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1、第八章功率放大电路第1页，本讲稿共43页基本要求基本要求1 1、熟练掌握、熟练掌握功放的特点、功放的特点、互补对称功放的工作原理互补对称功放的工作原理、输出功率及效率的计算。输出功率及效率的计算。2 2、理解功放中有关概念：、理解功放中有关概念：功率、功率、效率效率、交越失真、交越失真3、了解、了解集成功放应用及散热集成功放应用及散热第2页，本讲稿共43页8.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题8.3 甲乙类互补对称功率放大电路甲乙类互补对称功率放大电路*8.4 集成功率放大器集成功率放大器n 甲乙类双电源互补对称电路甲乙类双电源互补对称电路n 甲乙类单电源互补对称电路甲乙类单电源
2、互补对称电路8.2 乙类互补对称功率放大电路乙类互补对称功率放大电路 第八章第八章 功率放大电路功率放大电路第3页，本讲稿共43页8.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题8.1.1 功率放大电路的主要特点功率放大电路的主要特点8.1.2 功放要解决的问题功放要解决的问题8.1.3 功放三种工作状态功放三种工作状态8.1.4 甲类功率放大器分析甲类功率放大器分析8.1.5 提高功放效率的途径提高功放效率的途径第4页，本讲稿共43页第5页，本讲稿共43页8.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题功率放大器的作用：功率放大器的作用：例：例：扩音系统扩音系统功功率率放放大大电电压
3、压放放大大信信号号提提取取如使扬声器发声、继电器动作、如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。仪表指针偏转等。功率放大电路：功率放大电路：向负载提供功率向负载提供功率的放大电路。的放大电路。用作放大电路用作放大电路输出级输出级，驱动执行机构驱动执行机构。第6页，本讲稿共43页8.1.1.功率放大电路的主要特点功率放大电路的主要特点1 1）交直共存）交直共存 和电压放大电路相同和电压放大电路相同 2 2）直流能量被转换为交流能量）直流能量被转换为交流能量 和电压放大电路不同和电压放大电路不同 提供大输出功率提供大输出功率输入大信号，信号输入大信号，信号动态范围大，静态动态范围大，静态电流接近
4、于电流接近于0 0 图解法图解法 3 3）任务）任务 4 4）工作特点）工作特点 5 5）分析方法）分析方法 6 6）动态指标）动态指标 PoPo、P PT T、等等 不失真放大电压信号不失真放大电压信号 输入小信号，信号动输入小信号，信号动态范围小，有一定静态范围小，有一定静态电流态电流 图解法、小信号法图解法、小信号法 AvAv、RiRi、RoRo等等 电压放大电路电压放大电路功率放大电路功率放大电路第7页，本讲稿共43页注注意意:无无论论功功率率放放大大电电路路还还是是电电压压放放大大电电路路，在在负负载载上上都都同同时时存存在在输输出出电电压压、电电流流和和功功率率，称称呼呼上上的的区
5、区别别只只不不过过是是强强调调输输出出量不同量不同而已。而已。第8页，本讲稿共43页 功率放大器的功率放大器的主要任务是向负载提供较大的信号功率主要任务是向负载提供较大的信号功率，故功率，故功率放大器应具有以下几个主要特点。放大器应具有以下几个主要特点。1)1)输出功率要足够大输出功率要足够大 如输入信号是某一频率的正弦信号，则输出功率的表达式如输入信号是某一频率的正弦信号，则输出功率的表达式为为 Po=IoUo 改用振幅值表示为改用振幅值表示为Po=IomUom 功率放大电路的特点功率放大电路的特点第9页，本讲稿共43页2)2)效率要高效率要高 功率放大器实质上是一个功率放大器实质上是一个能
6、量转换器能量转换器，它是将，它是将电源供给的电源供给的直流能量转换成交流信号的能量输送给负载直流能量转换成交流信号的能量输送给负载，因此，要求转换，因此，要求转换效率高。效率高。式中，式中，Po为信号输出功率，为信号输出功率，PV是直流电源向电路提供的功率。是直流电源向电路提供的功率。在在直流电源提供相同直流功率的条件下，输出信号直流电源提供相同直流功率的条件下，输出信号功率愈大，电路的效功率愈大，电路的效率愈高。率愈高。功率放大电路的特点功率放大电路的特点第10页，本讲稿共43页3)3)非线性失真要小非线性失真要小 功率放大器是在功率放大器是在大信号状态下工作大信号状态下工作，电压、电流摆，
7、电压、电流摆动幅度很大，而且由于三极管是非线性器件，在大信动幅度很大，而且由于三极管是非线性器件，在大信号工作状态下，号工作状态下，器件本身的非线性问题十分突出器件本身的非线性问题十分突出，因，因此，此，输出信号不可避免地会产生一定的非线性失真输出信号不可避免地会产生一定的非线性失真。在。在实际应用中，要采取措施减少失真，使之满足负载要求。实际应用中，要采取措施减少失真，使之满足负载要求。功率放大电路的特点功率放大电路的特点第11页，本讲稿共43页4)4)图解法进行估算图解法进行估算 由于功放工作在由于功放工作在大信号状态大信号状态，实际上已不属于，实际上已不属于线性电路的范围，故不能用小信号
8、微变电路的分线性电路的范围，故不能用小信号微变电路的分析方法，析方法，通常采用图解法通常采用图解法对其输出功率、效率等对其输出功率、效率等指标作粗略估算。指标作粗略估算。功率放大电路的特点功率放大电路的特点第12页，本讲稿共43页8.1.2.功放要解决的问题功放要解决的问题n 提高效率提高效率n 减小失真减小失真n 管子的保护管子的保护n 提高输出功率提高输出功率第13页，本讲稿共43页8.1.3.功放三种工作状态功放三种工作状态 三三极极管管根根据据正正弦弦信信号号整整个个一一周周期期内内的导通情况的导通情况，可分为几个状态：，可分为几个状态：乙类：乙类：甲类：甲类：导通角大于导通角大于18
9、0#哪种状态电路作哪种状态电路作哪种状态电路作哪种状态电路作功放功放功放功放最合适？最合适？最合适？最合适？一个周期内均导通一个周期内均导通有直流基础，有直流基础，BJT静态导通静态导通半个周期内均导通半个周期内均导通无直流基础，无直流基础，BJT静态截止静态截止#哪种状态电路作哪种状态电路作哪种状态电路作哪种状态电路作压放压放压放压放最合适？最合适？最合适？最合适？甲乙类：甲乙类：第14页，本讲稿共43页1）三极管的静态功耗：）三极管的静态功耗：若若则则IcuceQuceQIcQ8.1.4.甲类功率放大器分析甲类功率放大器分析电源提供的平均功耗：电源提供的平均功耗：第15页，本讲稿共43页2
10、）动态功耗动态功耗（当输入信号（当输入信号vi时）时）放大电路向电阻性负载提供的放大电路向电阻性负载提供的输出功率输出功率 在输出特性曲线上，正好是三在输出特性曲线上，正好是三角形角形 ABQ的面积，这一三角形称的面积，这一三角形称为为功率三角形功率三角形。要想要想PO大，就要使功率三角形的面积大，即必须使大，就要使功率三角形的面积大，即必须使Vom 和和Iom 都要大。都要大。最大输出功率最大输出功率第16页，本讲稿共43页电源提供的功率电源提供的功率此电路的最高效率此电路的最高效率第17页，本讲稿共43页甲类功率放大器存在的缺点：甲类功率放大器存在的缺点：n静态功率大，输出功静态功率大，输
11、出功率小，效率低率小，效率低1 1、无信号时，仍有电流流入，电能全部转为高热量。、无信号时，仍有电流流入，电能全部转为高热量。2 2、有信号时，部分功率可进入负载，但许多仍转变为热量。、有信号时，部分功率可进入负载，但许多仍转变为热量。甲类功率放大器的优点：甲类功率放大器的优点：具有具有最佳的线性最佳的线性，每个输出晶体管均放大信号全波，不，每个输出晶体管均放大信号全波，不存在存在交越交越失真失真（SwitchingDistortion），播音频的理想选择，它能），播音频的理想选择，它能提供非常平滑的音质，音色圆润温暖，高音透明开扬，这些优点提供非常平滑的音质，音色圆润温暖，高音透明开扬，这些
12、优点足以补偿它的缺点足以补偿它的缺点第18页，本讲稿共43页8.1.5.提高功放效率的途径提高功放效率的途径n 降低静态功耗降低静态功耗，即减小静态电流即减小静态电流。甲甲类类电电路路Q Q点点较较高高，静静态态电电流流较较大大，消消耗耗了了大大量量功功率。率。第19页，本讲稿共43页uiT1+UCCRLiLNPN型型uoui 0V T1截止截止ui 0V T1导通导通如何解决乙类电路失真问题如何解决乙类电路失真问题？假设假设Vbe=0V5.提高功放效率的途径：降低提高功放效率的途径：降低Q点点第20页，本讲稿共43页互补对称：互补对称：电路中采用两个晶体管：电路中采用两个晶体管：NPNNPN
13、、PNPPNP各一支；各一支；两管特性一致。组成两管特性一致。组成互补对互补对称式射极输出器称式射极输出器。解决乙类电路失真方案解决乙类电路失真方案NPN型型PNP型型第21页，本讲稿共43页解决乙类电路失真解决乙类电路失真ui 0V T1导通，导通，T2截止截止假设假设Vbe=0VNPN型型PNP型型第22页，本讲稿共43页解决乙类电路失真解决乙类电路失真ui 0V T1截止，截止，T2导通导通NPN型型PNP型型假设假设Vbe=0V第23页，本讲稿共43页8.2 乙类双电源互补对称功率放大电路乙类双电源互补对称功率放大电路8.2.1 电路组成电路组成（OCL）（Output Capacit
14、orLess）8.2.5 乙类互补对称电路存在的问题乙类互补对称电路存在的问题8.2.2 工作原理工作原理8.2.3 分析计算分析计算8.2.4 4 功率功率BJT选择原则选择原则第24页，本讲稿共43页8.2.1.电路组成电路组成4 4、输入输出、输入输出不加隔直电容不加隔直电容，也称为，也称为OCLOCL互补功率放大电路。互补功率放大电路。1、采用、采用正、负双电源正、负双电源供电供电2、由一对、由一对NPN、PNP特性相同特性相同的的互补三极管组成互补三极管组成3、由三极管组成的、由三极管组成的射极输出器工作在射极输出器工作在乙类状态乙类状态 特点：特点：互补对称：互补对称：电路中采用两
15、个晶体管：电路中采用两个晶体管：NPN、PNP各一支；两管特性各一支；两管特性一致。组成互补对称式射极输出器。一致。组成互补对称式射极输出器。第25页，本讲稿共43页ic1ic2 静态时：静态时：ui=0V ic1、ic2均均=0（乙类工（乙类工作状态）作状态）uo=0V动态时：动态时：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-USCT1T2uo+USCRLiLiL=ic2注意：注意：T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作。两个晶体管都只在半个周期内工作。8.2.2.工作原理工作原理第26页，本讲稿共43页8.2.3.分析计算分析计算（1
16、）实际输出功率）实际输出功率Po最大不失真输出功率最大不失真输出功率Pomax最大不失真输出电压时的输出功率最大不失真输出电压时的输出功率忽略忽略VCESui-VCCT1T2+VCCRLiLNPN型型PNP型型vo第27页，本讲稿共43页单个管子在半个周期内的管耗单个管子在半个周期内的管耗（2）管耗）管耗PT两管管耗两管管耗ui-VCCT1T2+VCCRLiLNPN型型PNP型型vo第28页，本讲稿共43页（3）电源供给的功率）电源供给的功率PV当当（4）效率）效率 当当ui-VCCT1T2+VCCRLiLNPN型型PNP型型vo第29页，本讲稿共43页问：问：Vom=？PT1最大最大,PT1
17、max=？用用PT1对对Vom求导得出：求导得出：PT1max发生在发生在Vom=0.64VCC处。处。（5）最大管耗）最大管耗PTm与与Pom关系关系PTPOPE将将Vom=0.64VCC代入代入PT1表达式表达式：第30页，本讲稿共43页保证保证BJTBJT工作在安全区：工作在安全区：1)PCM CM PT1max T1max=0.2 P0.2 POmaxOmax2)ICM CM Ic1max c1max=V VCC CC/R RL L3)V(BR)CEO(BR)CEO 2V VCCCC并注意保证足够的余量并注意保证足够的余量8.2.4 4 功率功率BJTBJT选择原则：选择原则：ic1i
18、 iO O第31页，本讲稿共43页8.2.5 乙类互补对称电路存在的问题乙类互补对称电路存在的问题实际测试波形实际测试波形仿真波形仿真波形存在交越失真存在交越失真第32页，本讲稿共43页uiuououo 死区电压死区电压Vbe1Vbe2交越失真交越失真乙类电路存在乙类电路存在交越失真交越失真原因是什么？原因是什么？第33页，本讲稿共43页8.3 甲乙类互补对称功率放大电路甲乙类互补对称功率放大电路8.3.1 甲乙类甲乙类双电源双电源互补对称电路互补对称电路8.3.2 甲乙类甲乙类单电源单电源互补对称电路互补对称电路第34页，本讲稿共43页静态偏置静态偏置增加增加 R1、D1、D2、R2支路支路
19、R1D1D2R2+USC-USCULuiiLRLT1T21.克服交越失真的措施：克服交越失真的措施：2.二极管偏置电路二极管偏置电路 克服交越失真的克服交越失真的措施就是避开措施就是避开死区电压区死区电压区，使每一个晶体管处于，使每一个晶体管处于微导通微导通状态。状态。8.3.1 甲乙类双电源互补对称电路甲乙类双电源互补对称电路第35页，本讲稿共43页 静态时静态时:R1D1D2R2+UCC-UCCULuiiLRLT1T2原理：原理：T1、T2两管均处于微弱导通状态两管均处于微弱导通状态D1、D2的正向导通的正向导通动态时：动态时：设设 ui 加入正弦信号。加入正弦信号。正半周正半周T2 截止
20、截止T1 基极电位进一步提高，基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；进入良好的导通状态；负半周负半周T1截止截止T2 基极电位进一步降低，基极电位进一步降低，进入良好的导通状态。进入良好的导通状态。T1导通导通T2导通导通2.二极管偏置电路二极管偏置电路第36页，本讲稿共43页波形特点：波形特点：R1D1D2R2+UCC-UCCULuiiLRLT1T22.二极管偏置电路二极管偏置电路利用二极管进行偏置电路克服交越失真，但是仍有缺利用二极管进行偏置电路克服交越失真，但是仍有缺点缺点：点缺点：偏置电压不易调整偏置电压不易调整第37页，本讲稿共43页VBE可认为是定值可认为是定值3.VBE倍增偏置
21、电路倍增偏置电路B1B2+-BER1R2UIBI 克服交越失真电路中的克服交越失真电路中的D1、D2两二极管两二极管可以用可以用UBE电压倍增电路电压倍增电路替代。替代。合理选择合理选择R1、R2大小，大小，B1、B2间便可间便可得到得到 UBE 任意倍数的电压。任意倍数的电压。图中图中B1、B2分别接分别接T1、T2的基极。假设的基极。假设I IB，则，则C第38页，本讲稿共43页8.3.2 甲乙类单电源互补对称电路甲乙类单电源互补对称电路（OTL）（Output TransformerLess）静态时，偏置电路使静态时，偏置电路使T1微导通，微导通，Vcc对电容对电容C充电达到稳态充电达到
22、稳态VKVCVCC/2。当有信号当有信号ui时时正半周正半周T1导通，有电流通过负载导通，有电流通过负载RL，同时向，同时向C充电充电负半周负半周T2导通，则已充电的电容导通，则已充电的电容C通过负载通过负载RL放电。放电。只要满足只要满足RLC T信信，电容，电容C就可就可充当原来的充当原来的VCC。计算计算Po、PT、PV和和PTm的公式必须的公式必须加以修正，以加以修正，以VCC/2代替原来公式中代替原来公式中的的VCC。K第39页，本讲稿共43页8.4 集成功放集成功放特点：特点：工作可靠、使用方便。只需在器件外部适当连工作可靠、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
23、率。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 实用集成功放简介实用集成功放简介第40页，本讲稿共43页集成功放集成功放 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 678910111
24、213141-接旁路电容（接旁路电容（5 ）9、13-空脚（空脚（NC）8.4 集成功放集成功放第41页，本讲稿共43页集成功放集成功放 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8.4 集成功放集成功放第42页，本讲稿共43页+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放级准互补功放级保险管保险管负载负载8.4 集成功放集成功放第43页，本讲稿共43页