电子电路课件：补充4_6功率放大器

补充补充:4.6功率放大器功率放大器4.6.1 概述概述4.6.2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路在一实际的放大电路中在一实际的放大电路中,一般包括电压放大一般包括电压放大器器和功率放大器和功率放大器.4.6.1 概述概述电压放大器的主要任务：电压放大器的主要任务：不失真的提高输入信号的电压幅度不失真的提高输入信号的电压幅度.讨论的主要性能指标：讨论的主要性能指标：小信号小信号工工 作：作：小信号等效电路小信号等效电路功率放大器的主要任务：功率放大器的主要任务：给负载提供功率给负载提供功率,且在且在不失真或轻度失真的条件不失真或轻度失真的条件下的提高输出功率下的提高输出功率.大信号大信号工工 作：作：图解法图解法电压放大电压放大功率放大功率放大小小信信号号大大信信号号电流放大电流放大充分小的功耗充分小的功耗尽可能大的动态范围尽可能大的动态范围足够低的输出电阻足够低的输出电阻-CC例例1：扩音系统扩音系统执行机构执行机构功率放大器的作用：功率放大器的作用：用作放大电路的用作放大电路的输出级输出级，以，以驱动驱动执行机构。如使扬声执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。仪表指针偏转等。4.6.1 概述概述功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取一、功率放大器的性能要求一、功率放大器的性能要求1.1.输出功率尽可能大和安全输出功率尽可能大和安全管子大信号极限条件下运用。2.2.效率要高效率要高用c 集电极效率(Collector Efficiency)衡量转换效率：Po 一定一定，c 高高PD 小小PC 小小 可选 P PCM CM 小小的管子，以降低费用。3.3.非线性失真要小非线性失真要小 输出功率越大，相应的动态电压电流越大，器件特性非线性引起的非线性失真也越大。除采用反馈技术外，还必须限制输出功率。二、提高效率的主要途径二、提高效率的主要途径 根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同，功率管运用状态可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等多种。功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。甲类：甲类：功率管在一个周期内导通功率管在一个周期内导通 (如小信号放大如小信号放大)。乙类：乙类：功率管仅在半个周期内导通。功率管仅在半个周期内导通。甲乙类：甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通。管子在大于半个周期小于一个周期内导通。丙类：丙类：功率管小于半个周期内导通。功率管小于半个周期内导通。不合适，因为不合适，因为效率太低效率太低。uotuo射极输出器输出电阻低，带负载射极输出器输出电阻低，带负载能力强，可以用做功率放大器吗能力强，可以用做功率放大器吗？问题讨论问题讨论:ibRbuoVCCuiRE估算射极输出器的效率估算射极输出器的效率：QicuceVCC(设设RL=RE)为使输出信号的幅值尽可能大为使输出信号的幅值尽可能大(要保证不失真要保证不失真)，静静态工作点（态工作点（Q）设置较高（靠近负载线的中部）。设置较高（靠近负载线的中部）。若忽略晶体管的饱和若忽略晶体管的饱和压降和截止区，输出压降和截止区，输出信号信号uo的峰值最大只的峰值最大只能为：能为：uo的取的取值范围值范围QIcuCEVCC直流负直流负载线载线交流负交流负载线载线UCEQ=0.5VCC 静态工作点：静态工作点：放大电路的输出没有失真的工作方式称为放大电路的输出没有失真的工作方式称为甲类放大甲类放大。1.直流电源输出的功率直流电源输出的功率2.最大负载功率最大负载功率3.最大效率最大效率(RL=RE时时)如何解决效率低的问题？如何解决效率低的问题？办法：办法：降低降低Q点。点。既降低既降低Q点又不会引起截止失真的办法：点又不会引起截止失真的办法：采用采用推挽输出电路，推挽输出电路，或或互补对称射极输互补对称射极输出器。出器。缺点：缺点：但又会引起截止失真。但又会引起截止失真。4.6.2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路 互补对称功放的类型互补对称功放的类型 无输出变压器形式无输出变压器形式 （OTL电路）电路）无输出电容形式无输出电容形式 （OCL电路）电路）OTL:Output TransformerLessOCL:Output CapacitorLess互补对称：互补对称：电路中采用两支晶体管，电路中采用两支晶体管，NPN、PNP各一支；两管特性一致。各一支；两管特性一致。类型：类型：4.6.3无输出电容的互补对称功放电路无输出电容的互补对称功放电路一、工作原理（设一、工作原理（设ui为正弦波）为正弦波）电路的结构特点：电路的结构特点：ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL1.由由NPN型、型、PNP型三极型三极管构成两个对称的射极管构成两个对称的射极输出器对接而成。输出器对接而成。2.双电源供电。双电源供电。3.输入输出端不加隔直电输入输出端不加隔直电容。容。乙类双电源的互补对称功放电路乙类双电源的互补对称功放电路ic1ic2动态分析：动态分析：ui 0VT1截止，截止，T2导通导通ui 0VT1导通，导通，T2截止截止iL=ic1;ui-VCCT1T2uo+VCCRLiLiL=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 ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL(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：图解法分析功放的性能指标1.2.3.4.二、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，此时输出导通时均能饱和，此时输出达到最大值。达到最大值。ULmax负载上得到的最大功率为：负载上得到的最大功率为：iL-VCCRLuiT1T2UL+VCC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：LCCLmCCLmRUIVU=axaxQIcuCEVCCQIcuCEVCC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：VCC1=VCC2=VCC tic1效率为：效率为：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-VCCT1T2uo+VCCRLiL交越失真交越失真死区电压死区电压uiuououo 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。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3.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方式一：方式一：becibic 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9.2.2 无输出变压器的互补对称功放电路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、静态分析二、静态分析则则 T1、T2 特性对称，特性对称，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 直流电平直流电平基础上加入正弦信号。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；时，时，T1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：uLULmaxuittLSCLmSCLmRUIUU22axax=、LSCLmLmLRUIUP8222axaxmax=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，克服交越失真。Re1、Re2：电阻值电阻值12，射极负反馈电阻，也，射极负反馈电阻，也起限流保护作用。起限流保护作用。D1D2ui+USCRLT1T2T3CRBRe1Re2b1b2A9.3 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（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)调整调整输出级工作点元件输出级工作点元件（Re7、Rc8、Re9、Re10）。）。4.6 4.6 集成运算放大器集成运算放大器集成运放是实现高增益放大功能的一种集成器件。集成运放是实现高增益放大功能的一种集成器件。集成运放性能特点集成运放性能特点Av很大：（很大：（104 107 或或 80 140dB）Ri 很大：（几很大：（几k 105 M 或或）Ro很小：（很小：（几几十十 ）静态输入、输出电位均为零。静态输入、输出电位均为零。集成运放电路符号集成运放电路符号反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端v-v+vo o+-集成运放电路组成集成运放电路组成 由于实际电路较复杂由于实际电路较复杂，因此读图时，因此读图时，应根据电路组成，应根据电路组成，把整个电路划分成若干基本单元进行分析。把整个电路划分成若干基本单元进行分析。输入级输入级中间增益级中间增益级输出级输出级偏置偏置电路电路采用改进型采用改进型差分放大器差分放大器采用采用12级共发电路级共发电路 采用射随器或采用射随器或