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1、电工学第八章功率放大器第1页，本讲稿共37页第八章 功率放大器(power amplifier)8.1 功功率放大电路的一般问题率放大电路的一般问题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8.3 甲乙类互补对称功放电路甲乙类互补对称功放电路第2页，本讲稿共37页例例1：扩音系统扩音系统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，以驱，以驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、仪表仪表指针偏转等。指针偏转等。功率放大电压放大信号提取8.1功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题第3页，本讲稿共
2、37页1.功率放大电路的主要特点功率放大电路的主要特点 功功率率放放大大电电路路是是一一种种以以输输出出较较大大功功率率为为目目的的的的放放大大电电路路。因因此此，要要求求同同时时输输出出较较大大的的电电压压和和电电流流。管子工作在接近极限状态。管子工作在接近极限状态。2.要解决的问题要解决的问题 提高效率提高效率 减小失真减小失真 一般直接驱动负载，带载能力要强。一般直接驱动负载，带载能力要强。3.提高效率提高效率(efficiency)的途径的途径 降低静态功耗，即减小静态电流。降低静态功耗，即减小静态电流。功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有
3、本质上的区别吗？的区别吗？管子的保护管子的保护第4页，本讲稿共37页4.三极管的三种工作类型三极管的三种工作类型 由由于于静静态态工工作作点点位位置置的的不不同同，三三极极管管根根据据正正弦弦信信号整个周期内的导通情况，可分为几个工作类型：号整个周期内的导通情况，可分为几个工作类型：甲甲类类(class A amplification)：一一个个周周期期内内均均导导通通第5页，本讲稿共37页乙类乙类(class B)：导通角等于导通角等于180甲乙类甲乙类(class AB)：导通角大于导通角大于180第6页，本讲稿共37页用哪种组态的电路作功率放大电路用哪种组态的电路作功率放大电路最合适？最
4、合适？甲类放大电路，电源始终不断地输送功率，静态时这甲类放大电路，电源始终不断地输送功率，静态时这些功率全部消耗在管子和电阻上，并以热量的形式耗些功率全部消耗在管子和电阻上，并以热量的形式耗散出去；有信号时，效率最高只有散出去；有信号时，效率最高只有50%思考思考vCE iCO tiCO QIcmVcem设设“Q”设置在设置在交流负载线中点交流负载线中点VCCICPomax:负载上得到的交流信号功率。负载上得到的交流信号功率。PE：电源提供的直流功率。电源提供的直流功率。第7页，本讲稿共37页甲乙类和乙类放大电路，静态时，电源输出功率很小甲乙类和乙类放大电路，静态时，电源输出功率很小或为零；有
5、信号时，电源提供的功率随之增大，提高或为零；有信号时，电源提供的功率随之增大，提高了电路效率。了电路效率。虽然甲类和乙类放大电路减小了静态功耗，提高了虽然甲类和乙类放大电路减小了静态功耗，提高了效率，但输出波形严重失真。为此为了满足功率放效率，但输出波形严重失真。为此为了满足功率放大的要求，需在电路结构上采取措施。大的要求，需在电路结构上采取措施。用哪种组态的电路作功率放大电路最合适？思考第8页，本讲稿共37页分析功放电路应注意的问题分析功放电路应注意的问题(1)功放电路中电流、电压要求都比较大，功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管的极必须注意电路参数不能超过晶体管
6、的极限值限值:ICM 、VCEM 、PCM。ICMPCMvCEMiCvCE第9页，本讲稿共37页(2)电流、电压信号比较大，必须注意防止电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。波形失真。(3)电源提供的能量尽可能地转换给负载，电源提供的能量尽可能地转换给负载，以减少晶体管及线路上的损失。即注意提以减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（高电路的效率（）。）。第10页，本讲稿共37页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。缺点：缺点：但又会引起截止失真。但又会引起截止失真。8.3 乙类互补对称功率放大电路乙类互补对称功率放大电路既降低既降低Q点又不会
7、引起截止失真的办法：点又不会引起截止失真的办法：互补互补对称射极输出器。对称射极输出器。第11页，本讲稿共37页 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 TransformerLessOCL:Output CapacitorLess互补对称互补对称(complementary symmetry)：电路中电路中采用两支晶体管，采用两支晶体管，NPN、PNP各一支；两管特各一支；两管特性一致。性一致。类型：类型：第12页，本讲稿共37页8.3.1 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 （OCL电路）电路）一、工作原
8、理（设一、工作原理（设vi为正弦波）为正弦波）电路的结构特点：电路的结构特点：vi-VCCT1T2vo+VCCRLiL.由由NPN型、型、PNP型三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。极输出器对接而成。.双电源供电。双电源供电。.输入输出端不加隔输入输出端不加隔直电容。直电容。第13页，本讲稿共37页ic1ic2动态分析：动态分析：vi 0VT1截止，截止，T2导通导通vi 0VT1导通，导通，T2截止截止iL=ic1;iL=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
9、，不需要隔直电容。静态分析：vi=0V T1、T2均不工作均不工作 vo=0Vvi-VCCT1T2vo+VCCRLiL第14页，本讲稿共37页0iC2vCE0iC10iC1互补对称功放电路图解分析互补对称功放电路图解分析vi正半周时正半周时T1的的工作情况工作情况vi整个周期整个周期内内T1、T2的工作情况的工作情况第15页，本讲稿共37页 8.3.2 最大输出功率及效率的计算最大输出功率及效率的计算假设假设 vi 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。VLmax负载上得到的最大功率为：负载上得到的最大功率
10、为：iL-VCCRLviT1T2VL+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：第16页，本讲稿共37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两个三极管的损耗两个三极管的损耗PT两管管耗两管管耗第17页，本讲稿共37页电源提供的直流平均功率计算：每个电源每个电源中的电流为中的电流为半个半个正弦波，其平均值为正弦波，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：tic1第18页，本讲稿共37页效率为：结论：结论：OCL电路效率较高；电路效率较高；第19页，本讲稿共37页8
11、.3.3 功率功率BJT的选择的选择1.最大管耗和最大输出功率的关系最大管耗和最大输出功率的关系令可得，当 时，三极管有最大管耗：第20页，本讲稿共37页2.功率功率BJT的选择的选择（1）每只）每只BJT的最大允许管耗的最大允许管耗PCM必须大于必须大于0.2Pom;（2）考虑到当一只）考虑到当一只BJT导通时，另一只导通时，另一只BJT的的VCE有最大值，等于有最大值，等于2VCC，所以应选用，所以应选用V(BR)CEO2VCC的的管子；管子；（3）通过）通过BJT的最大集电极电流为的最大集电极电流为VCC/RL，所以，所以BJT的的ICM一般不能低于此值。一般不能低于此值。第21页，本讲
12、稿共37页例例1：电路如前图，设：电路如前图，设VCC=12V，RL=8，BJT参数参数ICM=2A，V（BR）CEO=30V，PCM=5W。试求。试求（1）Pom，BJT安全否？（安全否？（2）=0.6时的时的PO。解解:(1)(2)安全安全第22页，本讲稿共37页(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(Crossover distorsion)。乙类放大的特点：乙类放大的特点：vi-VCCT1T2vo+VCCRLiL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非在于晶体管特性
13、存在非线性，线性，vi IB，则，则B1B2+BER1R2VIBI第28页，本讲稿共37页8.4.2 甲乙类单电源互补对称功放电路 （OTL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、静态分析而而 T1、T2 特性对称，特性对称，设：前一级放大电路的设：前一级放大电路的输出使输出使VA=VCC/20.5VCCRLviT1T2+VCCCAUL+-VCE第29页，本讲稿共37页三、动态分析设输入端在设输入端在 0.5VCC 直流电平基础上加入正弦信号。直流电平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，VC基本基本保持在保持在0
14、.5VCC，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交越失真时，T1导通、T2截止；时，T1截止、T2导通。0.5VCCvitviRLT1T2+VCCCAVL+-第30页，本讲稿共37页四、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 vi 幅度足够大。则：幅度足够大。则：vLVLmaxvitt第31页，本讲稿共37页D1D2vi+VCCRLT1T2T3CR1Kb1b2R2ReR3具有偏置电路的具有偏置电路的OTL功放功放T3为前置放大电路，为前置放大电路，T1和和T2为互补对称电路的为互补对称电路的输
15、出级。输出级。静态时：静态时：选择合适的选择合适的R1和和R2，使，使K点电位点电位Vk=VCC/2第32页，本讲稿共37页D1D2vi+VCCRLT1T2T3CR1Kb1b2R2ReR3动态时：动态时：vi负半周，负半周，T1导通，电流导通，电流流过负载流过负载RL，向电容，向电容C充电；充电；vi正半周，正半周，T2导通，已充导通，已充电的电容电的电容C起着负电源的起着负电源的作用，通过负载作用，通过负载RL放电放电只要选择时间常数只要选择时间常数RLC足够大，就可足够大，就可以认为电容以认为电容C可以代可以代替替-VCC的作用的作用第33页，本讲稿共37页D1D2vi+VCCRLT1T2
16、T3CR1Kb1b2R2ReR3存在的问题：存在的问题：理想情况下，负载上的输出理想情况下，负载上的输出电压电压Vom=VCC/2，但实际的，但实际的输出达不到这个值输出达不到这个值当当K点向点向+VCC靠近靠近时，由于时，由于R3和和vBE1的的存在，使存在，使T1的基极的基极电流无法增加很多，电流无法增加很多，限制了限制了T1输向负载输向负载的电流，使的电流，使Vom明显明显小于小于VCC/2第34页，本讲稿共37页D1D2vi+VCCRLT1T2T3CR1Kb1b2R2ReR3C3D自举电路第35页，本讲稿共37页本章小结本章小结 功率放大电路是在电源电压确定的情况下，以输出功率放大电路
17、是在电源电压确定的情况下，以输出尽可能大的不失真的信号功率和尽可能高的转换效率尽可能大的不失真的信号功率和尽可能高的转换效率为组成原则，功放管长工作在极限状态；为组成原则，功放管长工作在极限状态；本章学习要求本章学习要求 掌握下列概念：晶体管的甲类、乙类和甲乙类的工掌握下列概念：晶体管的甲类、乙类和甲乙类的工作状态，最大输出功率，转换效率；作状态，最大输出功率，转换效率；理解功率放大电路的组成原则，理解功率放大电路的组成原则，掌握掌握OCL的工作原的工作原理及其最大输出功率和转换效率的计算方法；理及其最大输出功率和转换效率的计算方法；了解其它功放电路的特点，了解功放管的选择方法。了解其它功放电路的特点，了解功放管的选择方法。第36页，本讲稿共37页 第五章 结束电子技术基础模拟电路部分第37页，本讲稿共37页