一、功率放大电路研究的问题一、功率放大电路研究的问题二、对功率放大电路的要求二、对功率放大电路的要求三、晶体管的工作方式三、晶体管的工作方式四、功率放大电路的种类及分析四、功率放大电路的种类及分析第6章 功率放大电路 1. 1. 性能指标性能指标：输出功率和效率。：输出功率和效率。 若已知若已知Uom，则可得则可得Pom。 最大输出功率与电源损耗的平均功率之比为效率。最大输出功率与电源损耗的平均功率之比为效率。 2. 2. 分析方法分析方法：因大信号作用，故应采用图解法。：因大信号作用，故应采用图解法。 3. 3. 晶体管的选用晶体管的选用：根据极限参数选择晶体管。：根据极限参数选择晶体管。 在功放中，晶体管集电极或发射极电流的最大值接近在功放中，晶体管集电极或发射极电流的最大值接近最大集电极电流最大集电极电流ICM，管压降的最大值接近，管压降的最大值接近c-e反向击穿电反向击穿电压压U(BR)CEO， 集电极消耗功率的最大值接近集电极最大耗集电极消耗功率的最大值接近集电极最大耗散功率散功率PCM 。称为工作在尽限状态。称为工作在尽限状态。一、功率放大电路研究的问题二、对功率放大电路的要求1. 1. 输出功率尽可能大输出功率尽可能大: :即在电源电压一定的情况下，即在电源电压一定的情况下，最大不失真输出电压最大。最大不失真输出电压最大。2. 2. 效率尽可能高效率尽可能高: 即电路损耗的直流功率尽可能小，静即电路损耗的直流功率尽可能小，静态时功放管的集电极电流近似为态时功放管的集电极电流近似为0。三、晶体管的工作方式1. 1. 甲类方式甲类方式：晶体管在信号的整个周期内均处于导通状态：晶体管在信号的整个周期内均处于导通状态2. 2. 乙类方式乙类方式：晶体管仅在信号的半个周期处于导通状态：晶体管仅在信号的半个周期处于导通状态3. 3. 甲乙类方式甲乙类方式：晶体管在信号的多半个周期处于导通状态：晶体管在信号的多半个周期处于导通状态甲类工作状态甲类工作状态l管子导通时间为一个周期。在单管放大电路中，管子导通时间为一个周期。在单管放大电路中，为了得到不失真的输出波形，将静态工作点设置为了得到不失真的输出波形，将静态工作点设置在合适位置。在合适位置。l静态时功耗大。静态时功耗大。iCiCtuCEQ00(a) 甲类甲类iC大于大于0乙类工作状态乙类工作状态l导通时间为半个周期。其工作点设置在截止区。导通时间为半个周期。其工作点设置在截止区。l出现了严重的波形失真。出现了严重的波形失真。iCiCtuCEQ00(c) 乙类乙类iC = 0的时间为半个周期的时间为半个周期甲乙类工作状态甲乙类工作状态l导通时间大于半个周期，小于一个周期。其工作导通时间大于半个周期，小于一个周期。其工作点设置靠近截止区。点设置靠近截止区。l甲乙类放大，减小了静态功耗，但也出现了严重甲乙类放大，减小了静态功耗，但也出现了严重的波形失真。的波形失真。iCiCtuCEQ00(b) 甲类甲类iC = 0的时间小于半个周期的时间小于半个周期1. OCL电路输入电压的正半周：输入电压的正半周： VCCT1RL地地输入电压的负半周：输入电压的负半周： 地地RL T2 VCC两只管子交替导通，两路电源交替供电，双向跟随。两只管子交替导通，两路电源交替供电，双向跟随。静态时，静态时，UEQ UBQ0。6.2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路 交越失真交越失真l由由于于T1、T2管管输输入入特特性性存存在在死死区区，所所以以输输出出波波形在信号过零附近产生失真形在信号过零附近产生失真交越失真交越失真。l原原因因：假假设设T1、T2的的死死区区电电压压都都是是0.6V，那那么么在在输输入入信信号号电电压压|Ui|0.6V期期间间，T1和和T2截截止止，输出电压为零，得到如图所示失真了的波形，输出电压为零，得到如图所示失真了的波形，图6-3交越失真波形uiuott00消除消除交越失真交越失真的办法的办法 uo+VCCT1R3D1R1T2RL-VCC+ui+_D2图6-4 消除交越失真的电路让让T1和和T2在静态时就微导通。在静态时就微导通。为此在为此在T1和和T2的基极之间接入的基极之间接入一个直流电压。一个直流电压。无论信号为正或为负，都至少无论信号为正或为负，都至少有一个管子导通，交越失真也就有一个管子导通，交越失真也就不存在了。不存在了。 然后求出电源的平均功率，然后求出电源的平均功率，效率效率在已知在已知RL的情况下，先求出的情况下，先求出Uom，则则求解输出功率和效率的方法图解法求解参数图解法求解参数l在在对对互互补补对对称称电电路路进进行行分分析析计计算算时时。由由于于管管子子在在大大信信号号下下工工作作，所所以以必必须须利利用用图图解解分分析析进进行行分分析。析。l为为了了便便于于观观察察互互补补电电路路中中的的每每个个管管子子的的电电流流电电压压波波形形，把把T2管管特特性性曲曲线线倒倒置置于于T1管管特特性性曲曲线线的的右右下下方方，并并令令二二者者在在UCEQ = VCC处处对对准准，如如图图所所示。示。l负载线通过负载线通过Q点点(UCE =VCC，iC=0)，且斜率为，且斜率为 的直线。的直线。tiC1Q00iC1uCE10iC2uCE2uCES2VCC2VCCiC2Quce1uce2VCCVCCUcemT2导通导通T1导通导通T1截止截止T2截止截止220-1/RL-1/RLPT1T2N一、输出功率数值较大数值较大不可忽略不可忽略大功率管的大功率管的UCES常为常为23V。二、效率电源电源电流电流三、 晶体管的极限参数PT对对UOM求导，并令其为求导，并令其为0，可得，可得 在输出功率最大时，因管压降最小，在输出功率最大时，因管压降最小，故管子损耗不大；输出功率最小时，因故管子损耗不大；输出功率最小时，因集电极电流最小，故管子损耗也不大。集电极电流最小，故管子损耗也不大。管子功耗与输出电压峰值的关系为管子功耗与输出电压峰值的关系为管压降管压降发射极电流发射极电流因此，选择晶体管时，其极限参数因此，选择晶体管时，其极限参数将将UOM代入代入PT的表达式，可得的表达式，可得2. 复合互补对称电路复合互补对称电路 复合管复合管(Darlington Connection) l存在的问题存在的问题：大功率输出极的工作电流大，而一般：大功率输出极的工作电流大，而一般大功率管的大功率管的电流放大系数都较小电流放大系数都较小。l通常采用所谓通常采用所谓“复合管复合管”的办法来解决。的办法来解决。l设有两只晶体管，把前一只管的集电极或发射极接设有两只晶体管，把前一只管的集电极或发射极接到下一只管的基极，这种连接所形成的晶体管组合到下一只管的基极，这种连接所形成的晶体管组合称为称为复合管复合管cebT1T2iBiC12iBiEiBiEbiCce(a) NPN型2.复合互补对称电路复合互补对称电路 ecbT1T2iBiE12iBiCiBiCbiEec(b) PNP型2.复合互补对称电路复合互补对称电路 cebT1T2iBiC12iBiEiBiEbiCce(c) PNP型2.复合互补对称电路复合互补对称电路 cebT1T2iBiC12iBiEiBiEbiCce(d) NPN型2.复合互补对称电路复合互补对称电路 复合管构成规则复合管构成规则liB向管内流向管内流的复合管等效为的复合管等效为NPN管；管； iB向管外流向管外流的复合管等效为的复合管等效为PNP管；管； iB的的流流向向由由T1管管的的基基极极电电流流决决定定，即即由由T1管管的的类类型型决定。决定。l必必须须保保证证每每只只管管各各电电极极的的电电流流都都能能顺顺着着各各个个管管的的正常工作方向流动；否则将是错误的。正常工作方向流动；否则将是错误的。2.复合互补对称电路复合互补对称电路 l在图所示复合管中，判断它们的连接方式哪些是在图所示复合管中，判断它们的连接方式哪些是正确的？哪些是错误的？哪些等效为正确的？哪些是错误的？哪些等效为NPN管？哪管？哪些等效为些等效为PNP管？管？ 2.复合互补对称电路复合互补对称电路 解：解：(a)错。错。(b)错。错。(c)对，对，PNP型。型。(d)对，对，NPN。 准互补对称电路准互补对称电路(Quasi Complementary Emitter Follower) l互互补补对对称称电电路路中中，两两个个输输出出管管是是互互补补工工作作的的，因因而而要要求求两两管管为为不不同同类类型型，一一个个为为NPN型型，而而另一个则为另一个则为PNP型型。l为了满足电路对称就为了满足电路对称就要求两管特性一致要求两管特性一致。l这这对对NPN和和PNP两两种种大大功功率率管管来来说说，一一般般是是难难以以实实现现的的，尤尤其其是是当当一一个个是是硅硅管管另另一一个个是是锗锗管管时时，若若要要两两管管特特性性一一致致，最最好好使使T3和和T4是是同同一一种型号的管子。种型号的管子。+VCC-VCCRb1RD1T1T2Rb2D2Re1Rc2RLT3T4Re4Re3NPNPNPuoui+-图6-8 准互补对称电路3. 单电源互补对称电路单电源互补对称电路 电路组成电路组成 l双双电电源源互互补补对对称称电电路路，需需要要两两个个独独立立电电源源，这这给给使用上带来使用上带来不方便不方便。l所所以以实实用用上上常常采采用用单单电电源源互互补补对对称称电电路路，如如图图6-9所所示示。它它去去掉掉了了负负电电源源，接接入入一一个个电电容容C，称称为为无无输输出出变变压压器器电电路路，简简称称OTL(Output Transformer Less)电电路路。V1、V2是是为为了了克克服服交交越越失失真真而而接接入入的的正正向向偏偏置置电电源源，在在实实际际电电路路中中可可用用两两个个二二极极管管来来代替。代替。2.2. OTL 电路 输入电压的正半周：输入电压的正半周： VCCT1CRL地地 C 充电。充电。输入电压的负半周：输入电压的负半周： C 的的 “”T2地地RL C “ ” C 放电。放电。C 足够大，才能认为其对交流信号相当于短路。足够大，才能认为其对交流信号相当于短路。OTL电路低频特性差。电路低频特性差。因变压器耦合功放笨重、自身损耗大，故选用因变压器耦合功放笨重、自身损耗大，故选用OTL电路电路。 输出功率输出功率 l理想条件下最大电压幅值理想条件下最大电压幅值Ucem=VCC/2， 所以所以 效率效率 l直流电源供给的功率为直流电源供给的功率为PV 理想条件下，最大效率为理想条件下，最大效率为 可可见见在在理理想想条条件件下下，OCL和和OTL电电路路的的最最大大效率相同。效率相同。例例 l如如图图所所示示的的电电路路，VCC=6V，RL=3.5近近似似计计算算理理想想情情况况下下，最最大大输输出出功功率率，效效率率和和管管耗耗。（ui为为正弦信号）正弦信号）uo+VCCT1R3D1R1T2RL+ui+_D2解：因为解：因为 理想情况下有理想情况下有所以所以 PT=0.4POM=0.41.29=0.516(W)例例 l某同学设计一个某同学设计一个OTL功放电路如图所示。功放电路如图所示。l（1）为实现输出最大幅值正负对称，静态时）为实现输出最大幅值正负对称，静态时A点点电位应为多大？电位应为多大？l（2）若）若UCE3和和UCE5的最小值约为的最小值约为3V，求最大不失，求最大不失真输出功率和效率？真输出功率和效率？l（3）晶体管）晶体管T3、T5的的PCM、U(BR)CEO和和ICM应如何应如何选择？选择？例例 解：解：图为单电源互补对称图为单电源互补对称OTL电路，电路，若实现输出最大，幅值正负对称，若实现输出最大，幅值正负对称，因此静态时因此静态时A点电位为：点电位为： 忽略忽略UCES，则，则 |U(BR)CEO|VCC=20(V)6.3 集成功率放大器简介集成功率放大器简介l以以LM384为例为例VCCT1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T12R1R3R4R5R2R6R7D1D2Couiuoui25K25K1K150K150K25K0.50.5lT1T4复合差动输入复合差动输入lT5、T6有源负载有源负载lT7、T8、 T9、和、和D1、D2互补对称输出互补对称输出lT10、T11有源负载有源负载lT12共射放大共射放大6.3 集成功率放大器简介集成功率放大器简介lLM384外部接线图外部接线图lLM384允许的最大电源允许的最大电源电压为电压为28V。l当当VCC=26V时，时，Po=7.6W，失真约为，失真约为5%。LM3843、4、5、7、10、11、1210k0.1uF500uF5uFuiVCC628141