[信息与通信]第五章功率放大器.ppt
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1、1,第五章 功率放大器,本章教学要求:,1.理解功率放大器的主要问题及指标,了解功率放大器的分类,2.掌握互补推挽功率放大器(OCL)的工作原理,性能指标的计算,了解交越失 真和交越失真的消除的工作原理,3.掌握乙类互补推挽放大器功放管的选择,4.理解准互补功率放大器、OTL、BTL功率放大器和场效应管功率放大器的其它电路的工作原理,5.掌握集成功放的工作原理和应用电路,2,5-1 概述,从能量控制角度来看,功率放大电路与电压放大电路、电流放大电路没有本质的不同,评价指标不同:电压放大电路主要指标为电压增益、输入阻抗和输出阻抗等;功率反放大器主要指标为输出功率、效率、非线性失真等,同时还要注意
2、功放管的散热问题。,功率放大器与电压放大器的不同,目标不同:电压放大电路目标是得到不失真的电压信号;功率放大器目标是得到较大的输出功率,工作环境不同:电压放大电路工作在小信号、近似线性环境;功率放大器工作在大信号、非线性环境。,3,5.1.1 功率放大器的主要问题及指标,1.功率放大器的主要问题,1)非线性失真,功率放大电路通常是在大信号状态下工作,从而使信号动态范围往往超出晶体管的线性区域,导致输出信号产生非线性失真。用变压器耦合的电路,当信号幅度较大,或者工作频率较低时,铁芯容易饱和而产生失真,因此减小非线性失真,成为功率放大器的一个重要问题。,2)阻抗匹配,为了能够获取尽可能大的输出功率
3、,这就要求选择合适的负载电阻RL,使它与功率放大器的输出电阻相匹配。,3)器件的安全应用,为了充分发挥晶体管的作用,功率放大器中的晶体管经常在接近极限条件下工作。这样就很容易由于设计不当或者使用变化导致其功放管的工作状态超过其极限参数而损坏。功放管的安全使用应注意以下几个方面,4,(1)二次击穿现象,一次击穿取决于加到晶体管两端的电压,二次击穿除了与电压有关外,还取决于加给晶体管的能量,它一般发生在一次击穿后。但在大电流状态下,只要能量足够,即使还未来得及发生一次击穿也可能发生二次击穿。,一次击穿是集电极电压超过BVCEO而引起的击穿。这种击穿的特点是在集电极电流激剧增加的同时晶体管两端的电压
4、略有增加。当晶体管短时间工作在这种状态下,只要外电路有足够大的电阻,限制击穿后的电流,管子就不会损坏,待集电极电压减小到小于BVCEO后,管子也就恢复到正常工作,因此这种击穿是可逆的,不是破坏性的。,二次击穿是当集电极电流IC增大至超出某一值,晶体管的工作状态将在很短时间内(功率管约为数微秒到数毫秒)变为大电流低电压,呈现出电流突增而管压却下降的负阻现象。一旦发生二次击穿,即使持续时间很短(例如1毫秒左右),也会在晶体管的晶片上留下永久的伤痕。如果这种二次击穿反复作用,最后导致过热点的晶体熔化,相应在集射极间形成低阻通道,导致UCE下降,iC剧增,结果是功率管尚未发烫就已损坏。因此二次击穿是不
5、可逆的,是破坏性的。,5,(2)功放管的散热,最大的集电极功耗PCM与环境温度有关。手册上给出的PCM是在环境温度为25 条件下得到的。在设计功放电路时,为了安全工作起见,常取最高环境温度下的集电极最大允许功耗PCM(Tamax)的90作为功耗的极限值,即应使集电极功耗PC满足,热击穿是功放管的管耗超过了其散热能力而由剩余热量引起PN结温度升高,结温升高又使集电极电流增大,从而使管子集电极功耗继续增大,结温继续升高,形成了恶性循环,最终将会导致功放管烧坏的一种击穿。,为确保功放管放大器的正常工作,应尽量降低管耗,同时也尽量改善管子的散热条件。因此,防止热击穿除了在电路上采用过流保护促使外,有效
6、的散热也是功率放大器所要解决的问题。,功放管的散热是通过热传导的方式将热能从高温处向低温处散发,热传导的效率与温差和传导介质有关,结温与环境温度的差别越大,热传导效率越高;介质的热阻越低散热就越快。因此,散热的主要措施是降低环境温度和采用低热阻散热片。,PC0.9PCM(Tamax),对于大功率晶体管一般需要加散热板以改善散热条件,减小热阻,从而提高PCM。,6,2.功率放大器的主要指标,1)输出功率PO,输出功率是指功放电路输送给负载的功率。目前人们对输出功率的测量方法和评价方法很不统一,使用应时注意。,2)额定输出功率PRMS,它指正弦波信号时,在一定的谐波范围内功放管长期工作所能输出的最
7、大功率。经常把谐波失真度为1%时的平均功率称为额定输出功率。,3)最大输出功率POM,当不考虑失真大小时,功放电路能输出的最大功率称为最大输出功率。,4)电源供给功率PE,电源供给功率是指电源提供给功率放大器的整个功率。它主要是由电源电压和集电极电流的平均值的乘积来确定。,5)集电极功耗PC,集电极功耗是指每管集电极的损耗功率。定义为电源供给功率与放大器输出功率之差。即:,7,6)效率,功率放大器的效率定义为功率放大器的输出信号功率Po 和直流电源供给的直流功率PE的比值,用表示,即,7)频率响应,频率响应反映功率放大器对信号各频率分量的放大能力,如音频功率放大器的工作频率范围为20-20kH
8、z。国际规定一般音频功放的频率范围是40-16 kHz1.5dB。,8)失真系数,功率放大器的失真主要是非线性失真,对于功率放大器,由于它一般在大信号状态下工作,所以非线性失真问题比其它放大器更为突出,因而非线性失真系数一般也就成为功率放大器的一个非常重要的指标。,9)动态范围,放大器不失真的放大最小信号与最大信号电平的比值就是放大器的动态范围。实际运用时,该比值使用dB来表示,高保真放大器的动态范围应大于90 dB。,8,5.1.2 功率放大器的分类,1.按导通角分类,所谓导通角是指功放管在输入信号电压变化一周时,集电极电流导通的角度的一半,,2,2C,输入波形,输出波形,1)甲类功率放大器
9、,Q,T,甲类功率放大器特点为:,(1)静态工作点Q基本在负载线的中间,工作点在整个信号周期内都处于放大区。,(2)在输入信号的整个周期内,三极管都有电流通过;,(3)导通角为T/2=180度,其缺点为:,(1)效率较低,即使在理想情况下,效率只能达到50%;,(2)无论有没有信号,电源输送功率基本不变。信号越小,效率越低。,通常用于小功率的功率放大器。,9,2)甲乙类功率放大器,Q,甲乙类功率放大器的特点,(1)静态工作点Q处于放大区偏下,(2)大半个周期内有电流流过三极管,导通角大于90度而小于180度。,2c,(3)由于存在较小的ICQ,所以效率较乙类低,较甲类高。,缺点:波形被切掉一部
10、分,严重失真。,作用:用于功率放大。,10,3)乙类功率放大器,乙类功率放大器特点为:,Q,t,(1)静态工作点Q处于截止区;,(2)半个周期内有电流流过三极管,导通角为90度。,(3)由于ICQ=0,使得没有信号时,管耗很小,从而效率提高。,缺点;波形被切掉一半,严重失真。,作用:用于功率放大。,4)丙类功率放大器,Q,丙类功率放大器特点为:,(1)静态工作点Q处于截止区。,(2)仅有小半个周期内有电流流过三极管,导通角小于90度。,(3)效率高,丙类功放的最高效率可达85%90%。,缺点:波形被切掉大部分,严重失真;应用时要求特殊形式的负载,需要谐振选频,不适用于低频。,作用:用于高频功率
11、放大,甲类、甲乙类、乙类和丙类等四种放大器又称为A类、AB类、B类和C类放大器。这4类功放的效率满足:甲甲乙乙丙。,11,2.按输出级与负载的连接方式分类,1)变压器耦合电路,变压器耦合电路高效率低、失真大、频响曲线难以平坦,在高保真功率放大器中已极少使用。,(2)OTL电路(Output Transformer Less),OTL电路是一种输出级与扬声器之间采用电容耦合的无输出变压器器功放电路,其大容量耦合电容对频响也有一定影响,是高保真功率放大器的基本电路。,(3)OCL电路(Output Capacitor Less),OCL电路是一种输出级与扬声器之间无电容而直接耦合的功放电路,频响特
12、性比OTL好,也是高保真功率放大器的基本电路。,(4)BTL(Balanced Transformer Less),BTL电路是一种平衡无输出变压器功放电路,其输出级与扬声器之间以电桥方式直接耦合,因而又称为桥式推挽功放电路,也是高保真功率放大器的基本电路。,12,5.2 互补推挽功率放大器(OCL),5.2.1 基本互补推挽功放电路工作原理,V2,UCC,uo,ic2,RL,V1,ui,ic1,UEE,iL,V1为NPN型晶体管,与RL组成射极输出器;V2为PNP型晶体管,也与RL也组成射极输出器。两个管子的基极和发射极分别相互连接在一起,信号从基极输入,发射极输出,RL为负载。采用+UCC
13、和UEE两组电源供电,且UCC=UEE。该电路可以看成两个独立的射极输出器组合而成。,电路组成,设理想情况,两管发射结加正向电压导通,零偏置或加反向电压截止。,当输入信号为正半周时,V1导通,V2截止,iL=iC1得到正半周信号;当输入信号为负半周时,V2导通,iL=-iC2得到下半周信号。这样,在输入信号一个周期里,负载RL上合成了一个完整的输出波形。,工作过程,V1、V2一推一挽地工作,且均在乙类工作,故称为乙类推挽功率放大器。,13,5.2.2 基本互补推挽功放电路性能指标分析,以下分析是在忽略V1和V2的发射结导通压降的情况下进行的,这时乙类推挽功率放大器的输出电压与输入电压相等,即:
14、uo=ui。,1.输出功率Po,由电路图和波形图可得,定义电压利用系数,又由于,所以有:,可见输出功率Po除了与负载电阻、电源电压有关外,还与电压利用系数有关,也就是与输入信号电压ui有关。输入电压越大,电压利用系数越大,输出功率就越大。,14,2.最大输出功率Pom,当电压利用系数=1(Uim=UCC)时,输出功率最大,即,上式表明,当输入信号幅度等于电源电压时,电压利用系数最大,这时输出功率也最高。实际上,由于晶体管饱和压降的存在,为使输出电压不出现失真,输入信号电压的幅度不可能到达电源电压,这时输入、输出电压幅值最大为ECCUCES。因此实际输出的最大功率比上式要小。,3.电源供给功率P
15、E,先求每个功放管集电极电流的平均值,由于每管集电极电流仅有半个周期,所以有,所以,两组电源提供的直流功率PE为,由此可见,乙类功率放大器电源提供的功率是与输入信号的幅度成正比(即与成正比)。当没有输入信号时,电源不消耗功率。当输入信号增加到=1时,PE最大,为,15,4.集电极功耗PC,集电极功耗为电源供给功率与输出功率之差,而乙类推挽功率放大器两管轮换工作,所以每管集电极功耗为:,由此可以看出,功放管集电极功耗与电压利用系数之间的关系是二次函数关系,存在着一个极值,这个极值是功放管选择的依据之一。,5.效率C,根据效率的定义,并利用Po和PE的表达式可得,当=1 时,有,由此可见,乙类推挽
16、功率放大器的效率与输入信号的大小成正比,在极限情况下可达78.5%。但是在实际应用中,输入信号大小总是在变化的,且不可能达到1,所以其效率一般在60%左右。,16,6.交越失真,前面介绍的互补推挽电路输出信号波形是在理想情况下得到,实际上是不能很好地重现输入信号波形。,在实际中,由于在没有直流偏置的情况下,只有当|ui|=|uBE|UBE(on)|(UBE(on)为发射结开启电压)时,管子才导通,输出才有功率放大的跟随效果。而当|ui|UBE(on)|时,两个功放管子都截止,负载RL中无电流流过,出现了一段死区,波形在横轴交越处出现了失真。,以V1的集电极电流为例,这种因静态工作点过低而在两管
17、电流交接处引起的失真称为交越失真。信号的幅度越小,交越失真越大。,17,5.2.4 乙类互补推挽放大器的改进,乙类互补推挽功率放大器存在着两个重大的缺陷,一是在静态工作点为零的条件下产生交越失真,另一个是在大电流、大功率条件下工作时对功放管没有任何保护措施。因此必须对基本电路进行改进。,1.交越失真的消除,要减小和消除交越失真,可给两个放大管分别加上一定的正偏电压UBEQ,其原理电路为,由图可见,R1上的电压就是V1和V2两管的偏置电压2UBEQ。只要R1选择得当,就可使得两管再加入UBEQ后,就可以使得两管既可以避免死区的影响,又不至于因工作点太高而影响功放电路的效率。,电路中V3是推动级,
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- 信息与通信 信息 通信 第五 功率放大器
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