模电课件(第四章功率放大电路).ppt
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- 课件 第四 功率 放大 电路
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1、模拟电子技术精品课模拟电子技术精品课湖北第二师范学院湖北第二师范学院 物理与电子信息学院物理与电子信息学院 黄晓黄晓明明 (版权版权所有所有)139 0711 4871 H1_X2_M321YAHOO.COM.CN第四章第四章 功率放大电路功率放大电路功率放大电路导论功率放大电路导论4.1 功率放大电路的主要特点功率放大电路的主要特点4.2 互补对称式功率放大器互补对称式功率放大器本章小结本章小结4.3 采用复合管的功率放大电采用复合管的功率放大电路路单元测验单元测验4.4 集成功率放大电路集成功率放大电路 功率放大电路的主要任务就是用于放大功率放大电路的主要任务就是用于放大电电路的输出级,向
2、负载提供足够大的输出功率,路的输出级,向负载提供足够大的输出功率,以以驱动驱动执行机构。如:使扬声器发声、继电执行机构。如:使扬声器发声、继电器器动作、仪表指针偏转等。并要求功放电路的动作、仪表指针偏转等。并要求功放电路的效效率非常高;输出信号的失真比较小。率非常高;输出信号的失真比较小。由于功放电路处理的都是大信号,因此由于功放电路处理的都是大信号,因此不不采用微变等效电路分析法,采用的是图解法采用微变等效电路分析法,采用的是图解法进进行分析和求解。行分析和求解。功率放大电路导功率放大电路导学学返返回回4.1 功率放大电路的主要特点功率放大电路的主要特点一、一、功率放大电路的用途功率放大电路
3、的用途 驱动显示仪表、音响、自动控制系统的执驱动显示仪表、音响、自动控制系统的执行部行部件。以及需要大功率驱动的负载。件。以及需要大功率驱动的负载。(如下例所示如下例所示)1、扩音系统、扩音系统功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取执行机构执行机构2、温度控制器、温度控制器R1、R2、R3:标准电标准电阻阻Ua:基准电压基准电压Rt:热敏电阻热敏电阻A :放大器:放大器RtTTUb控温过程控温过程UOUO1R1aR2UOVccR3Rtb温控室温控室加热器加热器-+AUO1 功功 放放二、对功率放大电路的要求二、对功率放大电路的要求即:输出电压和电流都要有足够大的变化量。即:输出电压和
4、电流都要有足够大的变化量。cmcemcmcemomIU212I2UP 1、要求有最大的输出功率、要求有最大的输出功率最大输最大输出功率出功率最大输出最大输出电压的有电压的有效值效值最大输出最大输出电流的有电流的有效值效值2、要有较高的效、要有较高的效率率 输出的功率其实都是由输出的功率其实都是由VCC转换而来的,转换而来的,尤尤其是在大功率的输出情况下,这个转换效率其是在大功率的输出情况下,这个转换效率就就显得很重要。显得很重要。效率效率%100PPvo 直流电源直流电源VCC提供的提供的功率功率放大电路提放大电路提供给负载的供给负载的功率功率 由上式可以导出功率放由上式可以导出功率放大电大电
5、路的最大效率为:路的最大效率为:%100PPvomm 3、要有较小的失真、要有较小的失真 由于由于“功放功放”工作在大信号的场合,因工作在大信号的场合,因此所此所处理的信号在三极管特性曲线上将得到极至处理的信号在三极管特性曲线上将得到极至地发地发挥。其器件的非线性特性则无法避免,我们挥。其器件的非线性特性则无法避免,我们只能只能根据负载的要求来规定其允许的失真范围。根据负载的要求来规定其允许的失真范围。因为处理的是大信号,所以不能采因为处理的是大信号,所以不能采用用微变等效电路来分析微变等效电路来分析“功放功放”。一般常。一般常用用图解法分析图解法分析“功放功放”静态和动态参数。静态和动态参数
6、。三、传统的推挽功率放大电路三、传统的推挽功率放大电路(乙类功率放大乙类功率放大器器)1、电路结构、电路结构(变压器耦合变压器耦合):T1:输入变压器;:输入变压器;T2:输出变压器;:输出变压器;VT1和和VT2:对称放大管。对称放大管。2、工作原理:工作原理:当当uI为正半周时:为正半周时:VT1工作在放大工作在放大 区,区,VT2工作在工作在 截止区。截止区。(推推)当当uI为负半周时:为负半周时:VT1工作在截止工作在截止 区,区,VT2工作在放大区。工作在放大区。(挽挽)最后在两管的集电极合成一个完整的正弦波,最后在两管的集电极合成一个完整的正弦波,再再 通过通过T2耦合到负载耦合到
7、负载RL上。上。iC13、图解分析:图解分析:4、传统的乙类推挽功率放大电路传统的乙类推挽功率放大电路的的 缺点:缺点:输入输入/输出变压器的体积大、重;输出变压器的体积大、重;因为是变压器耦合,故频带窄;因为是变压器耦合,故频带窄;存在交越失真和不对称失真;存在交越失真和不对称失真;电路采用反馈时,易自激振荡。电路采用反馈时,易自激振荡。返返回回4.2 互补对称式功率放大器互补对称式功率放大器4.2.1 OTL互补对称电路互补对称电路一、一、OTL乙类互补对称电路乙类互补对称电路1、电路结构:电路结构:VT1 和和VT2 分别由分别由 NPN和和PNP管组成,管组成,然后共同对然后共同对RL
8、组成组成 射极输出器。射极输出器。电路只有一个电源,电路只有一个电源,NPN管由管由VCC供电,供电,PNP管管 由电容由电容C供电。供电。R1和和R2分别为两管的偏置电分别为两管的偏置电阻。阻。2、工作原理:工作原理:静态时:静态时:合理选取合理选取R1、R2,使使 两管均微通,其发射两管均微通,其发射 极电位为极电位为VCC/2。大。大 电容电容C已充满电,已充满电,UC 也为也为VCC/2。当当uI为正半周时:为正半周时:VT1放大、放大、VT2截止截止。其正半周的信号通过其正半周的信号通过VT1管、管、C到达负载。到达负载。VT1的的 供电电压为:供电电压为:VCC-UC=VCC-VC
9、C/2=VCC/2。当当uI为负半周时:为负半周时:VT1截止、截止、VT2放大放大。其负半周的信号通过其负半周的信号通过 VT2管和电容管和电容C到达到达负负 载。载。VT2的供电电压的供电电压 为:为:UC=-VCC/2。VT1和和VT2各负责输各负责输 入信号半周波形的放入信号半周波形的放 大。所以在负载上大。所以在负载上iRL=iC1-iC2,合成了一个完,合成了一个完整的整的 正弦波。正弦波。3、讨论:讨论:VT1导电是靠导电是靠VCC 供电,供电,VT2导导电是电是 靠靠 C 供电。所以供电。所以 C 必须必须非常大,非常大,否则否则 在负半周会供电不足产生失真。在负半周会供电不足
10、产生失真。此电路不使用变压器,用电容此电路不使用变压器,用电容 C 来来耦耦 合,所以称为:合,所以称为:OTL电路。电路。此电路由两管轮流工作,互补对称此电路由两管轮流工作,互补对称输输 出,各处理正弦信号的出,各处理正弦信号的 180 度。故度。故又又 称为:乙类互补对称电路。称为:乙类互补对称电路。4 4、图解分析、图解分析 将两管的输出特性曲线合并,将两管的输出特性曲线合并,VT2是是PNP管,管,所以所以 UCE2取负值。取负值。静态时:静态时:2VU,2VUCC2CECC1CE 所以:所以:静态工作点静态工作点Q在中点处,负载线的斜率由在中点处,负载线的斜率由RL来确来确定。定。输
11、入电压在正半周时:输入电压在正半周时:VT1导电,工作点从导电,工作点从Q沿斜沿斜 线向左上方运动。最大集流为线向左上方运动。最大集流为Icm1。输入电压在负半周时:输入电压在负半周时:VT2导电,工作点从导电,工作点从Q沿斜沿斜 线向右下方运动。最大集流为线向右下方运动。最大集流为Icm2。假设假设VT1、VT2 特性曲线对称:特性曲线对称:Lcemcm2cm1cmR/UIII cem2cem1cemUUU 三极管集电极三极管集电极电电 压的最大值为:压的最大值为:)(U2VUcesCCcem饱饱和和电电压压 OTL乙类互补对称电路的最大输出功率乙类互补对称电路的最大输出功率Pom将前式将前
12、式代入上式代入上式:(若(若Uces在在0.3V左右时,则可以忽略)左右时,则可以忽略)L2cemLcemcemcmcemomRU21RUU21IU21P L2CCL2cesCComR8VR)U2V(21P )(U2VUcesCCcem饱饱和和电电压压 直流电源直流电源VCC消耗的功率消耗的功率PV PV等于等于VCC/2与半个周期内三极管集电极电与半个周期内三极管集电极电流平流平均值的乘积。均值的乘积。L2CCLcesCCCCVR2VR)U2/V(VP LcesCCLcemcmR/)U2V(R/UI cmCC0cmCCVIV)t(tdSinI12VP由于:由于:所以:所以:OTL乙类互补对称
13、电路的最大效率乙类互补对称电路的最大效率 m%5.78%1004%100R2VRV81%100PPL2CCL2CCVomm 电路实际上的效率比上值要低。因为电源提电路实际上的效率比上值要低。因为电源提供的供的功率有一部分转化为集电极的功耗,使管子发热功率有一部分转化为集电极的功耗,使管子发热产生产生了温升。了温升。每个三极管的最大功耗每个三极管的最大功耗PTmomTmP2.0P 两个三极管的总功耗为两个三极管的总功耗为最最大输出功率大输出功率Pom的的0.4倍。倍。5、OTL乙类互补对称乙类互补对称电路的优、缺点电路的优、缺点优优 点点 效率高,理想情况下最在可效率高,理想情况下最在可达达到到
14、78.5%,在静态时,在静态时,ic1、ic2 为为0,即:静态功耗为即:静态功耗为0。缺缺 点点 在输入信号为在输入信号为 0 附近的区域内,附近的区域内,VT1 和和VT2 都不导通,因此会出都不导通,因此会出现现交越失真。所以上电路若不改进,交越失真。所以上电路若不改进,则没有实用的价值。则没有实用的价值。6、交越失真现象、交越失真现象 产生交越失真的原因产生交越失真的原因 在输入信号正半周在输入信号正半周或者负半周的起始段,或者负半周的起始段,VT1、VT2都处在截止都处在截止状态,所以这一段输出状态,所以这一段输出信号出现了失真,我们信号出现了失真,我们称此现象为交越失真。称此现象为
15、交越失真。克服交越失真的方法克服交越失真的方法 在两个互补管在两个互补管的基极引入的基极引入R、VD1和和VD2支路,保证支路,保证电路在静态时或起电路在静态时或起始段,始段,VT1和和VT2都处在导通状态,都处在导通状态,这样就克服了两管这样就克服了两管都截止的情况,保都截止的情况,保证了输出信号不出证了输出信号不出现了失真。现了失真。二、二、OTL甲乙类互补对称电路甲乙类互补对称电路1、电路结构:电路结构:在在VT1和和VT2的基的基极极接入接入R和和VD1、VD2。静态时:静态时:2、工作原理:工作原理:由由R和和VD1、VD2在在两个三极管的基极上产生两个三极管的基极上产生一个偏压,使
16、一个偏压,使VT1和和VT2微微导通。所以微微导通。所以uI=0时,时,VT1 和和VT2 有一个小小有一个小小的集的集流。但是,流。但是,iL=0。当当uI为正半周时:为正半周时:ic1逐渐增大,逐渐增大,VT1在在放大区工作,放大区工作,ic2逐渐逐渐减减小,小,VT2进入截止区。进入截止区。当当uI为负半周时:为负半周时:ic2逐渐增大,逐渐增大,VT2在在放大区工作,放大区工作,ic1逐渐逐渐减减小,小,VT1进入截止区。进入截止区。在在uI的整个周期内:的整个周期内:负载负载RL上得到了比较理想的正弦波,减小上得到了比较理想的正弦波,减小了交了交越失真。越失真。3、波形分析:波形分析
17、:在这个互补对称在这个互补对称放放大电路中,每管的导电大电路中,每管的导电角角(工作区工作区)大于大于180 度,度,小于小于 360 度,因此称为度,因此称为甲乙类放大电路。甲乙类放大电路。甲类放大电路,三甲类放大电路,三极管导电角极管导电角360 乙类放大电路,三乙类放大电路,三极管导电角极管导电角=180 此电路的参数计算,可以近此电路的参数计算,可以近似用似用 乙类互补电路的公式计算;乙类互补电路的公式计算;4、讨论:讨论:此电路的交越失真小,效率此电路的交越失真小,效率也不也不 错,故应用非常广泛;错,故应用非常广泛;缺点是:电容体积大,不易缺点是:电容体积大,不易集成集成 化;低频
18、效果差,不适用高化;低频效果差,不适用高档音档音 响设备。响设备。4.2.2 OCL互补对称电路互补对称电路一、电路结构:一、电路结构:1、彻底实现了直接耦彻底实现了直接耦合合2、采用了两路电源、采用了两路电源(用用 -VCC替代了替代了OTL电电 路中的路中的UC),分别,分别为为 VT1和和VT2供电。供电。二、工作原理:二、工作原理:工作原理与工作原理与OTL电路基本相同,但供电方式不电路基本相同,但供电方式不同。同。1、静态时:静态时:CC2CECC1CEVU,VU 所以:所以:静态工作点静态工作点Q在中点处,负载线的斜率仍由在中点处,负载线的斜率仍由RL来确来确定。定。2、三极管集电
19、极三极管集电极电电 压的最大值为:压的最大值为:)(UVUcesCCcem饱饱和和电电压压 3、OCL互补对称电路的最大输出功率互补对称电路的最大输出功率Pom将前式将前式代入上式代入上式:(若(若Uces在在0.3V左右时,可以忽略)左右时,可以忽略)L2cemLcemcemcmcemomRU21RUU21IU21P L2CCL2cesCComR2VR)UV(21P )(UVUcesCCcem饱饱和和电电压压 比比OTL电路的电路的Pom大,大,这是靠两套电源获得这是靠两套电源获得的。的。4、直流电源直流电源VCC消耗的功率消耗的功率PV PV等于等于VCC与半个周期内三极管集电极电与半个周
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