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1、第七章第七章 功率放大电路功率放大电路国家级精品国家级精品课程课程模拟电子技术基础教程模拟电子技术基础教程编写组编写组第七章第七章 功率放大电路功率放大电路7.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题7.2 互补推挽功率放大电路互补推挽功率放大电路 7.3 丁类音频功率放大器丁类音频功率放大器7.集成功率放大器集成功率放大器7.5 功率器件功率器件 7.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题例：例：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，以驱驱动动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、执行机构。如使扬声
2、器发声、继电器动作、仪表仪表指针偏转等。指针偏转等。功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取放大器方框图如下：放大器方框图如下：负载负载(换能器换能器)前前 置置 放大器放大器 功功 率率 放大器放大器信号源 由电压放大电路组成，由电压放大电路组成，不失真地不失真地 提高信号电压幅度提高信号电压幅度 保证信号失真在允许范围，保证信号失真在允许范围，提高输出功率，以驱动负载提高输出功率，以驱动负载7.1 功率放大电路的一般问题功率放大电路的一般问题（1）Pom大大(Uom,Iom)。（2）管子工作于极限状态）管子工作于极限状态PCM、ICM、UBR(CEO)（3）电路工作于大信号）电路工
3、作于大信号图解法分析。图解法分析。（4）高高，失真小。失真小。一、功率放大电路的主要特点一、功率放大电路的主要特点负载上有用负载上有用信号功率信号功率。电源输出功电源输出功率率。二、提高效率途径二、提高效率途径甲乙类放大甲乙类放大半个半个周期以上有电流周期以上有电流。iC/mA t0iC/mAuCE/VQ0iC/mA t0iC/mAuCE/VQ00iC/mA tiC/mAuCE/VQ0既降既降Q又不失真：又不失真：采用采用推挽输出电路，或推挽输出电路，或互补对称射极输出器。互补对称射极输出器。甲类放大甲类放大整个周整个周期内均有电流。期内均有电流。失真小，失真小，低低乙类放大乙类放大半个周半个
4、周期导通有电流。期导通有电流。失真大，失真大，高高RB+VCCC1C2RERLuiuo+VCCRLuiuo7.2 互补推挽功率放大电路互补推挽功率放大电路 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：7.2.1 乙类互补对称功率放大电路乙类互补对称功率放大电路一、一、
5、电路结构特点电路结构特点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.输出端不加隔直电容输出端不加隔直电容（OCL）。）。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，为两个晶体管都只在半个周期内工作，为乙类放大乙类放大。静态分析：静态分析：ui=0V T1、T2均不工作均不工作 uo=0V
6、二、二、电路工作原理电路工作原理三、分析计算三、分析计算静态静态Q：UCE1=VCC,UCE2=-VCC IC1=IC2=0 动态：动态：（1）交流负载线斜率为）交流负载线斜率为-1/RL为分析方便，为分析方便，如图曲线倒置如图曲线倒置成成Q点重合点重合负载斜率相等负载斜率相等且都通过且都通过Q Q点，点，那么合成的负那么合成的负载线成图示的载线成图示的一条直线。一条直线。ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL（2）Uom=Ucem=Uim Iom=Icm=Uom/RL（3）Uom(max)=Ucem(max)=VCC Uces VCC 参数估算(1)输出功率输出功率Po：最大不失真输出功率
7、为最大不失真输出功率为：(2)直流电源供给功率直流电源供给功率PV:(3)效率效率 :(4)管耗管耗：两管管耗两管管耗最大管耗最大管耗此时此时总结：总结：ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL归一化曲线图归一化曲线图(动画动画)四、晶体管选择四、晶体管选择：ui-VCCT1T2uo+VCCRLiLui-VCCT1UCE2 0+VCC(1)PCM 0.2Pomax;(2)|U(BR)CEO2VCC；(3)ICMVCC/RL设设 ，计算：，计算：（1 1）若输入信号有效值为）若输入信号有效值为10V10V，求电路的，求电路的P Po o、P PV V和效率和效率及单管管耗。及单管管耗。（2 2）
8、若若 ，且且输输入入幅幅值值足足够够大大，求负载可能得到的最大功率和效率。求负载可能得到的最大功率和效率。（3 3）求每个管子的极限参数。）求每个管子的极限参数。（4 4）若若 ，且且输输入入幅幅值值足足够够大大，求负载可能得到的最大功率和效率。求负载可能得到的最大功率和效率。例例7.2.1 乙类乙类OCL参数估算参数估算ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL解：解：（1 1）例例7.2.1 乙类乙类OCL参数估算参数估算ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL解：解：（2 2）例例7.2.1 乙类乙类OCL参数估算参数估算（3 3）ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL解：解：（4 4）
9、例例7.2.1 乙类乙类OCL参数估算参数估算ui-VCCT1T2uo+VCCRLiLui-VCCT1T2uo+VCCRLiL交越失真交越失真死区电压死区电压uiuououotttt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。五、交越失真五、交越失真一、一、克服交越失真克服交越失真电路中增加电路中增加 R1、D1、D2、R2支路。支路。R1D1D2R2+VCC-VCCULuiiLRLT1T2 静态时静态时:T1、T2均处于微弱导均处于微弱导通状态；通状态；两管导通时间均比半个周期大一些，为两管导通时间均比半个
10、周期大一些，为“甲乙类放大甲乙类放大”。动态时：动态时：设设ui 加正弦信号加正弦信号 正半周正半周 T2 截止，截止，T1 导通；导通；负半周负半周T1截止，截止，T2 导通。导通。7.2.2 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D1、D2两二极管可以用两二极管可以用UBE电压倍增电路替代。电压倍增电路替代。二、二、UBE电压倍增电路电压倍增电路B1B2+-BER1R2UIBI 合理选择合理选择R1、R2大小，大小，B1、B2间便可得到间便可得到 UBE 任意倍数的任意倍数的电压。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7.2.3
11、准互补对称功率放大电路准互补对称功率放大电路1.增加复合管的目的：增加复合管的目的：扩大电流的驱动能力。扩大电流的驱动能力。2.复合管的构成方式：复合管的构成方式：cbeT1T2ibicbecibic方式一：方式一：一、复合管一、复合管 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：iebecibicie复合管的几种接法复合管的几种接法 T1：电压推动级电压推动级 T2、R1、R2：
12、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。+VCC-VCCR1R2RLuiT1T2T3T4T5T6二、准互补对称功率放大电路二、准互补对称功率放大电路-VEE+VCCERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL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
13、的功率放大器7.2.4 单电源互补对称功率放大电路单电源互补对称功率放大电路一、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：0.5VCCRLuiT1T2+VCCCAUL+-UC三、动态分析三、动态分析设输入端在设输入端在 0.5 VCC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基基本保持在本保持在0.5VCC。负载上得到的交流信号正负负载上得到的交流信号正负半周对称，但存在交越失真。半周对称，但存在交越失真。ic1ic2交越失真交越失真RL
14、uiT1T2+VCCCAUL+-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：uoUomaxuitt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=0.5VCCD1、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，也起限射极负反馈电阻，也起限流保护作用。流保护作用。D1D2
15、ui+VCCRLT1T2T3CRBRe1Re2b1b2A7.丁类音频功率放大器丁类音频功率放大器丁类功放：丁类功放：放大元件处于开关工作状态。无信号输放大元件处于开关工作状态。无信号输入时截止；有信号输入时入时截止；有信号输入时饱和。饱和。优点：效率高，发热少。优点：效率高，发热少。适用于电池供电的便携式电子设备及大功率电适用于电池供电的便携式电子设备及大功率电子设备中，提供音频功率，也称音频放大器，或称子设备中，提供音频功率，也称音频放大器，或称数字音频放大器数字音频放大器7.丁类音频功率放大器丁类音频功率放大器PWM调制器：调制器：将模拟音频信号变成一系列宽度受将模拟音频信号变成一系列宽度
16、受到调制的等幅脉冲信号。到调制的等幅脉冲信号。开关输出级：开关输出级：把调制器输出的把调制器输出的PWM信号变成高电信号变成高电压、大电流的大功率压、大电流的大功率PWM信号。信号。低通滤波器：低通滤波器：将大功率将大功率PWM波形中的音频信号还波形中的音频信号还原出来。原出来。一、一、电路组成电路组成7.丁类音频功率放大器丁类音频功率放大器二、二、工作原理工作原理7.丁类音频功率放大器丁类音频功率放大器（）效率高：（）效率高：理想情况下可达理想情况下可达100。导通：电流很大但压降很小；导通：电流很大但压降很小；截止：承受的压降很大但电流很小。截止：承受的压降很大但电流很小。无论导通还是截止
17、，管耗均很小。无论导通还是截止，管耗均很小。（2）失真小）失真小原始音频信号的信息包含在脉冲信号的宽度中原始音频信号的信息包含在脉冲信号的宽度中（非幅度；放大过程中脉冲信号幅度上的失真并不（非幅度；放大过程中脉冲信号幅度上的失真并不会使原始音频信号产生失真。会使原始音频信号产生失真。三、三、特点特点.4 集成功率放大器集成功率放大器特点：特点：工作可靠、使用方便。只需在器件外部适当工作可靠、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。连线，即可向负载提供一定的功率。7.4.1 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
18、：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 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 678910111213141-接旁路电容（接旁路电容（5 ）9、13-空脚（空脚（NC）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
19、 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.4 集成功率放大器集成功率放大器7.4.2 集成音频放大器集成音频放大器MAX9712：生产厂家：生产厂家：MAXIM公司公司电路形式：电路形式：丁类音频放大器丁类音频放大器输出功率：输出功率：8 负载上可得到负载上可得到500mW功率功率效率效率：高于高于85音频放大器音频放大器MAX9712管脚说明管脚说明:1-电源端（电源端（VDD）4-接地端（接地端（GND）2、3 同、反相同、反相 输入端输入端 8、-输出端输出端 -关断输入关断输
20、入10、7-H桥电源和功率地桥电源和功率地-频率选择及外部时钟输入频率选择及外部时钟输入两个两个MAX9712可组成立体声放大器可组成立体声放大器使两个器件的开关使两个器件的开关频率同步频率同步主器件主器件从器件从器件本章小结本章小结（1 1）在电源电压确定的情况下，功放的组成原在电源电压确定的情况下，功放的组成原则是在失真允许的范围内尽可能地提高输出功则是在失真允许的范围内尽可能地提高输出功率和转换效率。率和转换效率。（2 2）由于功放管工作在大信号极限状态，通常采）由于功放管工作在大信号极限状态，通常采用图解法分析用图解法分析（3 3）低频功放管常见的工作状态有甲类、乙类、）低频功放管常见
21、的工作状态有甲类、乙类、甲乙类。其中乙类的转换效率高。为进一步提甲乙类。其中乙类的转换效率高。为进一步提高效率，还可使功放管工作于丁类放大状态。高效率，还可使功放管工作于丁类放大状态。本章小结本章小结（4 4）乙类）乙类OCLOCL的参数估算：的参数估算：本章小结本章小结（5 5）乙类）乙类OCLOCL的功放管的选择：的功放管的选择：PCM 0.2Pomax;U(BR)CEO2VCC；ICMVCC/RL本章小结本章小结（6 6）乙类的）乙类的OCLOCL电路存在交越失真，可使管子电路存在交越失真，可使管子工作在甲乙类（尽量接近乙类），但参数估工作在甲乙类（尽量接近乙类），但参数估算仍按乙类的有
22、关公式。算仍按乙类的有关公式。（7 7）OTLOTL电路参数估算需将乙类电路参数估算需将乙类OCLOCL的公式中所的公式中所有有VCC用用0.50.5VCC代替。代替。（8 8）丁类放大器效率高，发热少，特别适合用）丁类放大器效率高，发热少，特别适合用于电池供电的便携式电子设备及大功率电子于电池供电的便携式电子设备及大功率电子设备中，用于放大音频信号。设备中，用于放大音频信号。本章小结本章小结（9 9）集成功率放大器具有失真度小、效率高、）集成功率放大器具有失真度小、效率高、功能齐全、有保护功能，外接元件少、易于功能齐全、有保护功能，外接元件少、易于安装使用等特点，在音响设备、电视设备及安装使用等特点，在音响设备、电视设备及自动控制设备中得到了广泛的应用。自动控制设备中得到了广泛的应用。（1010）在集成功放日益发展的同时，大功率器）在集成功放日益发展的同时，大功率器件也发展迅速。功率件也发展迅速。功率BJTBJT、MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT等等均是常用的大功率器件，它们具有不同的特均是常用的大功率器件，它们具有不同的特点和应用场合，使用时也要注意散热和保护点和应用场合，使用时也要注意散热和保护与工作原理与工作原理 第七章第七章 The END模拟电子技术基础教程模拟电子技术基础教程课件制作组：课件制作组：王友仁、李东新、姚睿、林华王友仁、李东新、姚睿、林华