第六章功率放大器要求分类课件.ppt

1、第六章功率放大器第六章功率放大器6-16-1功率放大器的基本要求及分类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、一、功率放大器简介功率放大器简介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

2、作在传输特性曲线的线性部分，在输入信号的整个周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

3、大电路外，还设计有各种保护电路，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。功率放大电路工作

4、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。功放管工作在“极限运用”状态，因而造成相

5、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。T1RLu0VCCiLT2iC1VCCiC2ui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，所以称为交越失真。观察

6、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 ui/V t00.6-0.6 u0/V t00.6-0.6过零处的过零处的交交越失真越失真 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。D2D1RCREC1T1RLVCCT2u0C2T3R1R2CEui6-26-2变压器耦合功率放大器变压器耦合功率放大器一、变压器耦合单管功率放大器一、变压器耦合单管功率放大器（

7、一）（一）电路组成及工作原理电路组成及工作原理1、电路组成、电路组成 V为功率放大管，为功率放大管，Rb1、Rb2和和Re为分压式电流负反馈偏置电路，为分压式电流负反馈偏置电路，Ce为射极旁为射极旁路电容，路电容，RL为负载电阻，为负载电阻，T1和和T2为输入、输出变压器，统称为耦合变压器。为输入、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率管获得最佳负载电阻RL，以便向负载，以便向负载RL提供最大功率。提供最大功率。最佳负载电阻为最佳负载电阻为L2LRnR 式中

8、，式中，是变压器的匝数比是变压器的匝数比12NnN合理选择合理选择n，可得管子最佳负载电阻，可得管子最佳负载电阻RL。例例7.2.1图中，负载图中，负载RL=8，晶体管集电极输出功率，晶体管集电极输出功率PO=140mW，集电极电流，集电极电流Ic=31mA。求：（。求：（1）输出变压器）输出变压器T2的初级等效电阻的初级等效电阻RL=？（？（2）要使负载）要使负载RL获得理想的最大功获得理想的最大功率，率，T2的变压比的变压比n=？Lc2cRIP146mA31/mW140/2c2oLIPRL2LRnR348/146/LLRRn解（解（1 1）因为）因为 所以所以 （2 2）因为）因为 所以所

9、以 当当vi 0，则，则vivbeibic。经。经T2耦合，耦合，RL有电流有电流iL，放，放大器有信号功率输出。大器有信号功率输出。2 2、电路工作原理、电路工作原理 当当vi=0，电路处于静态，电路处于静态，iC=ICQ。因。因T2隔直作用，隔直作用，RL中中无电流，放大器无信号输出。无电流，放大器无信号输出。3）画画vCE、iC波形波形:得正弦信号的最大值分得正弦信号的最大值分别为别为Icm和和Vcem，则功放管集，则功放管集电极输出功率为电极输出功率为（二）（二）输出功率及效率输出功率及效率1 1、输出功率、输出功率图解分析：图解分析：1）作直流负载线：作直流负载线：过过VG点作直流负

10、载线，与点作直流负载线，与IBQ之交点，得静态工作点之交点，得静态工作点Q。2）作交流负载线：作交流负载线：过过Q点，作交流负载线点，作交流负载线AB。CQcm IIGcemVVcemcmcemcmceco2122VIVIVIP （7.2.1）可见，输出信号越强，输出功率可见，输出信号越强，输出功率P Po o越大。越大。为不产生饱和失真和截止失真，忽略为不产生饱和失真和截止失真，忽略V VCESCES和和I ICEOCEO时，则时，则功放管不失真条件为功放管不失真条件为CQcmIIGcemVVGCQom21VIP 在输出信号最大且不失真时，有在输出信号最大且不失真时，有 ，。于是功放管不失真

11、最大输出功率为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功率的一半，可见，最大不失真输出功率仅为电源供给功率的一半，效率很低。效率很低。2 2、效率、效率 1）电源供给功率为电源供给功率为GCQGVIP（7.2.3）可见，电源供给功率与信号无关。可见，电源供给功率与信号无关。%502121GCQGCQGommVIVIPP 2）功放管最大效率为功放管最大效率为%50即即（7.2.4）若考虑若考虑VCES和和ICEO，则功率管的效率，则功率管的效率仅为仅为40%45%，如果再考虑变压器的效率如果再考虑变压器的效率T（0.750.85），则甲类功放总），则甲类

12、功放总效率为效率为（7.2.5）T通常只有通常只有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。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二、变压器耦合乙类推挽功率放大器1.1.原理电路原理电路uiT2T1RL+-USCiLN2N1N1放大器：放大器：由两个共射极放大器组成，两个三极管由两个共射极放大器组成，两个三极管的射极接在一起。的射极接在一起。输入变压器：输入变压器：将输入信号分成两个大小相等相位相反将输入信号分成两个大小相等相位相反的信号

13、，分别送两个放大器的基极，使的信号，分别送两个放大器的基极，使 T1、T2 轮流导通。轮流导通。输出变压器：输出变压器：将两个集电极输出信号合为一个信号，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。耦合到副边输出给负载。uiT2T1RL+-USCiLN2N1N1uiT2T1RL+-USCiLN2N1N12.动、静态分析动、静态分析静态分析：静态分析：ui=0，T1、T2 均截止，均截止，iL =0。变压器线圈对于直流相当于短路。变压器线圈对于直流相当于短路。uiT2T1RL+-USCiLN2N1N1动态分析：动态分析：ui 0 时：时：T1导通、导通、T2 截止，截止，ic1 经变

14、压器耦合给经变压器耦合给负载，负载，iL的方向由的方向由 ic1决定。决定。若若ui 为正弦信号，则为正弦信号，则 iL近似为正弦波。近似为正弦波。ui 0VT1导通，导通，T2截止截止iL=ic1;ui-USCT1T2uo+USCRLiLiL=ic2T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方两个晶体管都只在半个周期内工作的方式，称为式，称为乙类放大乙类放大。因此，不需要隔直电容。因此，不需要隔直电容。静态分析：静态分析：ui=0V T1、T2均不工作均不工作 uo=0V乙类放大的输入输出波形关系乙类放大的输入输出波形关系:ui-USCT1T2uo+USCRLiL交越失真交越失真死区电压死区

15、电压uiuouou o tttt交越失真：交越失真：输入信号输入信号 ui在过零在过零前后，输出信号出现的失真便前后，输出信号出现的失真便为交越失真。为交越失真。ui-USCT1T2uo+USCRLiL(1)静态电流静态电流 ICQ、IBQ等于零；等于零；(2)每管导通时间等于半个周期每管导通时间等于半个周期；(3)存在交越失真。存在交越失真。乙类放大的特点：乙类放大的特点：（二）最大输出功率及效率的计算（二）最大输出功率及效率的计算假设假设 ui 为正弦波且幅度足够大，为正弦波且幅度足够大，T1、T2导通时均能饱和，此时输出达到最大导通时均能饱和，此时输出达到最大值。值。ULmax负载上得到

16、的最大功率为：负载上得到的最大功率为：iL-USCRLuiT1T2UL+USC若忽略晶体管的饱和若忽略晶体管的饱和压降，压降，则负载（则负载（RL)上的电上的电压和电流的最大幅值分别压和电流的最大幅值分别为：为：LSCLmSCLmRUIUUmaxmaxLSCLSCSCoRURUUP21222max电源提供的直流平均功率计算：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：两个电源提供的总功率为：USC1=USC2=USC01)(sin21LSCLSCavRUttdRUILSCavavRUII12LSCLSCS

17、CEEERURUUPPP22122 tic1LSCRU%5.7842222maxLSCLSCEoRURUPP效率为：效率为：LSCLSCSCEEERURUUPPP22122LSCLSCSCoRURUUP21222max （三）电路的改进（三）电路的改进1.克服交越失真克服交越失真交越失真产生的原因：交越失真产生的原因：在于晶体管特性存在在于晶体管特性存在非线性，非线性，ui IB，则，则221RRRUUBE3.电路中增加复合管电路中增加复合管增加复合管的目的是：增加复合管的目的是：扩大电流的驱动能力。扩大电流的驱动能力。复合管的构成方式：复合管的构成方式：cbeT1T2ibicbecibic方

18、式一：方式一：bcccbcbebbciiiiiiiiiii)1(,)1(,1212122211211becibic 1 2晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。方式二：方式二：cbeT1T2ibic复合管构成方式很多。不论哪种等效方式，等效复合管构成方式很多。不论哪种等效方式，等效后晶体管的性能确定均如下：后晶体管的性能确定均如下：改进后的改进后的OCL准互补输出功放电路：准互补输出功放电路：T1：电压推动级电压推动级 T1、R1、R2：UBE倍增电路倍增电路 T3、T4、T5、T6：复合管构成的输出级复合管构成的输出级准互补准互补 输出级中的输出级中

19、的T4、T6均为均为NPN型晶体管，两者特性容易对称。型晶体管，两者特性容易对称。+USC-USCR1R2RLuiT1T2T3T4T5T6-UEE+UCCERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第第4 4级：互补对称射极跟随器级：互补对称射极跟随器差动放大器差动放大器第第2级级第第1级：级：差动放大器差动放大器第第3级：级：单管放大器单管放大器集成运放内部的功率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二、无输出变压器的互补对称功放电路（一）特点（一）特点1.单电源供电；单电源供电；2.输出加有大电容。输出加有大电容。（二

20、）静态分析（二）静态分析则则 T1、T2 特性对称，特性对称，,2SCAUU2SCCUU2SCiUu 令：令：0.5USCRLuiT1T2+USCCAUL+-UC（三）动态分析（三）动态分析设输入端在设输入端在 0.5USC 直流电平基础上加入正弦信号。直流电平基础上加入正弦信号。若输出电容足够大，若输出电容足够大，UC基本基本保持在保持在0.5USC，负载上得到的，负载上得到的交流信号正负半周对称，但存交流信号正负半周对称，但存在交越失真。在交越失真。ic1ic2交越失真交越失真RLuiT1T2+USCCAUL+-时，时，T1导通、导通、T2截止；截止；2SCiUu 时，时，2SCiUu T

21、1截止、截止、T2导通。导通。0.5USCuit（四）输出功率及效率（四）输出功率及效率若忽略交越失真的影响，且若忽略交越失真的影响，且 ui 幅度足够大。则：幅度足够大。则：LSCLmSCLmRUIUU22maxmax、LSCLmLmLRUIUP8222maxmaxmaxLSCavSCERUIUP22)(sin2210ttdRUILSCav%5.784maxELPPuLULmaxui2SCUtt实用实用OTL互补输出功放电路互补输出功放电路调节调节R,使静态使静态UAQ=0.5USCD1、D2使使b1和和b2之间的之间的电位差等于电位差等于2个二极管正个二极管正向压降，克服交越失真。向压降，

22、克服交越失真。Re1、Re2：电阻值：电阻值12，射极负反馈电阻，也起射极负反馈电阻，也起限流保护作用。限流保护作用。D1D2ui+USCRLT1T2T3CRBRe1Re2b1b2A 四、四、实际功放电路实际功放电路这里介绍一个实用的这里介绍一个实用的OCL准互补功放电路。其准互补功放电路。其中主要环节有中主要环节有：(1)恒流源式差动放大输入级（恒流源式差动放大输入级（T1、T2、T3）；）；(2)偏置电路（偏置电路（R1、D1、D2）；）；(3)恒流源负载（恒流源负载（T5）；）；(4)OCL准互补功放输出级（准互补功放输出级（T7、T8、T9、T10）；）；(5)负反馈电路（负反馈电路（

23、Rf、C1、Rb2构成交流电压串联负反构成交流电压串联负反馈）；馈）；(6)共射放大级（共射放大级（T4）；）；(7)校正环节（校正环节（C5、R4）；）；(8)UBE倍增电路（倍增电路（T6、R2、R3）；）；(9)调整输出级工作点元件（调整输出级工作点元件（Re7、Rc8、Re9、Re10）。）。+24VuiRLT7T8RC8-24VR2R3T6Rc1T1T2Rb1Rb2C1RfR1D1D2T3Re3T4Re4C2T5Re5C3C4T9T10Re10Re7Re9C5R4BX差动放大级差动放大级反馈级反馈级偏置电路偏置电路共射放大级共射放大级UBE倍增倍增电路电路恒流源恒流源负载负载准互补功

24、放级准互补功放级保险管保险管负载负载实用的实用的OCL准互补功放电路：准互补功放电路：输出功率的估算：输出功率的估算：输出电压的最大值约为输出电压的最大值约为 19.7V，设负载，设负载 RL=8 则最大输出功率为：则最大输出功率为：实际输出功率约为实际输出功率约为 20W。注：注：该实用功放电路的详细分析计算请参考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模拟电子技术基础（童诗白主编）。（童诗白主编）。W3.248127.192maxP 6-4 集成功率放大器集成功率放大器特点：特点：工作可靠、使用方便。只需在器件外部适工作可靠、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

25、功率。当连线，即可向负载提供一定的功率。集成功放集成功放LM384：生产厂家：生产厂家：美国半导体器件公司美国半导体器件公司电路形式：电路形式：OTL输出功率：输出功率：8 负载上可得到负载上可得到5W功率功率电源电压：电源电压：最大为最大为28V 集成功放集成功放 LM384管脚说明管脚说明:14-电源端（电源端（Vcc）3、4、5、7-接地端（接地端（GND）10、11、12-接地端（接地端（GND）2、6-输入端输入端 （一般（一般2脚接地）脚接地）8-输出端输出端 （经（经500 电容接负载）电容接负载）)12345 678910111213141-接旁路电容（接旁路电容（5 ）9、13-空脚（空脚（NC）集成功放集成功放 LM384 外部电路典型接法：外部电路典型接法：500-+0.1 2.7 8146215 Vccui8 调节音量调节音量电源滤波电容电源滤波电容外接旁路电容外接旁路电容低通滤波低通滤波,去除高频噪声去除高频噪声输入信号输入信号输出耦合大电容输出耦合大电容概要说明概要说明基本情况与基本设想