第六章功率放大器要求分类教案.ppt

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1、第六章功率放大器,6-1功率放大器的基本要求及分类,功率放大电路与电压放大电路没有本质上的区别。它们都是利用放大器件的控制作用，把直流电源的能量转化为按输入信号规律变化的交变能量输出送给负载。所不同的是：电压放大电路的主要任务是不失真地放大信号电压；功率放大电路的主要任务则是使负载得到尽可能不失真的信号功率。功放电路中的晶体管称为功率放大管，简称“功放管”。广泛用于各种电子设备、音响设备、通信及自控系统中。,一、 功率放大器简介,1. 功率放大器的分类,(1)功率放大器按工作状态一般可分为：,甲类放大器：这种功放的工作原理是输出器件晶体管始 终工作在传输特性曲线的线性部分，在输入信号的整个周

2、期内输出器件始终有电流连续流动，这种功放失真小，但 效率低，约为50%，功率损耗大，一般应用在家庭的高档 机较多。,乙类放大器：两只晶体管交替工作，每只晶体管在信号 的半个周期内导通，另半个周期内截止。该类功放效率较 高，约为78%，但缺点是容易产生交越失真。,甲乙类放大器：兼有甲类放大器音质好和乙类放大器效 率高的优点，被广泛应用于家庭、专业、汽车音响系统中,。,(2)按放大器功能一般可分为：,前级功放：主要作用是对信号源传输过来的节目信号进 行必要的处理和电压放大后，再输出到后级放大器。,后级功放：对前级放大器送出的信号进行不失真放大， 以强劲的功率驱动扬声器系统。除放大电路外，还设计有

3、各种保护电路，如短路保护、过压保护、过热保护、过流 保护等。前级功放和后级功放一般只在高档机或专业的场 合采用。,合并式放大器：将前级放大器和后级放大器合并为一台 功放，兼有前二者的功能，通常所说的放大器都是合并式 的，应用范围较广。,2. 功率放大器的特点及技术指标,(1)功率放大器的特点,由于功放电路的主要任务是向负载提供一定的功率，因而 输出电压和电流的幅度足够大；,由于要求输出信号幅度大，通常使三极管工作在极限应用 状态，即三极管工作在接近饱和区与截止区的工作状态，因 此输出信号存在一定程度的失真。,功率放大电路在输出功率的同时，三极管消耗的能量也较 大，因此三极管的管耗不能忽视。,功

4、率放大电路工作在大信号运用状态，因此只能采用图解 法进近估算。,(2)功率放大器的技术要求,由于功放的上述特点，因此实用中对功率放大器有一定的 技术要求。,（1）效率尽可能高,（2）具有足够大的输出功率,（3）非线性失真尽可能小,（4）散热条件要好,功放通常工作在大信号情况下，所以输出功率和功耗都较大， 效率问题突显。我们期望在允许的失真范围内尽量减小损耗。,为获得最大的功率输出，要求功放管工作在接近“极限运用”状 态。选用时应考虑管子的三个极限参数ICM、PCM和U(BR)CEO。,处于大信号工况下的管子不可避免地存在非线性失真。但应考 虑在获得尽可能大的功率输出下将失真限制在允许范围内。,

5、功放管工作在“极限运用”状态，因而造成相当大的结温和管壳 温升。散热问题应充分重视，应采取措施使功放管有效地散热。,3. 功放电路中的交越失真,左图电路采用了两个导电特性相反 的管子，其中T1和T2分别为NPN型管 和PNP型管。电路工作时，一个管子 在信号的正半周导通，另一管子在信 的负半周导通，两个管子在信号周期 内交替工作，各自产生半个周期的信 号波形，在负载上合成一个完整的信 号波形，这种功放电路称作乙类功率 放大电路。,交越失真：两个管子在信号周期内交替工作，由于管子总是存 在着死区电压，因此在信号零点附近不会产生基极电流，造成 传输信号波形的严重失真，由于这种失真产生在过零值处，所

6、 以称为交越失真。,观察电路，可看出此电路没有基极偏置，所以uBE1=uBE2=ui。 当ui=0时， T1管和T2管均处于截止状态。,功放电路中交越失真说明及消除方法,过零处的交越失真,此电路是能消除交越失真的 甲乙类互补对称的功放电路。,只要R1、R2数值适当，当ui =0时，可使IC3 、VB2和VB1达到所需 大小，为T1和T2发射结提供适当电压，以消除过零处的交越失真。,6-2变压器耦合功率放大器,一、变压器耦合单管功率放大器,（一） 电路组成及工作原理,1、电路组成,V为功率放大管，Rb1、Rb2和Re为分压式电流负反馈偏置电路，Ce为射极旁路电容，RL为负载电阻，T1和T2为输入

7、、输出变压器，统称为耦合变压器。,耦合变压器的作用，一是隔断直流耦合交流信号，二是阻抗变换，使功率管获得最佳负载电阻RL，以便向负载RL提供最大功率。,最佳负载电阻为,式中， 是变压器的匝数比,合理选择n，可得管子最佳负载电阻RL。,例7.2.1图中，负载RL=8，晶体管集电极输出功率PO=140mW，集电极电流Ic=31mA。求：（1）输出变压器T2的初级等效电阻RL=？（2）要使负载RL获得理想的最大功率，T2的变压比n=？,解（1）因为 所以 （2）因为 所以,当vi 0，则vivbeibic。经T2耦合，RL有电流iL，放大器有信号功率输出。,2、电路工作原理,当vi = 0，电路处于

8、静态，iC = ICQ。因T2隔直作用，RL中无电流，放大器无信号输出。,3） 画vCE、iC波形: 得正弦信号的最大值分别为Icm和Vcem，则功放管集电极输出功率为,（二） 输出功率及效率,1、输出功率,图解分析：,1） 作直流负载线： 过VG点作直流负载线，与IBQ之交点，得静态工作点Q。,2） 作交流负载线： 过Q点，作交流负载线AB。,（7.2.1）,可见，输出信号越强，输出功率Po越大。,为不产生饱和失真和截止失真，忽略VCES和ICEO时，则功放管不失真条件为,在输出信号最大且不失真时，有 ， 。于是功放管不失真最大输出功率为 （7.2.2）,可见，最大不失真输出功率仅为电源供给

9、功率的一半，效率很低。,2、效率,1） 电源供给功率为,（7.2.3）,可见，电源供给功率与信号无关。,2） 功放管最大效率为,若考虑VCES和ICEO，则功率管的效率仅为40%45%，如果再考虑变压器的效率T（0.750.85），则甲类功放总效率为,（7.2.5）,通常只有30%35%。,结论，甲类功放电路优点是输出波形失真小；缺点是无信号时，电源供给功率全部转换成热能，因此效率低。,二、变压器耦合乙类推挽功率放大器,1.原理电路,放大器：由两个共射极放大器组成，两个三极管的射极接在一起。,输入变压器：将输入信号分成两个大小相等相位相反的信号，分别送两个放大器的基极，使 T1、T2 轮流导通

10、。,输出变压器：将两个集电极输出信号合为一个信号，耦合到副边输出给负载。,2. 动、静态分析,静态分析：,ui = 0 ， T1、T2 均截止，iL = 0 。,变压器线圈对于直流相当于短路。,动态分析：,ui 0 时： T1导通、T2 截止，ic1 经变压器耦合给负载，iL的方向由 ic1决定。,若ui 为正弦信号，则 iL近似为正弦波。,ui 0 时： T2导通、T1截止，ic2 经变压器耦合给负载，iL的方向由 ic2决定。,T1、T2都只在半个周期内工作，存在交越失真。,3. 输出功率及效率,分析方法和前述互补对称功放电路类似，请自行分析。这里的负载为变压器原边等效负载 RL。,三、甲

11、乙类变压器耦合式推挽功率放大器,Rb1、 Rb2、 Re 的作用：克服交越失真。,两个三极管都构成静态工作点稳定的共射极放大器。其静态工作点都设在刚刚超过截止区， IB很小，IC 也很小，从而降低了直流功耗。,直流通道,变压器线圈对于直流相当于短路：,6-3互补对称功率放大器,指导思想,6-3 互补对称功率放大电路,OTL: Output TransformerLess,OCL: Output CapacitorLess,互补对称：电路中采用两支晶体管，NPN、 PNP各一支；两管特性一致。,类型：,一、 无输出电容的互补对称功放电路,（一）工作原理（设ui为正弦波）,电路的结构特点：,1.

12、由NPN型、PNP型三极管构成两个对称的射极输出器对接而成。,2. 双电源供电。,3. 输入输出端不加隔直电容。,动态分析：,ui 0V,T1截止，T2导通,ui 0V,T1导通，T2截止,iL= ic1 ;,iL=ic2,T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方式，称为乙类放大。,因此，不需要隔直电容。,静态分析：,ui = 0V T1、T2均不工作 uo = 0V,乙类放大的输入输出波形关系:,死区电压,交越失真：输入信号 ui在过零前后，输出信号出现的失真便为交越失真。,(1) 静态电流 ICQ、IBQ等于零； (2) 每管导通时间等于半个周期 ； (3) 存在交越失真。,乙类放大的

13、特点：,（二）最大输出功率及效率的计算,假设 ui 为正弦波且幅度足够大，T1、T2导通时均能饱和，此时输出达到最大值。,负载上得到的最大功率为：,若忽略晶体管的饱和压降，则负载（RL)上的电压和电流的最大幅值分别为：,电源提供的直流平均功率计算：,每个电源中的电流为半个正弦波，其平均值为:,两个电源提供的总功率为：,USC1 =USC2 =USC,效率为：,（三）电路的改进,1. 克服交越失真,交越失真产生的原因： 在于晶体管特性存在非线性，ui uT时晶体管截止。,克服交越失真的措施：电路中增加 R1、D1、D2、R2支路。,静态时: T1、T2两管发射结电位分别为二极管D1、 D2的正向

14、导通压降，致使两管均处于微弱导通状态；,动态时：设 ui 加入正弦信号。正半周 T2 截止，T1 基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；负半周T1截止，T2 基极电位进一步提高，进入良好的导通状态。,甲乙类放大的波形关系：,特点：存在较小的静态电流 ICQ 、IBQ 。每管导通时间大于半个周期，基本不失真。,为更换好地和T1、T2两发射结电位配合，克服交越失真电路中的D1、D2两二极管可以用UBE电压倍增电路替代。,2. UBE电压倍增电路,合理选择R1、R2大小，B1、 B2间便可得到 UBE 任意倍数的 电压。,图中B1、B2分别接T1、 T2的基极。假设I IB，则,3. 电路中增加复

15、合管,增加复合管的目的是：扩大电流的驱动能力。,复合管的构成方式：,方式一：, 1 2,晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。,方式二：,改进后的OCL准互补输出功放电路：,T1：电压推动级,T1、R1、R2： UBE倍增电路,T3、T4、T5、T6： 复合管构成的输出级,准互补,输出级中的T4、T6均为NPN型晶体管，两者特性容易对称。,第4级：互补对称射极跟随器,第3级：单管放大器,集成运放内部的功率放大器,二、无输出变压器的互补对称功放电路,（一）特点,1. 单电源供电；,2. 输出加有大电容。,（二）静态分析,则 T1、T2 特性对称，,令：,（三）动态分析,设输入端在 0.5USC

16、 直流电平基础上加入正弦信号。,若输出电容足够大， UC基本保持在0.5USC ，负载上得到的交流信号正负半周对称，但存在交越失真。,时，T1导通、T2截止；,（四）输出功率及效率,若忽略交越失真的影响，且 ui 幅度足够大。则：,实用OTL互补输出功放电路,调节R,使静态UAQ=0.5USC,D1 、 D2使b1和b2之间的电位差等于2个二极管正向压降，克服交越失真。,Re1 、 Re2：电阻值12，射极负反馈电阻，也起限流保护作用。,四、 实际功放电路,这里介绍一个实用的OCL准互补功放电路。其中主要环节有 ：,(1) 恒流源式差动放大输入级（T1、T2、T3）； (2) 偏置电路（R1、

17、D1、D2）； (3) 恒流源负载（T5）； (4) OCL准互补功放输出级（T7、T8、T9、 T10）； (5) 负反馈电路（Rf、C1、Rb2构成交流电压串联负反馈）； (6) 共射放大级（T4）； (7) 校正环节（C5、R4）； (8) UBE倍增电路（T6、R2、R3）； (9) 调整输出级工作点元件（Re7、Rc8、Re9、Re10）。,差动放大级,反馈级,偏置电路,共射放大级,UBE 倍增 电路,恒流源 负载,准互补功放级,保险管,负载,实用的OCL准互补功放电路：,输出功率的估算：,输出电压的最大值约为 19.7V，设负载 RL= 8 ,则最大输出功率为：,实际输出功率约为

18、20W。,注：该实用功放电路的详细分析计算请参考模拟电子技术基础（童诗白主编）。,6-4 集成功率放大器,特点：工作可靠、使用方便。只需在器件外部适当连线，即可向负载提供一定的功率。,集成功放LM384：,生产厂家：美国半导体器件公司,电路形式：OTL,输出功率：8负载上可得到5W功率,电源电压：最大为28V,集成功放 LM384管脚说明:,14 - 电源端（ Vcc）,3、4、5、7 - 接地端（ GND） 10、11、12 - 接地端（GND）,2、6 - 输入端 （一般2脚接地）,8 - 输出端 （经500 电容接负载）,1 - 接旁路电容（5 ）,9、13 - 空脚（NC）,集成功放 LM384 外部电路典型接法：,调节音量,电源滤波电容,外接旁路电容,低通滤波,去除高频噪声,输入信号,输出耦合大电容,概要说明,基本情况与基本设想,