区，管子在大半周期间导通，有电流流过，功放的导通角180360。在甲类功率放大电路中，由于在信号全周期范围内管子均导通，故非线性失真较小，但是输出和效率均较低，因而在低频功率放大电路中主要用乙类或甲乙类功率放大电路,9.2 双电源互补对称功率放大电路(OCL电路),单管甲类功率放大电路简单，只需要一个功率管便可工作。由于它的效率低，而且为了实现阻抗匹配，需要用变压器，而变压器具有体积大、重量重、频率特性差、耗费金属材料、加工制造麻烦等缺点

6、，因而，目前一般不采用单管甲类功率放大电路。乙类功率放大电路具有能量转换效率高的特点，常作为功率放大器。但乙类放大电路只能放大半个周期的信号，常用两个对称的乙类放大电路分别放大正、负半周的信号，然后合成完整的波形输出，即采用互补对称功率放大电路。,9.2.1 电路组成和工作原理,9.2 双电源互补对称功率放大电路(OCL电路),图9-2 基本OCL电路,1.静态分析,当输入信号ui=0时，两个三极管都工作在截止区，此时IBQ、ICQ、IEQ均为零，负载上无电流通过，输出电压uo=0。,9.2.1 电路组成和工作原理,2.动态分析,当输入信号工作在正半周时，由于Ui 0，三极管T1导通，T2截止

7、，T1管的射极电流ie1经+VCC自上而下流过负载电阻，在RL上形成正半周输出电压，uo 0。当输入信号工作在正半周时，由于Ui 0。不难看出，在输入信号ui的一个周期内，即T1、T2管交替工作，流过RL的电流为一完整的正弦波信号。,9.2.2 性能分析,双电源互补对称电路工作图解分析如图9-3所示。图9-3(a)为T1管导通时的工作情况。图9-3(b)是将T2管的导通特性倒置后与T1特性画在一起，让静态工作点Q重合。,图9-3 双电源互补对称电路图解分析,9.2.2 性能分析,1.输出功率Po,(9-4),当考虑饱和压降Uces时，输出的最大电压幅值为,Ucem=Ucc-Uces,(9-5)

8、,一般情况下输出电压的幅值Ucem总是小于电源电压VCC值，故引入电源利用系数,(9-6),K,当忽略饱和压降Uces时，即=1，输出功率Pom可按下式估算,第9章 低频功率放大电路,将式9-6代入式9-4得,9.2.2 性能分析,(9-7),(9-8),由式9-3可知计算效率应先求出电源供给功率PDC。在乙类互补对称放大电路中，每个晶体管的集电极电流的波形均为半个周期的正弦波形。其波形如图9-4所示，其平均值ID(AV)为,9.2.2 性能分析,2.效率,(9-9),图9-4 集电极电流ic波形,9.2.2 性能分析,因此，直流电源Vcc供给的功率为,(9-10),因考虑是正负两组直流电源，

9、故总的直流电源的供给功率为,(9-11),将式(9-7)、式(9-11)代入式(9-3)是则得,(9-12),当=1时，效率 最高，即,(9-13),9.2 双电源互补对称功率放大电路(OCL电路),【例9-1】在图9-2所示乙类互补对称放大电路中，已知Vcc=12V，RL=8，试求：当输入信号足够大，集电极电压充分运用时的Pom、PDCm、。,(W),解,(W),9.2.3 交越失真的消除,实际中晶体管输入特性的门限电压不为零，且电压、电流关系也不是线性关系，在输入电压较低时，输入基极电流很小，故输出电流也很小，因此输出电压在输入电压较小时，存在一小段死区，此段输出电压与输入电压不存在线性关

10、系，产生了失真。由于这种失真出现在通过零值处，故称为交越失真。交越失真波形如图9-5所示。,克服交越失真的措施就是避开死区电压区，使每一个晶体管处于微导通状态。,图9-6是OCL电路设置静态偏置消除交越失真的一种方法。,图9-5 交越失真的产生,图9-6 消除交越失真的电路,9.2.3 交越失真的消除,9.2.4 用复合管组成互补对称电路,功率放大电路的输出电流一般很大。而一般功率管的电流由放大系数均不大，一般通过复合管来解决此问题。,图9-7 复合管互补对称功放,图9-8 准互补对称功放,9.2.5 OCL电路的应用分析,图9-9 OCL互补对称功率放大电路,图9-9为OCL准互补对称功率放

11、大电路，它由输入级、中间级、输出级及偏置电路组成。输入级是由T1、T2和T3组成的单端输入、单端输出的共射组态恒流源式差动放大电路，并从T1的集电极处取出输出信号加至中间级。中间级是由T4、V5组成的共射组态放大电路，T5是恒流源，作为T4的有源负载。输出极是由T7、T8、T9、T10组成的准互补对称电路，其中T7、T9为由NPNNPN组成的NPN型复合管；T8、T10为由PNPPNP组成的PNP型复合管，各管电阻Re7、Re8、Re9、Re10的作用是改善温度特性。T6、Re4、Re5组成了Ube倍压电路，为输出极提供所需的静态工作点，以消除交越失真。由R1、D1、D2、T3、T5组成恒流源

12、电路，R1、D1、D2提供基准电流。Rf、C1、Rb2构成交流串联电压负反馈，用来改善整个放大电路的性能。,9.2.5 OCL电路的应用分析,9.3 单电源互补对称电路(OTL电路),电路无输出变压器，而有输出耦合电容，简称OTL电路。,9.3.1 电路特性,1.输出电容起到负电源作用。2.电路的频率响应宽，低频频响主要由输出电容器的容量来决定。3.电路便于加深度负反馈，电路稳定性高。4.电路由阻容元件和晶体管组成，易于集成化。,9.3.2 电路原理,图9-10 OTL基本电路,静态时，因电路对称，两管发射极e点电位为电源电压的一半1/2VCC，负载中没有电流。电容C两端的电压也稳定在1/2V

13、CC，这样两管的集射极之间如同分别加上1/2VCC和1/2VCC的电源电压。,动态时，在输入信号正半周，T1导通，T2截止，T1以射极输出的形式向负载RL提供电流，使得负载RL上得到正半周输出电压，同时对电容C充电；在输入信号负半周，T1截止，T2导通，电容C通过T2、RL放电，T2也以射极输出的形式向负载RL提供电流，负载RL上得到副半周输出电压，电容C这时起到负电源的作用。这样，负载RL上得到一个完整的信号波形。,9.3.2 电路原理,由上可以看出，其工作过程除C代替一组电源外，其工作过程与双电源相同，功率、效率计算也相同，只需将公式中的VCC用,1/2VCC代替即可。,9.3.3 电路实

14、例,图9-11为一典型的OTL功放电路。由运算放大器A组成前置放大电路，T4T7组成互补对称电路，D1、D2、D3提供偏置电压，R11和R1构成电压并联负反馈。,图9-11 OTL功放电路实例,9.3.4 调试方法,图9-12 OTL功率放大电路,图9-12所示电路的调试方法如下。,9.3.4 调试方法,调节电阻R1的阻值，调试T1的静态工作电流。调节R6使放大器输出端(K点)的对地电位为1/2Vcc，然后通过R11调节复合管的静态电流。但调节R6和调节R11是互相影响的，所以，必须反复调节R6直至满足要求为止。调试时千万注意，切不可断开R11，因为R11一旦断开，有烧坏晶体管的可能。经上述调

15、试后，电路就能正常工作。从信号发生器向OTL放大器送入一个比额定输入信号电压小的正弦波信号，再进一步观察输出波形，并对波形出现的问题进行调整。,9.4 BTL集成功率放大电路,BTL功率放大电路又称桥接推挽式放大电路，其主要特点是，在同样电源电压和负载电阻条件下，它可获得比OCL和OTL大几倍的输出功率。,9.4.1 BTL功放组成及其工作原理,BTL基本电路组成如图9-13所示，四个功放管T1T4组成桥式电路。静态时，电桥平衡四个功放管T1T4组成桥式电路。,图9-13 BTL基本电路,9.4.1 BTL功放组成及其工作原理,静态时，电桥平衡，负载RL中为直流电流。动态时，各桥臂功放管轮流导

16、通。当ui0时，T1、T4导通，T2、T3截止，流过负载RL的电流如图9-13中实线所示；当ui0时，T1、T4截止，T2、T3导通，流过负载RL的电流如图9-13中虚线所示。,由以上分析可以看出，与OCL电路相比在相同电源下，BTL电路中流过负载RL的电流增大了一倍，理论上BTL电路的最大输出功率是同样电源下OCL电路四倍。实际上获得的输出功率是OCL电路的23倍。,9.4.2 集成BTL电路,BTL电路有各种不同输出功率和不同电压增益的多种型号的集成电路。本节以TDA1556为例介绍集成BTL电路的应用。,TDA1556为2通道BTL电路，可作为立体声扩音机左右两个声道的功放，其闭环增益为

17、26dB。TDA1556内部具有待机、净噪功能以及有短路、电路反向、过电压、过热和扬声器保护等。,图9-14 集成BTL电路基本用法电路,9.5 集成功率放大器4100系列简介,图9-15 CD4100引脚示意图,图9-16 CD4100典型接线图,9.5 集成功率放大器4100系列简介,外部元件的作用如下：RF、CF 与内部电阻组成交流负反馈支路。CB 相位补偿。CC 输出端电容，两端充电电压等于。CD 反馈电容，消除自激振荡。CH 自举电容，使复合管的导通电流不随输出电压的升高而减小。C3、C4 滤除波纹。C2 电源退耦滤波，可消除低频自激。,9.6 VMOS功率放大器,9.6.1 功率场

18、效应管(VMOS)简介,第4章所介绍的普通MOS场效应管是平面沟道结构，这种结构场效应管的缺点是，导电沟的电阻较大，特性曲线的线性度差，频率特性差，硅片面积利用率低。这使它在许多领域中的应用受到限制。垂直导电MOS功率器件(简称VMOS管)不仅保留了普通MOS管的优点而且实现了短沟道，并设置了高电阻率的漏极漂移区，从而大大提高了器件的耐压能力、电流处理能力和工作频率。目前VMOS管的耐压水平已经提高到1000V，电流处理能力达到200A，工作频率为数百兆赫。,9.6.1 功率场效应管(VMOS)简介,VMOS功率场效应管不仅保留了普通MOS管的全部优点，而且还吸引了双极型晶体管的一些优点，因而

19、它具有两者的优点,图9-17 VVMOS结构示意图,(1)垂直地安置漏极，充分利用硅片面积，实现了垂直传导漏源电流，可以得到较大的高输出电流。(2)设置了高电阻率的N型漂移区，提高了器件的耐压能力。(3)实现了短沟道，使器件具有良好的线性。(4)工作频率高、开关速度快。(5)热稳定性好，具有温度自动调解能力,9.6.1 功率场效应管(VMOS)简介,9.6.2 功率场效应管(VMOS)电路实例,图9-18 是一个两管4W VMOS音频功率放大器。输入极是由结型场效应管VF1组成的自偏压式共源极放大电路。输入极是用VMOS功率场效应管VF2(型号为VN66AF)组成的单管功率放大电路。RG2和VF2是输出极的偏置电路，其栅源电压由二者分压确定，从输出端经RF和RS1引入极间电压串联负反馈，改善了放大电路的性能。该电路输出端采用变压器偶合，对实际负载进行阻抗变换，以实现阻抗匹配，使功率放大电路向负载输出尽可能大的功率。,图9-18 VMOS音频功率放大器,9.6.2 功率场效应管(VMOS)电路实例,图9-18中接在VMOS管栅极和源极之间的稳压二极管(也称齐纳二极管)起输入保护作用，用来限制栅极驱动电压。它可以制作在VMOS管内部，也可以外接。,