第7章 功率放大電路

1、第七章 功率放大電路,國(guó)家級(jí)精品課程,《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)教程》編寫(xiě)組,第七章 功率放大電路,7.1 功率放大電路的一般問(wèn)題7.2 互補(bǔ)推挽功率放大電路　 7.3 丁類(lèi)音頻功率放大器7.４ 集成功率放大器7.5 功率器件,7.1 功率放大電路的一般問(wèn)題,,,例： 擴(kuò)音系統(tǒng),功率放大器的作用： 用作放大電路的輸出級(jí)，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動(dòng)作、 儀表指針偏轉(zhuǎn)等。,放大器方框圖如下：,由電壓放大電路

2、組成，不失真地 提高信號(hào)電壓幅度,保證信號(hào)失真在允許范圍，提高輸出功率，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載,7.1 功率放大電路的一般問(wèn)題,（1）Pom大(Uom, Iom)。 （2）管子工作于極限狀態(tài)PCM、 ICM 、UBR(CEO)（3）電路工作于大信號(hào)——圖解法分析。（4） η高，失真小。,一、功率放大電路的主要特點(diǎn),負(fù)載上有用信號(hào)功率 。,電源輸出功率 。,二、提高效率途徑,甲乙類(lèi)放大——半個(gè)周期以上有電流。,既降Q又不失真：采用推挽輸出

3、電路，或互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)射極輸出器。,甲類(lèi)放大——整個(gè)周期內(nèi)均有電流。 失真小， η低,乙類(lèi)放大——半個(gè)周期導(dǎo)通有電流。失真大， η高,7.2 互補(bǔ)推挽功率放大電路,OTL: Output TransformerLess,OCL: Output CapacitorLess,互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)：電路中采用兩支晶體管，NPN、 PNP各一支；兩管特性一致。,類(lèi)型：,7.2.1 乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放

4、大電路,一、 電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn),1. 由NPN型、PNP型三極管構(gòu)成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的射極輸出器對(duì)接而成。,2. 雙電源供電。,3. 輸出端不加隔直電容（OCL）。,,動(dòng)態(tài)分析：,ui ? 0V,,T1截止，T2導(dǎo)通,,ui > 0V,,T1導(dǎo)通，T2截止,iL= ic1 ;,,iL=ic2,T1、T2兩個(gè)晶體管都只在半個(gè)周期內(nèi)工作，為乙類(lèi)放大。,靜態(tài)分析：,ui = 0V ? T1、T2均不工作

5、 ? uo = 0V,二、 電路工作原理,三、分析計(jì)算,靜態(tài)Q：,UCE1 = VCC , UCE2 = -VCC,IC1 = IC2 = 0,動(dòng)態(tài)：,（1）交流負(fù)載線(xiàn)斜率為-1/RL,為分析方便，如圖曲線(xiàn)倒置成Q點(diǎn)重合,負(fù)載斜率相等且都通過(guò)Q點(diǎn)，那么合成的負(fù)載線(xiàn)成圖示的一條直線(xiàn)。,（2） Uom = Ucem = Uim Iom = Icm = Uom/RL,（3） Uom(max) = Ucem(max

6、) = VCC －Uces ≈ VCC,參數(shù)估算,(1) 輸出功率Po ：,最大不失真輸出功率為：,(2)直流電源供給功率PV :,(3)效率? :,(4)管耗 ：,兩管管耗,最大管耗,此時(shí),,總結(jié)：,,歸一化曲線(xiàn)圖 (動(dòng)畫(huà)),四、晶體管選擇：,(1) PCM >0.2Pomax;,(2)|U(BR)CEO>2VCC；,(3)ICM>VCC/RL,設(shè) ， ，計(jì)算：（1）若輸入信號(hào)

7、有效值為10V，求電路的Po、PV和效率及單管管耗。（2）若 ，且輸入幅值足夠大，求負(fù)載可能得到的最大功率和效率。（3）求每個(gè)管子的極限參數(shù)。（4）若 ，且輸入幅值足夠大，求負(fù)載可能得到的最大功率和效率。,例7.2.1 乙類(lèi)OCL參數(shù)估算,,,,,,解：,（1）,例7.2.1 乙類(lèi)OCL參數(shù)估算,,,,,,,解：,（2）,例7.2.1 乙類(lèi)OCL參數(shù)估算,,,,,,,,,（3）,,,,解：,（

8、4）,例7.2.1 乙類(lèi)OCL參數(shù)估算,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,死區(qū)電壓,交越失真：輸入信號(hào) ui在過(guò)零前后，輸出信號(hào)出現(xiàn)的失真便為交越失真。,五、交越失真,一、 克服交越失真電路中增加 R1、D1、D2、R2支路。,靜態(tài)時(shí): T1、T2均處于微弱導(dǎo)通狀態(tài)；,動(dòng)態(tài)時(shí)： 設(shè)ui 加正弦信號(hào) 正半周 T2 截止，T1 導(dǎo)通； 負(fù)半周T1截止，T2 導(dǎo)通。,7.2.2 甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路,D1、D2兩二極管

9、可以用UBE電壓倍增電路替代。,二、 UBE電壓倍增電路,合理選擇R1、R2大小，B1、B2間便可得到 UBE 任意倍數(shù)的電壓。,圖中B1、B2分別接T1、T2的基極。假設(shè)I >>IB，則,7.2.3 準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路,1. 增加復(fù)合管的目的：擴(kuò)大電流的驅(qū)動(dòng)能力。,2. 復(fù)合管的構(gòu)成方式：,,方式一：,一、復(fù)合管,,?? ? ?1 ?2,晶體管的類(lèi)型由復(fù)合管中的第一支管子決定。,方式二：,,復(fù)合管的幾種接法,,T

10、1：電壓推動(dòng)級(jí),T2、R1、R2： UBE倍增電路,T3、T4、T5、T6： 復(fù)合管構(gòu)成的輸出級(jí),準(zhǔn)互補(bǔ),輸出級(jí)中的T4、T6均為NPN型晶體管，兩者特性容易對(duì)稱(chēng)。,二、準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路,,,,,第4級(jí)：互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)射極跟隨器,第3級(jí)：?jiǎn)喂芊糯笃?集成運(yùn)放內(nèi)部的功率放大器,7.2.4 單電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路,,一、特點(diǎn),1. 單電源供電；,2. 輸出加有大電容。,二、靜態(tài)分析,則 T1、T2

11、特性對(duì)稱(chēng)，,?,令：,三、動(dòng)態(tài)分析,設(shè)輸入端在 0. 5 VCC直流電平基礎(chǔ)上加入正弦信號(hào)。,若輸出電容足夠大， UC基本保持在0.5VCC 。 負(fù)載上得到的交流信號(hào)正負(fù)半周對(duì)稱(chēng)，但存在交越失真。,時(shí)，T1導(dǎo)通、T2截止；,四、輸出功率及效率,若忽略交越失真的影響，且 ui 幅度足夠大。則：,實(shí)用OTL互補(bǔ)輸出功放電路,調(diào)節(jié)R,使靜態(tài)UAQ=0.5VCC,D1 、 D2使b1和b2之間的電位差等于2個(gè)二極管正向壓降，克服交

12、越失真。,Re1 、 Re2：電阻值1~2?，射極負(fù)反饋電阻，也起限流保護(hù)作用。,7.３丁類(lèi)音頻功率放大器,丁類(lèi)功放：放大元件處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)。無(wú)信號(hào)輸入時(shí)截止；有信號(hào)輸入時(shí)飽和?！　?yōu)點(diǎn)：效率高，發(fā)熱少?！　∵m用于電池供電的便攜式電子設(shè)備及大功率電子設(shè)備中，提供音頻功率，也稱(chēng)音頻放大器，或稱(chēng)數(shù)字音頻放大器,7.３丁類(lèi)音頻功率放大器,PWM調(diào)制器：將模擬音頻信號(hào)變成一系列寬度受到調(diào)制的等幅脈沖信號(hào)。開(kāi)關(guān)輸出級(jí)：把調(diào)制器輸出的PWM

13、信號(hào)變成高電壓、大電流的大功率PWM信號(hào)。低通濾波器：將大功率PWM波形中的音頻信號(hào)還原出來(lái)。,一、 電路組成,7.３丁類(lèi)音頻功率放大器,二、工作原理,7.３ 丁類(lèi)音頻功率放大器,（１）效率高：理想情況下可達(dá)100％?！　?dǎo)通：電流很大但壓降很??；　　截止：承受的壓降很大但電流很小?！　o(wú)論導(dǎo)通還是截止，管耗均很小。（2）失真小　　原始音頻信號(hào)的信息包含在脈沖信號(hào)的寬度中（非幅度；放大過(guò)程中脈沖信號(hào)幅度上的失真并不會(huì)使原始音

14、頻信號(hào)產(chǎn)生失真。,三、特點(diǎn),７.4 集成功率放大器,特點(diǎn)：工作可靠、使用方便。只需在器件外部適當(dāng)連線(xiàn)，即可向負(fù)載提供一定的功率。,7.4.1 集成功放LM384：,生產(chǎn)廠家：美國(guó)半導(dǎo)體器件公司,電路形式：OTL,輸出功率：8?負(fù)載上可得到5W功率,電源電壓：最大為28V,集成功放 LM384管腳說(shuō)明:,14 -- 電源端（ Vcc）,3、4、5、7 -- 接地端（ GND）10、11、12 -- 接地端（GND）,2、6 --

15、 輸入端 （一般2腳接地）,8 -- 輸出端 （經(jīng)500? 電容接負(fù)載）,1 -- 接旁路電容（5 ?）,9、13 -- 空腳（NC）,集成功放 LM384 外部電路典型接法：,調(diào)節(jié)音量,電源濾波電容,外接旁路電容,低通濾波,去除高頻噪聲,輸入信號(hào),輸出耦合大電容,７.4 集成功率放大器,7.4.2 集成音頻放大器MAX9712：,生產(chǎn)廠家：MAXIM公司,電路形式：丁

16、類(lèi)音頻放大器,輸出功率：8?負(fù)載上可得到500mW功率,效率：高于85％,音頻放大器MAX9712管腳說(shuō)明:,1-- 電源端（ VDD）,4 -- 接地端（ GND）,2、3 – 同、反相 輸入端,8、９ -- 輸出端,５ -- 關(guān)斷輸入,10、7 -- H橋電源和功率地,６ --頻率選擇及外部時(shí)鐘輸入,兩個(gè)MAX9712可組成立體聲放大器,使兩個(gè)器件的開(kāi)關(guān)頻率同步,主器件,從器件,本章小結(jié),（1） 在電源電壓確定的情況下，功放的

17、組成原則是在失真允許的范圍內(nèi)盡可能地提高輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。（2）由于功放管工作在大信號(hào)極限狀態(tài)，通常采用圖解法分析（3）低頻功放管常見(jiàn)的工作狀態(tài)有甲類(lèi)、乙類(lèi)、甲乙類(lèi)。其中乙類(lèi)的轉(zhuǎn)換效率高。為進(jìn)一步提高效率，還可使功放管工作于丁類(lèi)放大狀態(tài)。,本章小結(jié),（4）乙類(lèi)OCL的參數(shù)估算：,,本章小結(jié),（5）乙類(lèi)OCL的功放管的選擇：,PCM >0.2Pomax;,U(BR)CEO>2VCC；,ICM>VCC/RL,本章小結(jié)

18、,（6）乙類(lèi)的OCL電路存在交越失真，可使管子工作在甲乙類(lèi)（盡量接近乙類(lèi)），但參數(shù)估算仍按乙類(lèi)的有關(guān)公式。（7）OTL電路參數(shù)估算需將乙類(lèi)OCL的公式中所有VCC用0.5VCC代替。 （8）丁類(lèi)放大器效率高，發(fā)熱少，特別適合用于電池供電的便攜式電子設(shè)備及大功率電子設(shè)備中，用于放大音頻信號(hào)。,本章小結(jié),（9）集成功率放大器具有失真度小、效率高、功能齊全、有保護(hù)功能，外接元件少、易于安裝使用等特點(diǎn)，在音響設(shè)備、電視設(shè)備及自動(dòng)控制設(shè)備中得