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1、第第9章章 功率放大器功率放大器本讲稿第一页，共三十五页基基础础运放的内部运放的内部电电路路结结构构 输入级输出级中间级偏置电路输入端反相同相u-uuo负载运放符号A 复习复习 本讲稿第二页，共三十五页9.1 9.1 功率放大电路的特点功率放大电路的特点（交流电压）（交流电压）（交流电流）交流电流）主要作用是向负载提供输出功率的放大电路主要作用是向负载提供输出功率的放大电路,称功率放大电路，简称称功率放大电路，简称功放功放。9.1.1 9.1.1 功率放大电路的基本概念功率放大电路的基本概念2.2.输出功率输出功率 输出功率是指输出功率是指交流功率。交流功率。直流成份产生的功率直流成份产生的功
2、率1.1.功率放大电路定义功率放大电路定义交流功率交流功率=本讲稿第三页，共三十五页1.1.输出功率要足够大输出功率要足够大 设输入信号是某一频率的正弦信号设输入信号是某一频率的正弦信号,则输出功率表达式为：则输出功率表达式为：式中式中Io、Uo均为有效值。均为有效值。9.1.2 9.1.2 功率放大电路的要求功率放大电路的要求代入代入输出功率表达输出功率表达公式，则：公式，则：2/omoUU=omo2/II=ooomUIP=omomomUIP21=如用幅值表示：如用幅值表示：；omPomIomU是最大输出功率是最大输出功率是负载是负载RL上的最大输出电流上的最大输出电流是负载是负载RL上的最
3、大输出电压上的最大输出电压可见，要提高输出功率，必须提高可见，要提高输出功率，必须提高交流交流输出电压和输出电压和交流交流输出电流。输出电流。本讲稿第四页，共三十五页2.2.效率要高效率要高放大器实质上是一个能量转换器放大器实质上是一个能量转换器。电源供给的电源供给的直流能量直流能量交流信号的交流信号的能量能量转换效率：转换效率：%100=Eom PPh hh h：转换效率转换效率om P:电路最大输出功率电路最大输出功率EP:电源提供的直流功率电源提供的直流功率E P=VCC IC本讲稿第五页，共三十五页3.3.非线性失真要小非线性失真要小在大信号工作状态下在大信号工作状态下,三极管是非线性
4、器件三极管是非线性器件,产生非线性失真产生非线性失真非线性失真系数非线性失真系数：谐波总量和基波成分之比。谐波总量和基波成分之比。最大输出功率最大输出功率,是在无失真的条件下讲的是在无失真的条件下讲的。本讲稿第六页，共三十五页9.2 9.2 提高输出功率的途径提高输出功率的途径9.2.1 9.2.1 提高电源电压提高电源电压9.2.2 9.2.2 选大功率管选大功率管9.2.3 9.2.3 增加散热增加散热措施措施9.2.4 9.2.4 过电流、过电压的保护措施过电流、过电压的保护措施如如:低频大功率管低频大功率管3AD6允许最大功耗允许最大功耗Pom 为为 1W不加散热片时：不加散热片时：加
5、装散热片后：加装散热片后：(120mm120 mm4 mm)Pom可达到可达到 10 W 3AD6加装散热片本讲稿第七页，共三十五页9.3.1 9.3.1 放大器的工作状态放大器的工作状态1.1.分析方法分析方法 图解法。图解法。9.3 9.3 提高电路效率的途径提高电路效率的途径 假设为最理想条件：假设为最理想条件：无截止区无截止区 无饱和区无饱和区 交、直流负载线合一交、直流负载线合一 特性曲线水平特性曲线水平A B0 Q ICQ iC (mA)UCEQ uCE(V)ic UCE(V)UCE M t 0 ICM CCV 本讲稿第八页，共三十五页9.3.1 9.3.1 放大器的工作状态放大器
6、的工作状态2.2.甲类工作状态甲类工作状态(方式方式)电源随时提供功率；电源随时提供功率；如图示。如图示。（1 1）特点）特点:晶体管在信号的整个晶体管在信号的整个 周期内均处于导通状态；周期内均处于导通状态；当信号源为当信号源为“0”“0”时，时，所有电源功率都降在所有电源功率都降在 放大元件和电阻上；放大元件和电阻上；电路效率电路效率25%25%。i(mA)A B0 Q ICQ C UCEQ uCE(V)ic UCE(V)UCE M t 0 ICM CCV 本讲稿第九页，共三十五页（2 2）电路效率估算）电路效率估算即为即为AMQ的面积。的面积。电源提供的直流功率电源提供的直流功率 即为即
7、为 0MNB的面积值的面积值,放大电路最大输出功率放大电路最大输出功率 效率效率:A B0 Q ICQ iC (mA)UCEQ uCE(V)ic UCE(V)UCE M t 0 ICM CCV MN本讲稿第十页，共三十五页特点特点:A 0 Q ICQ iC (mA)uCE(V)ic UCE(V)UCE M t 0 ICM 3.3.乙类工作状态乙类工作状态(方式方式)如图示。如图示。Q Q 点降至最低，点降至最低，ICQ=0；晶体管仅在信号的半个晶体管仅在信号的半个 周期内处于导通状态；周期内处于导通状态；电路效率电路效率78.5%；严重失真。严重失真。特点：特点：本讲稿第十一页，共三十五页特点
8、特点:A 0 Q iC (mA)uCE(V)ic UCE(V)t 0 4.4.甲乙类工作状态甲乙类工作状态(方式方式)如图示。如图示。严重失真。严重失真。特点：特点：Q Q 点稍向上移；点稍向上移；晶体管在信号的大半个晶体管在信号的大半个 周期导通。周期导通。电路效率低于电路效率低于78.5%；介于甲、乙类之间的状态。介于甲、乙类之间的状态。本讲稿第十二页，共三十五页5.5.改变放大器工作状态改变放大器工作状态(方式方式)提高效率提高效率电路效率可达电路效率可达78.5%；使放大器工作于使放大器工作于乙类状态乙类状态 使放大器工作于甲使放大器工作于甲乙类状态乙类状态采用两个晶体管对称的电路结构
9、和轮流导通的方法保证信号完整。采用两个晶体管对称的电路结构和轮流导通的方法保证信号完整。电路效率略低于电路效率略低于78.5%；采用两个晶体管对称的电路结构和轮流导通的方法保证信号完整，采用两个晶体管对称的电路结构和轮流导通的方法保证信号完整，并可克服乙类交越失真问题。并可克服乙类交越失真问题。本讲稿第十三页，共三十五页9.3.2 9.3.2 选择最佳负载选择最佳负载 RLRLRL(1)(1)负载选择对输出功率负载选择对输出功率 与效率有直接关系与效率有直接关系(2)(2)功放电路的负载值功放电路的负载值 不可随意变动不可随意变动,尤其不可随意减小尤其不可随意减小!图中图中 AM 线对应的线对
10、应的 RL 为最为最佳负载；佳负载；RL RL RL 设设放大器工作在乙类状态放大器工作在乙类状态 本讲稿第十四页，共三十五页9.4 9.4 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路 9.4.1 9.4.1 乙类互补对称电路乙类互补对称电路(OTL(OTL电路电路)1.1.结构特点结构特点 NPN+PNP:结构对称结构对称 且且两管参数对称两管参数对称OTL:OTL:无变压器功率放大电路无变压器功率放大电路(Output Transformerless)Output Transformerless)无变压器无变压器当当调整调整R1、R2 ，使静态下使静态下 UE=VCC/2 时时,R1R2EU
11、C=VCC/2 输出回路有一大电容输出回路有一大电容 C 使用单一电源使用单一电源 VCC本讲稿第十五页，共三十五页(1)输入电压输入电压 ui 的正半周的正半周 能源能源:VCC 电路状态电路状态:T1 导通导通;T2 截止截止 T1 管电流管电流 iC1:流经流经 RL形成形成 uO 正半周正半周;iC1通路通路:VCCT1CRL地地 2.工作原理工作原理R1R2 放大器工作于放大器工作于乙类状态乙类状态。电流方向正向电流方向正向 uO 正正半周半周:uO 0;uO ui 0tt0uo本讲稿第十六页，共三十五页(2)输入电压输入电压ui的负半周的负半周 能源能源:C 储电储电 电路状态电路
12、状态:T2导通导通;T1 截止截止 T2 管电流管电流 iC2:流经流经 RL形成形成 uO负半周负半周;iC2通路通路:C T2地地RL C ui 0tuO 0tR1R2 uO 负半周负半周:uO 0;电流方向反向电流方向反向本讲稿第十七页，共三十五页(3)电容电容 C 须足够大须足够大 OTL电路中只有电容电路中只有电容 C 足够大，足够大，才能认为电容才能认为电容C上电压基本不变，上电压基本不变，可提供负半周足够的能源。可提供负半周足够的能源。ui 0tuO 0tR1R2 本讲稿第十八页，共三十五页(4)电路输出特性电路输出特性又称推挽式放大器。又称推挽式放大器。UCE M tA ICQ
13、 iC1 (mA)ic 0 1 ICM 0Q uO(V)iC2 (mA)VCC /2uCE02T1:NPNT2:PNP-1/RLR1R2 本讲稿第十九页，共三十五页2.输出功率与效率估算输出功率与效率估算（1）功率估算功率估算UCE M tA ICQ iC1 (mA)ic 01 ICM 0Q uO(V)iC2 (mA)VCC /2uCE02T1:NPNT2:PNP-1/RL当输入信号足够大时，当输入信号足够大时，UCEM VCC/2；则：；则：本讲稿第二十页，共三十五页2.输出功率与效率估算输出功率与效率估算（2）效率估算效率估算UCE M tA ICQ iC1 (mA)ic 01 ICM 0
14、Q uO(V)iC2 (mA)VCC /2uCE02T1:NPNT2:PNP-1/RL本讲稿第二十一页，共三十五页3.3.乙类互补对称电路的缺点乙类互补对称电路的缺点 -交越失真交越失真交越失真：交越失真：由晶体管输入特性曲线可知，由晶体管输入特性曲线可知，由于发射结存在死区电压，所以由于发射结存在死区电压，所以ui比比较小时，较小时，ib 约为约为0，使，使Ic、uce 发生变发生变形，称为交越失真。形，称为交越失真。R1R2Eib0ib=f（u be）u be本讲稿第二十二页，共三十五页9.4.2 OTL9.4.2 OTL甲乙类互补对称电路甲乙类互补对称电路1.1.电路结构电路结构 如图如
15、图.2.2.作用作用减小交越失真减小交越失真改善输出波形改善输出波形.3.3.工作原理工作原理(1)(1)静态时静态时(ui=0),),两三极管两三极管 均处于微通状态均处于微通状态;(2)(2)静态时静态时(ui=0),),iL=iC1-iC2=0,uo=0R、D1、D2 提供直流偏置电压提供直流偏置电压放大器工作于放大器工作于甲甲乙类状态乙类状态。本讲稿第二十三页，共三十五页(3)(3)动态时动态时,如图。如图。由于由于D1、D2 动态电阻很小，且动态电阻很小，且 R 很小，很小，故加在故加在B1、B2上的幅值约等；上的幅值约等；所以：所以：ui 正半周：正半周：T1 进一步导通工作进一步
16、导通工作;T2 滞后截止；滞后截止；iB1 iC1 iL ui 负半周：负半周：T2 进一步导通工作进一步导通工作;T1 滞后截止；滞后截止；iB2 iC2 -iL 本讲稿第二十四页，共三十五页9.4.3 OCL9.4.3 OCL甲乙类互补对称电路甲乙类互补对称电路OCL:OCL:无电容功率放大电路无电容功率放大电路(Output Capacitorless)1.OCL电路要求：电路要求：（1 1）正负双电源供电）正负双电源供电（2 2）较多采用复合管，）较多采用复合管，以便于既满足管型对称，以便于既满足管型对称，又较易匹配管子参数。又较易匹配管子参数。BX本讲稿第二十五页，共三十五页2.OC
17、L电路工作波形电路工作波形本讲稿第二十六页，共三十五页9.5 9.5 采用复合管的互补对称功率放大电路采用复合管的互补对称功率放大电路 9.5.1 9.5.1 复合管复习复合管复习 1.两个相同类型的晶体管组成复合管时两个相同类型的晶体管组成复合管时:复合管与原来的管型相同，复合管与原来的管型相同，复合管的复合管的 1 2 复合管的复合管的 rbe=rbe1+（1+1）rbe2本讲稿第二十七页，共三十五页2.2.两个不同两个不同类类型的晶体管型的晶体管组组成复合管成复合管时时:复合管的复合管的类类型决定于前面一个晶体管，型决定于前面一个晶体管，复合管的复合管的 1 2 复合管的复合管的 rbe
18、=rbe1 本讲稿第二十八页，共三十五页9.5.2 9.5.2 复合管式功率放大电路复合管式功率放大电路 本讲稿第二十九页，共三十五页9.6 9.6 集成功率放大器集成功率放大器 9.6.1 9.6.1 内部电路组成简介内部电路组成简介 DG4100系列单片集成功放内部电路。由三级直接耦合放大电路和一级互补对称放大电路构成,并由单电源供电,输入及输出均通过耦合电容与信号源和负载相连,是OTL互补对称功率放大电路。本讲稿第三十页，共三十五页DG4100集成功放集成功放与外接元件总电路图与外接元件总电路图 本讲稿第三十一页，共三十五页9.3.2 DG4100集成功放的典型接线法集成功放的典型接线法
19、 DG4100本讲稿第三十二页，共三十五页OCL准互补对称功率放大电路准互补对称功率放大电路 本讲稿第三十三页，共三十五页本本 章章 小小 结结1.功率放大器定义：功率放大器是一种能向负载提供较大信号功率为主要目的的功率放大器是一种能向负载提供较大信号功率为主要目的的放大电路。放大电路。2.性能特点输出功率大输出功率大电路的效率高电路的效率高3.提高功放电路输出功率的方法提高电源电压提高电源电压选择合适的器件选择合适的器件改善器件的散热条件改善器件的散热条件4.4.提高电路效率的途径提高电路效率的途径从功放管工作状态上解决从功放管工作状态上解决甲类放大状态甲类放大状态乙类放大状态乙类放大状态效
20、率可达78.5%交越失真甲乙类放大状态甲乙类放大状态本讲稿第三十四页，共三十五页5.互补对称功率放大电路（推挽式）利用利用NPNNPN和和PNPPNP两只参数对称的三极管，两只参数对称的三极管，连接成推挽式输出电路形式，连接成推挽式输出电路形式，在输入信号控制下，两管轮流导通，并向负载提供在输入信号控制下，两管轮流导通，并向负载提供相反方向的电流，使输出电压形成完整的正弦波形。相反方向的电流，使输出电压形成完整的正弦波形。推挽式电路推挽式电路使用单电源使用单电源需接容量较大的电容器需接容量较大的电容器采用直接藕合输出采用直接藕合输出需要双电源供电，需要双电源供电，要求电路对称，要求电路对称，尽量避免静态工作点失调或器尽量避免静态工作点失调或器件损坏件损坏OCL OCL 电路电路OTL OTL 电路电路本讲稿第三十五页，共三十五页