Transcript 第四章功率放大电路

第 4 章
功率放大电路
1
教学内容
§4.1 功率放大电路的主要特点
§4.2 互补对称式功率放大电路
§4.3 采用复合管的互补对称式放大电路
§4.4 集成功率放大器
教学要求
1.掌握OTL和OCL互补对称电路的工作原理，
最大输出功率和效率的估算。
2.熟悉功率放大电路的非线性失真的概念。
3.了解功率放大电路的特点，以及功率放大
电路的类型。
4.了解集成功率放大电路的特点。
§4.1 功率放大电路的主要特点
一、功率放大电路的作用：
用作放大电路的输出级，以驱动执行机构。如
使扬声器发声、继电器动作、 仪表指针偏转等 。
例1：
扩
音
系
统
信
号
提
取
电
压
放
大
功
率
放
大
二、与电压放大电路的比较：
1.电压放大电路：
任务：使负载上获得尽可能大的不失真的电压信号。
三极管工作状态：小信号
分析方法： 微变等效电路
2.功率放大电路：
任务：在允许的失真限度内尽可能地向负载提供足够
大的功率。
三极管工作状态：大信号
分析方法： 图解法
三、对功率放大电路的要求：
1.输出功率要尽可能大
集电极正弦电
流的最大 幅值
U cem I cm 1
Pom 

 U cem  I cm
2
2 2
集电极正弦电
2.工作效率高
Po

压的最大幅值
Pv
放大电路输出功率
直流电源提供的功率
效率低，既浪费能源不经济，又会使功放管的结温
明显升高，以至损坏管子。
3.非线性失真要小。
四、功率放大电路的分类：
1.按功放管工作状态不
同分为：甲类、乙类、
甲乙类。
甲类：导通角   2 ;在
正弦交流信号的一个周期
内，三极管均导通，效率
低，仅为25﹪。
乙类：导通角   ；三
极管在半个周期内导通。
甲乙类：导通角     2
如何解决效率低的问题？
办法：降低Q点。
缺点：但又会引起截止失真。
既降低Q点又不会引起截止失真的办法：
采用推挽输出电路，或互补对称射极输出器。
变压器耦合功率放大电路
2.按耦合方式不同分
阻容耦合功率放大电路
直接耦合功率放大电路
§4.2 互补对称功率放大电路
互补对称：电路中采用NPN、 PNP两个三极管，
其特性一致。利用NPN、PNP管轮流导通，交替
工作，在负载RL上得到一个完整的被放大的交流
信号。
类型：
互补对称功放的类型
无输出变压器形式
（ OTL电路）
无输出电容形式
（ OCL电路）
OTL: Output TransformerLess
OCL: Output CapacitorLess
§4.2.1 电路组成和工作原理
1. OTL互补对称电路
（1）OTL乙类互补对称电路
电路特点：
1）单电源供电;
2）射极输出，输出端加有大电容。
C2的作用：隔直通交；储
存电能，代替一个电源。
静态分析
静态时，电源通过
VT1向C2充电，调整参数
R1、R2使得三极管发射极
电位：
VCC
UA 
2
动态分析
ui
ui>0,VT1导通VT2
截止，iL=iC1,RL上得到
t
iC1
上正下负的电压；
t
iC2
t
iL
t
死
区
电
压
动态分析
ui<0,VT1截止VT2导通，C2
两端的电压为VT2、RL提供电
ui
t
iC1
源, iL=iC2，RL上得到上负下正
的电压。
t
iC2
t
iL
t
交越失真
（2）OTL甲乙类互补对称电路
OTL 乙类互补对称电路的主要优点是效率高；
其缺点是会出现交越失真，可采用甲乙类互补对称
电路。
在VT1、VT2的基极之
间接入电阻R和两个二极
管VD1、VD2，使得uI=0时，
VT1、VT2已微微导通。
ui
静态时，iL=iC1-iC2=0
为了避免降低效率，Q点
选的比较低，使静态时集电极
电流值很小，与乙类互补电路
的工作情况很相近。
t
iC1
t
iC2
t
iL
Icm
t
甲乙类互补对称电路既能减小交越失真，又能获得较高的效率。
2. OCL互补对称电路
电路特点
1）双电源供电;
2）输出端不加隔直电容。
静态分析
静态时，ui = 0V
 VT1、VT2均不工作
 uo = 0V
UCE1=+Vcc, UCE2=－Vcc
动态分析
ui
ui>0,VT1导通VT2截
止，iL=iC1,RL上得到上
t
iC1
正下负的电压；
t
iC2
t
iL
Icm
t
动态分析
ui<0,VT1截止VT2导
通，iL=iC2,RL上得到上负
ui
t
iC1
下正的电压。
t
iC2
t
iL
Icm
t
OCL电路的优缺点：
优点：电路省掉大电容，改善了低频响应，又有
利于实现集成化。
缺点：三极管发射极直接连到负载电阻上，若静
态工作点失调或电路内元器件损坏，将造成一个
较大的电流长时间流过负载，造成电路损坏。实
际使用的电路中常常在负载回路接入熔断丝作为
保护措施。
§4.2.2 互补对称电路主要参数的估算
1. OCL互补对称电路主要参数的估算
设三极管VT1、VT2特性
曲线对称，则
Icm1=Icm2=Icm,
Ucem1=|Ucem2|=Ucem
iC1
VCC
RL
A
Icm1
－uCE2
Q
uCE1
Ucem1 Vcc
Icm2
UCES
B
iC2
ui
t
iC1
t
iC2
t
iL
Icm
VCC  U CES
I cm 
RL
t
集电极最大输出电压为
Ucem=Vcc－UCES
集电极最大输出电流为
Icm=（Vcc－UCES)/RL
（1）最大输出功率：
U cem I cm 1
(Vcc  U CES ) 2
Pom 

 U cem  I cm 
2RL
2
2 2
忽略UCES 则
2
Vcc
Pom 
2 RL
（2）效率：
直流电源Vcc提供的功率：
PV  Vcc 
1



0
2Vcc VCC  U CES 2Vcc
I cm sin td (t ) 
I cm 




RL
RL
2Vcc
Pom  VCC  | U CES |

 
PV
4
VCC
忽略UCES 则
Pom 

  78.5 

PV
4
2
（3）功率三极管极限参数：
①集电极最大允许电流ICM:
流过三极管的最大集电极电流为:
I cm
VCC  U CES VCC


RL
RL
选择三极管时集电极最大允许电流应为:
I CM
VCC

RL
②集电极最大允许反向电压U(BR)CEO:
当VT2导通，VT1截止
时，VT1承受反向电压：
uCE1  2VCC  | UCES 2 | 2VCC
功率三极管集电极最大允许
反向电压为:
U( BR)CEO  2VCC
③集电极最大允许耗散功率PCM:
当集电极输出电压的峰值UOM≈0.6VCC时，三极管
的功率功耗达到最大，此时，每个三极管的最大管耗为：
2
VCC
PTm  2
 RL
2
VCC
当忽略三极管的饱和压降UCES时，最大输出功率为： Pom 
2 RL
 PTm  0.2Pom
选择三极管时集电极最大允许耗散功率应为:
PCM  0.2Pom
iC1
2. OTL互补对称电路主要参数的估算
A
Icm1
－uCE2
Q
uCE1
Ucem1 Vcc/2
UCES
Icm2
B
iC2
ui
t
iC1
t
iC2
t
iL
Icm
I cm
VCC / 2  U CES

RL
t
设三极管VT1、VT2特性曲线对称，则Icm1=Icm2=Icm,
Ucem1=|Ucem2|=Ucem,则
集电极最大输出电压为
Ucem=Vcc/2－UCES
集电极最大输出电流为
Icm=（Vcc/2－UCES)/RL
（1）最大输出功率：
U cem I cm 1
(Vcc / 2  U CES ) 2
Pom 

 U cem  I cm 
2RL
2
2 2
忽略UCES 则
2
2
(Vcc / 2)
Vcc
Pom 

2RL
8RL
（2）效率：
直流电源Vcc提供的功率：
Vcc 1
PV 

2 


0
I cm sin td (t ) 
Vcc

I Cm
VCC
(
 U CES )
Pom
2


PV
2VCC
忽略UCES 则
2
P
V
  om  cc
PV 8RL

Vcc
  78.5 

2RL 4
2
VCC
2
 U CES
VCC 2
Vcc




RL
2RL
（3）功率三极管极限参数：
①集电极最大允许电流ICM:
流过三极管的最大集电极电流为:
I cm
VCC / 2  U CES VCC


RL
2 RL
选择三极管时集电极最大允许电流应为:
I CM
VCC

2RL
②集电极最大允许反向电压U(BR)CEO:
当VT2导通，VT1截止
时，VT1承受反向电压：
uCE1  VCC  | U CES 2 | VCC
功率三极管集电极最大允许
反向电压为:
U ( BR)CEO  VCC
③集电极最大允许耗散功率PCM:
当忽略三极管UCES时，每个三极管的最大管耗也为：
PTm  0.2Pom
选择三极管时集电极最大允许耗散功率应为:
PCM  0.2Pom
效率
(1)甲类功放
(2)OTL乙类功放
(3)OCL乙类功放
U cem I cm 1
1 (Vcc / 2  U CES ) 2
Pom 

 U cem  I cm  
2
RL
2
2 2
甲类电路的静态电流较大，效率较低。
(1)
(1)甲类功放
(2)OTL乙类功放
1 (Vcc / 2  U CES ) 2
Pom  
2
RL
1 (Vcc  U CES ) 2
Pom  
2
RL
(3)OCL乙类功放
(2)
(3)
乙类功放静态功耗等于零，效率较高。
例4.2.1 解：
①OCL电路最大输出功率：
(Vcc  U CES ) 2
Pom 
2 RL
(20  2) 2

 20.25W
28
PV  Vcc 
1


0
I cm sin td (t ) 
2Vcc

I cm
2Vcc VCC  U CES 2  20 20  2




 28.66W

RL

8
Pom 20.25
效率：  

 70.7 

PV
28.66
三极管的极限参数:
集电极最大允许电流ICM:
I CM
VCC 20


 2.5 A
RL
8
集电极最大允许反向电压U(BR)CEO:
U( BR)CEO  2VCC  2  20  40V
集电极最大允许耗散功率PCM:
PCM  0.2Pom  0.2  25  5W
②OTL电路最大输出功率：
(Vcc / 2  U CES ) 2
Pom 
2 RL
(20 / 2  2) 2

 4W
28
Vcc 1 
V
PV 
  I cm sin td (t )  cc I Cm
2  0

VCC
20
 U CES
2
VCC 2
20 2


 
 6.37W

RL

8
效率：
Pom
4


 62.8 

PV 6.37
三极管的极限参数:
集电极最大允许电流ICM:
I CM
VCC
20


 1.25A
2 RL 2  8
集电极最大允许反向电压U(BR)CEO:
U( BR)CEO  VCC  20V
集电极最大允许耗散功率PCM:
PCM  0.2Pom  0.2  6.25  1.25W
§4.3 采用复合管的互补对称式放大电路
增加复合管的目的是： 提高电流放大倍数，扩大
电流的驱动能力。
§4.3.1 复合管的接法及其β和rbe
1. 复合管的接法
复合管连接的原则：
1）保证前级三极管的输出电流与后级三极管的输入
电流形成适当的通路；
2)外加电压的极性应使每个三极管均工作在放大状态.
c
b
ib
ic
c
ic
T1
T2
e
b
NPN
ib
e
PNP
c
ic NPN
b
ib
e
PNP
2. 复合管的β和rbe
(1)由相同类型的三极管组成的复合管
c
b
ib
ic1
T1
ie1= ib2
ic
ic1  1ib , ib 2  ie1  (1  1 )ib ,
ic2
ic 2   2ib 2 ,
T2
ie
e
ic  ic1  ic 2  1   2 (1  1 )ib
  1   2  1 2  1 2
rbe  rbe1  (1  1 )rbe2
复合管的共射电流放大系数和输入电阻均比一
个三极管的β 和rbe提高了很多倍。
(2)由不同类型的三极管组成的复合管
ic1  1ib , ib 2  ic1  1ib ,
ie 2  (1   2 )ib 2 ,
ic  ie 2  1 (1   2 )ib
  1  1 2  1 2
rbe  rbe1
两个相同类型的三极管组成的复合管，
其类型与原来相同，有：
  1 2
rbe  rbe1  (1  1 )rbe2
两个不同类型的三极管组成的复合管，
其类型与第一级相同，有：
  1 2
rbe  rbe1
§4.3.2 复合管组成的互补对称放大电路
输出级中的VT3、
VT4均为NPN型晶体管，
两者特性容易对称。
准互补对称放大电路
§4.4 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。
第 4 章
结
束
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