功率放大电路课件.ppt

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1、2023/9/2,1,8.1 功率放大电路的一般问题,8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路,8.4 甲乙类互补对称功率放大电路,8.2 射极输出器甲类放大的实例,功率放大电路,2023/9/2,2,2,本章主要讲述功率放大电路的基本原理和基本分析方法。重点掌握功率放大电路的有关基本概念：晶体管的甲类、乙类和甲乙类工作状态，最大输出功率，转换效率，交越失真等；掌握OCL的工作原理，并估算最大输出功率和效率；正确理解功率放大电路的组成原则，了解功放管的选择方法。,内容简介,2023/9/2,3,8.1 功率放大电路的一般问题,2.功率放大电路提高效率的主要途径,1.功率放大电路的特点及主要研究对

2、象,2023/9/2,4,1.功率放大电路的特点及主要研究对象,(1)功率放大电路的主要特点,功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。因此，要求同时输出较大的电压和电流。管子工作在接近极限状态。,(2)要解决的问题,提高效率,减小失真,管子的保护,一般直接驱动负载，带载能力要强。,4,（3）管子工作在接近极限状态。有时是双重保护，也保护使用者。,（1）在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的输出功率（P0大时，效率影响大）；,（2）工作于大信号状态容易产生非线性失真。,2023/9/2,5,5,无本质的区别，都是能量的控制与转换。不同之处在于，各自追求的指标不同：电压放大电路追求不失真

3、的电压放大倍数；功率放大电路追求尽可能大的不失真输出功率和转换效率。,主要技术指标,（1）最大输出功率Pom：在电路参数确定的情况下负载可能获得的最大交流功率。,分析方法,工作于大信号状态，功放管的非线性不可忽略，宜采用图解分析法。,（2）转换效率：最大输出功率与电源提供的功率之比，即,思考题：功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别吗？,指标,如：企业与学校，都有“产品”，目标不同,2023/9/2,6,2.功率放大电路提高效率的主要途径,降低静态功耗，即减小静态电流。,四种工作状态,根据正弦信号整个周期内三极管的导通情况划分,乙类：导通角等于180,甲类：一个周期内均导通,甲乙类

4、：导通角大于180,丙类：导通角小于180,2023/9/2,7,2023/9/2,7,三极管根据正弦信号整个周期内的导通情况，可分为几个工作状态：,乙类：=180,甲类：=360,甲乙类：180 360,丙类：180,思考题：功率放大电路中电源的功率除了提供给负载外，其余的消耗在什么地方？,思考题：功放中的功放管采用哪种工作状态最合适？,提高功放效率的根本途径是减小有源器件（功放管）的静态功耗。,2.晶体管的工作状态,采用甲乙类工作状态最合适，因为甲类效率太低，丙类失真太大，乙类会产生交越失真。,有时用半导通角,工作状态分析,消耗在功放管的静态功耗。,2023/9/2,8,8,复习：R的电源

5、供给功率图-耗能元件,2023/9/2,9,9,复习：L 的电源供给功率图-P=0，储能元件,2023/9/2,10,10,10,图 功率放大器工作状态的分类（a）甲类;（b）乙类;（c）甲乙类,本质：静态工作点不同，-偏置不同,甲、乙类、甲乙类示意图,2023/9/2,11,11,甲乙丙状态的转移特性,甲类的输出特性,思考：图中那些曲线应该用虚线表示,乙类：=180,甲类：=360,甲乙类：180 360,丙类：180,2023/9/2,12,12,12,输出波形示意图,不同状态本质：静态工作点不同，-静态偏置不同,2023/9/2,13,13,(b)乙类 class-B amplifier

6、,(c)甲乙类 class-AB amplifier,(d)丙类 class-C amplifier,4.分类,(a)甲类 class-A amplifier,四类电路的效率示意图,由图知：黄色为电源输出平均功率，四类电路静态（平均）功耗逐步减小，效率提高。,2023/9/2,14,14,14,几类放大器的特点,甲类放大器的工作点设置在放大区的中间,这种电路的优点是在输入信号的整个周期内三极管都处于导通状态,输出信号失真较小（前面讨论的电压放大器都工作在这种状态）,缺点是三极管有较大的静态电流ICQ,这时管耗PC大,电路能量转换效率低。乙类放大器的工作点设置在截止区,这时,由于三极管的静态电流

7、ICQ=0,所以能量转换效率高,它的缺点是只能对半个周期的输入信号进行放大,非线性失真大。甲乙类放大电路的工作点设在放大区但接近截止区,即三极管处于微导通状态,这样可以有效克服乙类放大电路的失真问题,且能量转换效率也较高,目前使用较广泛。,2023/9/2,15,8.2 射极输出器甲类放大的实例,简化电路,带电流源详图的电路图,2023/9/2,16,电压与输入电压的关系,设T1的饱和压VCES0.2V,vO正向振幅最大值,vO负向振幅最大值,若T1首先截止,若T3首先出现饱和,8.2 射极输出器甲类放大的实例,2023/9/2,17,8.2 射极输出器甲类放大的实例,VBIAS=0.6V,当

8、,放大器的效率,效率低，最高为50%,分子为最大输出功率，分母为VCC和VEE的功耗，详细见书P385,2023/9/2,18,2023/9/2,18,18,由上式可知，功率放大器工作在甲类状态时，其电源供给的功率PU与输出信号电流 iC无关，仅与电源电压UCC及静态电流ICQ有关（见R示意图）。也就是说，无论有无信号输入输出，电源供给的功率是固定不变的。由此也可得出，这类功放电路的输出功率越大，电路的效率就越高(已知P=IV)。当电路输出最大不失真功率时效率最高，（此时，静态工作点在正中，输出信号I与U的最大值就是UCC与ICQ，所以最大不失真功率为0.5 UCCICQ），其值为-m=此式说

9、明-甲类功率放大器的最高效率为50%，实际效率要低得多。2、如果要增大输出功率,在回路等效总电阻不变的情况下：需增大Ic1m；如果要提高效率,需增大Ic1m或减小IC0(减小IC0即减小集电极功耗,通过降低静态工作点获得）,甲类放大小结（效率),PU=P0+PC,2023/9/2,19,8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路,8.3.2 分析计算,8.3.1 电路组成,8.3.3 功率BJT的选择,8.3.4 具体功率放大电路,2023/9/2,20,20,20,原因：在甲类放大中，静态电流ICQ是造成管耗高、效率低的主要原因。降低静态电流，使管子工作于乙类状态，可以减少管耗、提高效率，但这样

10、会使输出波形被削掉一半，出现严重失真。若采用工作于乙类的推挽功率放大器，既可提高效率，同时又能减少波形失真,2023/9/2,21,8.3.1 电路组成,由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成，采用正、负双电源供电。这种电路也称为OCL互补功率放大电路。,1.电路组成,2.工作原理,两个三极管在信号正、负半周轮流导通，使负载得到一个完整的波形。,2023/9/2,22,8.3.2 分析计算,图解分析,2023/9/2,23,23,乙类输出波形示意图,2023/9/2,24,24,在甲类工作状态时,最高效率为50%。在乙类工作状态时,集电极电流是在半个周期内导通的尖顶余弦脉冲,可以用傅氏级

11、数展开为:iC=IC0+Ic1mcos 0t+Ic2mcos20t+,=,其中ICm是尖顶余弦脉冲的高度,即集电极电流最大值。由此 可求得在Ucm=VCC时的最高效率(P0/PD),=,乙类效率分析,2023/9/2,25,1.最大不失真输出功率Pomax,实际输出功率,8.3.2 分析计算,忽略VCES时,2023/9/2,26,8.3.2 分析计算,单个管子在半个周期内的管耗,2.管耗PT,两管管耗,2023/9/2,27,3.电源供给的功率PV,当,4.效率,当,8.3.2 分析计算,2023/9/2,28,1.最大管耗和最大输出功率的关系,因为,8.3.3 功率BJT的选择,当 0.6

12、VCC 时具有最大管耗,0.2Pom,选管依据之一,2023/9/2,29,功率与输出幅度的关系,8.3.3 功率BJT的选择,2.功率BJT的选择（自学）,end,2023/9/2,30,30,无输出电容（OCL）乙类互补对称功率放大电路,优点：直接耦合，频率特性好。,缺点：双电源供电。,1.电路组成及工作原理双电源乙类互补功率放大电路。这类电路又称无输出电容的功率放大电路,简称OCL电路。V1为NPN型管,V2为PNP型管,两管参数对称。,Output Capacitor Less的缩写，意为无输出电容,8.3.4 具体功率放大电路,2023/9/2,31,31,31,OCL电路工作过程分

13、析,1）静态分析 当输入信号ui=0时,两三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。2）动态分析（1）当输入信号为正半周时,ui0,三极管V1导通,V2截止,V1管的射极电流ie1经CC自上而下流过负载,在RL上形成正半周输出电压,uo0。（2）当输入信号为负半周时,ui0,三极管V2导通,V1截止,V2管的射极电流ie2经CC自下而上流过负载,在RL上形成负半周输出电压,uo0。,2023/9/2,32,2023/9/2,32,32,图 双电源乙类互补对称功率放大器,OCL电路工作示意图,2023/9/2,33,8.4 甲乙类互补对称功率放大

14、电路,8.4.2 甲乙类单电源互补对称电路,8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路,2023/9/2,34,8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路,乙类互补对称电路存在的问题,2023/9/2,35,2023/9/2,35,35,演示演示电路如（a）图,在放大器的输入端加入一个1000 Hz正弦信号,用示波器观察输出端的信号波形,发现输出波形在正、负半周的交界处发生了失真,观察到的输出波形如图(b)所示。,交越失真现象演示,2023/9/2,36,36,36,产生交越失真的原因,为了解决交越失真,可给三极管加适当的基极偏置电压,使之工作在甲乙类工作状态,如图所示。,在乙类互补对称功率放大电路中,没

15、有施加偏置电压,静态工作点设置在零点,UBEQ=0,IBQ=0,ICQ=0,三极管工作在截止区。由于三极管存在死区电压,当输入信号小于死区电压时,三极管V1、V2仍不导通,输出电压uo为零,这样在输入信号正、负半周的交界处,无输出信号,使输出波形失真,这种失真叫交越失真。,2023/9/2,37,37,甲乙类OCL功率放大电路的组成及工作原理,因为在ui 为0时，晶体管已经处于微导通状态，其导通角大于180o，所以晶体管处于甲乙类工作状态。,思考题：ui可以从A或B点接入吗？,8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路1,2023/9/2,38,8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路,1.静态偏置,可

16、克服交越失真,2.动态工作情况,二极管等效为恒压模型,设T3已有合适的静态工作点,交流相当于短路,2023/9/2,39,39,39,图 甲乙类互补对称功率放大电路 2,8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路2,2023/9/2,40,VBE4可认为是定值,R1、R2不变时，VCE4也是定值，可看作是一个直流电源。,8.4.1 甲乙类双电源互补对称电路3,2023/9/2,41,8.4.2 甲乙类单电源互补对称电路4,静态时，偏置电路使VKVCVCC/2（电容C充电达到稳态）。,当有信号vi时负半周T1导通，有电流通过负载RL，同时向C充电,正半周T2导通，则已充电的电容C通过负载RL放电。,只

17、要满足RLC T信，电容C就可充当原来的VCC。,计算Po、PT、PV和PTm的公式必须加以修正，以VCC/2代替原来公式中的VCC。,2023/9/2,42,42,OTL乙类互补对称功率放大电路,优点：单电源供电。,缺点：低频特性差。,静态时：基极电位为Vcc/2（分析见书P393），由于电容C 的容量足够大，若初始电压为0，则基极电压通过T1管发射结向电容C充电，直至近似为Vcc/2为止。输入信号正半周电源Vcc向T1管供电；输入信号负半周，电容C上存储的电压Vcc/2向T2管供电。,OutputTransformerLessAmplifier 无输出变压器（书P393）,2023/9/2

18、,43,43,本讲主要掌握以下内容：功率放大电路的特点和组成原则：输出尽可能大的不失真信号功率和具有尽可能大的转换效率；晶体管的工作状态：甲类、乙类和甲乙类；工作状态的本质是什么？理想效率的计算（50%，78%，65%）。OCL电路的定义，工作原理、交越失真和解决，优缺。了解OTL电路的定义，工作原理，优缺.,小结,2023/9/2,44,44,无本质的区别，都是能量的控制与转换。不同之处在于，各自追求的指标不同：电压放大电路追求不失真的电压放大倍数；功率放大电路追求尽可能大的不失真输出功率和转换效率。,主要技术指标,（1）最大输出功率Pom：在电路参数确定的情况下负载可能获得的最大交流功率。

19、,分析方法,工作于大信号状态，功放管的非线性不可忽略，宜采用图解分析法。,（2）转换效率：最大输出功率与电源提供的功率之比，即,思考题：功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别吗？,指标,如：企业与学校，都有“产品”，目标不同,2023/9/2,45,1.功率放大电路的特点及主要研究对象,(1)功率放大电路的主要特点,功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。因此，要求同时输出较大的电压和电流。管子工作在接近极限状态。,(2)要解决的问题,提高效率,减小失真,管子的保护,一般直接驱动负载，带载能力要强。,45,（3）管子工作在接近极限状态。有时是双重保护，也保护使用者。,（1

20、）在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的输出功率（P0大时，效率影响大）；,（2）工作于大信号状态容易产生非线性失真。,2023/9/2,46,功率放大电路提高效率的主要途径,降低静态功耗，即减小静态电流。,四种工作状态,根据正弦信号整个周期内三极管的导通情况划分,乙类：导通角等于180,甲类：一个周期内均导通,甲乙类：导通角大于180,丙类：导通角小于180,2023/9/2,47,47,(b)乙类 class-B amplifier,(c)甲乙类 class-AB amplifier,(d)丙类 class-C amplifier,4.分类,(a)甲类 class-A amplifier,

21、四类电路的效率示意图,由图知：黄色为电源输出平均功率，四类电路静态（平均）功耗逐步减小，效率提高。,2023/9/2,48,48,48,几类放大器的特点,甲类放大器的工作点设置在放大区的中间,这种电路的优点是在输入信号的整个周期内三极管都处于导通状态,输出信号失真较小（前面讨论的电压放大器都工作在这种状态）,缺点是三极管有较大的静态电流ICQ,这时管耗PC大,电路能量转换效率低。乙类放大器的工作点设置在截止区,这时,由于三极管的静态电流ICQ=0,所以能量转换效率高,它的缺点是只能对半个周期的输入信号进行放大,非线性失真大。用互补电路弥补。甲乙类放大电路的工作点设在放大区但接近截止区,即三极管

22、处于微导通状态,这样可以有效克服乙类放大电路的交越失真问题,且能量转换效率也较高,目前使用较广泛。,2023/9/2,49,四类电路分析：a与b比静态（平均）功耗减小，输出功率不变，效率提高c与d比静态（平均）功耗不变，输出功率提高，效率提高,2023/9/2,50,乙类电路组成,由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成，采用正、负双电源供电。这种电路也称为OCL互补功率放大电路。,1.电路组成,2.工作原理,两个三极管在信号正、负半周轮流导通，使负载得到一个完整的波形。,正半周,负半周,2023/9/2,51,51,乙类输出波形示意图-两管轮流导通，合成完整波形,2023/9/2,52,

23、52,无输出电容（OCL）乙类互补对称功率放大电路,优点：直接耦合，频率特性好。,缺点：双电源供电。,电路组成及工作原理双电源乙类互补功率放大电路。这类电路又称无输出电容的功率放大电路,简称OCL电路。V1为NPN型管,V2为PNP型管,两管参数对称。,Output Capacitor Less的缩写，意为无输出电容,具体功率放大电路,2023/9/2,53,53,OTL乙类互补对称功率放大电路,优点：单电源供电。,缺点：低频特性差。,静态时：基极电位为Vcc/2（分析见书P393），由于电容C 的容量足够大，若初始电压为0，则基极电压通过T1管发射结向电容C充电，直至近似为Vcc/2为止。输

24、入信号正半周电源Vcc向T1管供电；输入信号负半周，电容C上存储的电压Vcc/2向T2管供电。,OutputTransformerLessAmplifier 无输出变压器（书P393）,2023/9/2,54,54,因为在ui 为0时，晶体管已经处于微导通状态，其导通角大于180o，所以晶体管处于甲乙类工作状态。,思考题：ui可以从A或B点接入吗？可以，只要ui为0时，晶体管处于微导通状态。,甲乙类双电源互补对称电路,乙类互补电路存在交越失真,2023/9/2,55,分析计算,1.最大不失真输出功率Pomax,忽略VCES时,3.最大管耗和最大输出功率的关系（每个管子最大耐压为2VCC）,0.2Pom,2.效率公式：,2023/9/2,56,作业与思考,4、OCL、OTL乙类互补对称功率放大电路组成图、工作原理、特点（优缺点）,3、几类（甲类、乙类、甲乙类）放大电路的定义、本质和特点、理想效率-导通角不同，静态偏置不同，效率和失真不同、50%，78%，65%,2、功率放大电路提高效率的主要途径-降低静态功耗，即减小静态电流。,1、功率放大电路的主要特点和公式-输出功率大，要求效率高,书P407 8.1.1 8.3.2,