《低頻功率放大器》PPT課件.ppt

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1、第5章,低頻功率放大器,458,5.1概述,5.1.1功率放大器的主要指標(biāo),5.1.2功率放大器的分類,,459,5.1.1功率放大器的主要指標(biāo),功率放大：以輸出功率為重點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載。,電壓放大：不失真地增大輸出信號(hào)電壓幅度，以驅(qū)動(dòng)功放。,功率放大實(shí)質(zhì)上也是能量轉(zhuǎn)換電路，它的主要特點(diǎn)就是工作在大信號(hào)狀態(tài)下。,,1.預(yù)備知識(shí),電壓放大和功率放大有不同的特點(diǎn)及指標(biāo)要求，在多級(jí)放大器中，電壓放大器處于前置級(jí)和中間級(jí)，而功率放大處在末級(jí)（也可能包括末前級(jí)），以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。,460,效率η：放大器的輸出信號(hào)功率與直流電源供給功率之比。,2.主要指標(biāo),功率放大器在線性區(qū)能夠向負(fù)載提供的最大交流功率。,a.工

2、作在線性區(qū)；,,（1）輸出功率,注意：,b.提供的最大交流功率（管子充分利用或稱盡限運(yùn)用）。,：直流電源供給集電極和偏置電路等直流功率之和。,晶體管集電極效率：輸出功率Po與電源供給集電極的直流功率之比。,（2）功率放大器的效率η和晶體管集電極效率,461,2.主要指標(biāo),,直流電源供給功率一部分變成了有用的輸出信號(hào)，剩余的部分主要變成了晶體管的管耗，即：,（3）非線性失真,由于功放工作在大信號(hào)狀態(tài)下，所以很容易導(dǎo)致輸出信號(hào)產(chǎn)生非線性失真。要求功放產(chǎn)生的非線性失真盡可能小。,結(jié)論：,功率放大器的任務(wù)是:在確保晶體管安全運(yùn)用情況下，獲得盡可能大的輸出功率，盡可能高的效率和盡可能小的非線性失真。,4

3、62,,5.1.2功率放大器的分類,,功率放大器根據(jù)功放管的導(dǎo)通時(shí)間的長(zhǎng)短進(jìn)行分類。,（1）甲類（A類）工作狀態(tài),在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)晶體管都是導(dǎo)通的。,（2）乙類（B類）工作狀態(tài),在輸入信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通。,,463,,,5.1.2功率放大器的分類,,（3）甲乙類（AB類）工作狀態(tài),是介于甲類和乙類之間的工作狀態(tài)，晶體管導(dǎo)通的時(shí)間大于半個(gè)周期，但小于一個(gè)周期。,（4）丙類（C類）工作狀態(tài),晶體管導(dǎo)通的時(shí)間小于半個(gè)周期。,464,5.1.2功率放大器的分類,,（5）丁類（D類）工作狀態(tài),此時(shí)，晶體管處于開關(guān)狀態(tài)，即在輸入信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)飽和導(dǎo)通；在另外半個(gè)周期內(nèi)，晶體管截止。,飽和導(dǎo)

4、通：,五類功放的效率滿足下式：,465,,5.2互補(bǔ)推挽功率放大器,,引言：甲類單管功放簡(jiǎn)介,,設(shè)變壓器為理想的,需要強(qiáng)調(diào)指出的是，對(duì)于甲類功率，PU是一常數(shù)，與輸入信號(hào)的大小無關(guān)。即使輸入信號(hào)為零，直流電源還照樣提供直流功率，因此效率很低。,,466,5.2互補(bǔ)推挽功率放大器,5.2.1乙類推挽功率放大器的工作原理,5.2.2乙類推挽功率放大器的分析計(jì)算,,5.2.3乙類推挽功率放大器的非線性失真,467,,采用乙類的原因：由于晶體管只在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，因此晶體管的集電極靜態(tài)電流，所以一個(gè)周期內(nèi)晶體管的平均功耗小。,5.2.1乙類推挽功率放大器的工作原理,顯然，集電極電流產(chǎn)生了嚴(yán)重的非線性失

5、真,選用兩只特性完全相同的異型晶體管，輪流工作在乙類狀態(tài)。,如何解決非線性失真和高效率的矛盾？,,從而在負(fù)載上獲得完整的輸出波形。,468,,1.電路結(jié)構(gòu),（1）和是一對(duì)對(duì)稱的異型晶體管；,（2）和分別與負(fù)載組成射極跟隨器；,（3）采用兩組電源供電。,,兩管交替工作，一只在輸入信號(hào)正半周導(dǎo)通，另一只在負(fù)半周導(dǎo)通，猶如一推一挽，在負(fù)載上合成完整的波形。,469,2.工作原理,注：以下的分析中不考慮門限電壓。,電路,,兩管基極的靜態(tài)電位為零,,兩管均截止,,,470,2.工作原理,電路,,導(dǎo)通，截止,與組成射極跟隨器,,在上得到上半周波形,,,輸入信號(hào)在正半周的情況,471,,2.工作原理,電路,

6、,導(dǎo)通，截止,與組成射極跟隨器,,在上得到下半周波形,,,輸入信號(hào)在負(fù)半周的情況,472,,2.工作原理,,,473,5.2.2乙類推挽功率放大器的分析計(jì)算,組合特性曲線,,,,,1.組合特性曲線,由于功放電路工作在大信號(hào)狀態(tài)下，不能采用微變等效電路分析，必須采用圖解法分析。為了便于分析，將VT1的特性曲線倒置在VT2特性曲線的下方，它們的靜態(tài)工作點(diǎn)重合。,474,,,工作原理分析,,,475,2.輸出功率,,不考慮uCES時(shí)，輸出功率是ΔAQO的面積，此時(shí)輸出功率最大。,,,,兩個(gè)晶體管的輸出功率為：,定義電壓利用系數(shù),,,即忽略晶體管的飽和壓降,結(jié)論：,通常所指的輸出功率是指在線性區(qū)得到的

7、最大輸出功率。如一功率放大器輸出功率為10W，就是這個(gè)意思。實(shí)際輸出功率與激勵(lì)信號(hào)的大小有關(guān)。,476,3.直流電源供給晶體管集電極的直流功率,,直流電源供給晶體管集電極的直流功率是由兩個(gè)電源供給的，由于每個(gè)晶體管只導(dǎo)通半周期，故流過每個(gè)集電極的電流為半個(gè)周期的非正弦波。,可見，輸入信號(hào)越大，即ξ越大，需要提供的直流電源供給功率PU就越大；反之，輸入信號(hào)越小，需要提供的直流電壓功率就越小。當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，直流電源不需要提供功率。,這說明電源供給的直流功率不是恒定不變的，而是根據(jù)輸入信號(hào)大小而變化。因此乙類功放的效率高（與甲類進(jìn)行比較）。,477,4.集電極效率,ηcmax稱為理論極限效率。,

8、,,可見，乙類推挽功放的集電極效率與電壓利用系數(shù)ξ成正比。,478,5.對(duì)晶體管的要求,（1）集電極功耗Pc：每管的集電極損耗。,通過管耗的表達(dá)式可以畫出和ξ的關(guān)系曲線,能否認(rèn)為輸入信號(hào)越大越大），管耗就越大呢？,,上式均是對(duì)兩管而言的，而集電極功耗是對(duì)每一管子而言的。,管耗也與ξ有關(guān)。,,在選管時(shí)，為了保證晶體管安全工作，可以以此作為選管依據(jù)。,,,479,5.對(duì)晶體管的要求,處于截止?fàn)顟B(tài)的晶體管的c極和e極之間承受的反壓,,（3）集電極最大允許電流,指功放管導(dǎo)通時(shí)，流過管子的最大電流。,（2）反向擊穿電壓,結(jié)論：,為確保晶體管安全工作，必須同時(shí)滿足上面的三個(gè)條件。,圖示的雙電源供電的互補(bǔ)推

9、挽功率放大器稱為OCL（OutputCapacitorLess)電路。,，導(dǎo)通，截止，情況一樣。,480,例5－1一雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路如圖所示，設(shè)已知UCC=12V,RL=16Ω,輸入信號(hào)為正弦波，求（1）忽略飽和壓降時(shí)，負(fù)載得到的最大輸出功率Pomax；(2)每個(gè)管子的PCM至少為多少？(3)每個(gè)管子的耐壓為多少？,,,,解：,(2)每管允許承受的管耗：,故要求管子允許的最大管耗為：,(3)每管的耐壓為：,481,例5－2電路如圖所示，電源電壓UCC＝20V，RL＝8Ω，試計(jì)算當(dāng)輸入信號(hào)為正弦信號(hào)，且有效值為10V時(shí)，電路的輸出功率、管耗、直流電源供給功率和效率。,,解：,導(dǎo)通時(shí)，VT1和V

10、T2均構(gòu)成共集電路，因此,輸出功率：,每管實(shí)際承受的管耗：,482,直流電源供給的功率：,應(yīng)當(dāng)指出，由于輸入信號(hào)偏小，這時(shí)電路未處于充分利用或盡限運(yùn)用，輸出功率未達(dá)到線性區(qū)最大輸出功率，故效率偏低。,483,5.2.3乙類推挽功率放大器的非線性失真,,1.推挽電路對(duì)偶次諧波的抑制,推挽電路中，若兩管的特性完全一致，則其電壓、電流波形也完全對(duì)稱。,可見，對(duì)稱的電路可以消除偶次諧波成分。,484,,2.交越失真及消除方法,理想傳輸特性（不考慮門限電壓）,（1）傳輸特性,在實(shí)際傳輸特性中，必須考慮三極管發(fā)射結(jié)的門限電壓值。,,可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)的絕對(duì)值小于0.7V時(shí)，沒有輸出，因此輸出信號(hào)會(huì)出現(xiàn)明

11、顯的失真。,,是NPN管的集電極飽和電壓,傳輸特性的斜率為什么為1？,485,2.交越失真及消除方法,,,交越失真,,實(shí)際傳輸特性及輸出電壓波形如圖所示：,（2）交越失真,交越失真是指發(fā)生在信號(hào)穿越過零點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的失真。,486,,2.交越失真及消除方法,由圖看出，交越失真是由晶體管發(fā)射結(jié)門限電壓引起的，因此，若能給兩個(gè)晶體管發(fā)射結(jié)加入適當(dāng)?shù)恼蚱秒妷?使每個(gè)管子導(dǎo)通時(shí)間略超過T/2，以克服兩管發(fā)射結(jié)死區(qū)電壓的影響，就可以消除交越失真。,原理電路,（3）消除交越失真的方法,a.改為甲乙類工作狀態(tài),交越失真,該圖是原理電路，實(shí)際上，在集成電路中，正向偏置不會(huì)直接采用電壓源的方式，可以用電阻、二極

12、管和三極管等元器件來提供。,,圖中，給兩個(gè)晶體管加入了同樣的正偏電壓，由于此時(shí)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間已大于半個(gè)周期，因此此時(shí)的工作狀態(tài)是甲乙類工作狀態(tài)。但由于其工作狀態(tài)十分接近于乙類，故仍可按乙類的功放進(jìn)行分析。,487,,,2.交越失真及消除方法,,實(shí)際電路1：,實(shí)際電路2：,顯然，在該電路中，正向偏壓是由和的正向電壓提供。,電容是保證在交流時(shí)，加在和基極的輸入信號(hào)是相同的。,在該電路中，是放大級(jí)，和構(gòu)成互補(bǔ)推挽功放，正向偏壓是利用流過的直流電流在上產(chǎn)生的壓降提供的。,488,,2.交越失真及消除方法,,實(shí)際電路3：,恰當(dāng)選擇電阻R1、R2，使IB1可以忽略不計(jì)，則,調(diào)整R1、R2比值，即可獲得某

13、一倍數(shù)UBE的UBB，因此該電路又稱為UBE倍增電路。,在該電路中，是放大級(jí)，和、組成恒壓源電路，為和提供正向偏壓，以消除交越失真。,489,,2.交越失真及消除方法,,b.使用負(fù)反饋電路,在功率放大器前引入一級(jí)電壓放大器（在本圖中引入了集成運(yùn)放），并構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋。,設(shè)死區(qū)電壓為0.7V，則引入負(fù)反饋后，死區(qū)電壓為0.7V/A0。A0為集成運(yùn)放開環(huán)增益。,R1是用來限制放大器A的輸出電流，但同時(shí)RL又是靠R1上的電流來驅(qū)動(dòng)的。,,490,小結(jié),乙類工作狀態(tài)的矛盾,,互補(bǔ)推挽功放,電路結(jié)構(gòu),工作原理,電流波形圖,組合特性曲線,性能指標(biāo),非線性失真,,,,工作原理,,性能指標(biāo)計(jì)算,極限參數(shù)選

14、擇,,交越失真,消除方法,,491,5.3其它形式的功放電路,5.3.1單電源供電的互補(bǔ)推挽電路,5.3.2準(zhǔn)互補(bǔ)推挽功率放大器,5.3.3橋式平衡功率放大器,5.3.4集成功放電路,5.3.5丁類音頻功率放大器,,492,5.3.1單電源供電的互補(bǔ)推挽電路,1.原理電路,雙電源供電的互補(bǔ)推挽電路需要兩組正負(fù)電源，有時(shí)使用不便，因此提出了單電源供電電路。,,,,,當(dāng)電容C的容量很大時(shí)，對(duì)C的充放電時(shí)間遠(yuǎn)大于信號(hào)的半個(gè)周期。因此，當(dāng)兩管輪流導(dǎo)通時(shí)，電容兩端電壓基本不變。,493,,5.3.1單電源供電的互補(bǔ)推挽電路,2.實(shí)際電路結(jié)構(gòu),,電路中只采用了一組電源供電；VT1是放大級(jí)，工作在甲類狀態(tài)。

15、,VT2和VT3構(gòu)成互補(bǔ)推挽功放，R4用來消除交越失真，C3用來旁路R4，使加到VT2、VT3的基極的激勵(lì)信號(hào)相等。,VT2和VT3的輸出通過電容C2和負(fù)載相接。,,494,5.3.1單電源供電的互補(bǔ)推挽電路,,,3.工作原理,調(diào)整VT1的靜態(tài)工作點(diǎn)，使,,由于C2的容量很大，因此C2充放電的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于信號(hào)的半個(gè)周期，所以兩管輪流導(dǎo)通時(shí)，電容兩端的電壓基本不變恒等于UCC/2，相當(dāng)于直流電源電壓，于是對(duì)VT2、VT3每管工作時(shí)的直流電源電壓均為UCC/2。。,495,5.3.1單電源供電的互補(bǔ)推挽電路,,4.性能指標(biāo),該電路的性能指標(biāo)計(jì)算等同于OCL電路，只是此時(shí)的等效電源電壓為UCC/2

16、。,,圖示的單電源供電的互補(bǔ)推挽功率放大器稱為OTL(OutputTransformerLess)電路。,496,,,,,5.3.2準(zhǔn)互補(bǔ)推挽功率放大器,①?gòu)?fù)合管類型以第一個(gè)晶體管為準(zhǔn)；②應(yīng)保證兩管的基極電流能流通；③第一管的C、E不能和第二管的B、E接在一起。,1.復(fù)合管,,將兩只或兩只以上的晶體管按照一定的原則連接在一起，以實(shí)現(xiàn)一定的目的。,（1）等效為NPN管,,（2）等效為PNP管,,（3）連接原則：,497,,5.3.2準(zhǔn)互補(bǔ)推挽功率放大器,,2.準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路,VT5作為放大管，工作在甲類工作狀態(tài)。,VT1、VT3以復(fù)合管的方式構(gòu)成NPN管。,VT2、VT4以復(fù)合管的方式構(gòu)成PNP

17、管。,注：VT3和VT4是同型管子，所以不具互補(bǔ)性，互補(bǔ)作用是由VT1和VT2實(shí)現(xiàn)的。,Re1和Rc2的作用是為了減小復(fù)合管的穿透電流。,498,,5.3.3橋式平衡功率放大器（BTL電路),,該功率放大器是為了解決輸出功率和電源電壓之間的矛盾而提出的。,該電路最大的特點(diǎn)就是“推”和“挽”可以同時(shí)工作，因此實(shí)現(xiàn)了單電壓下的大功率輸出。,,,忽略飽和壓降時(shí)，負(fù)載的輸出電壓幅度為。,,,忽略飽和壓降時(shí)，負(fù)載的輸出電壓幅度為。,負(fù)載一定時(shí)，BTL電路的輸出功率可達(dá)到OTL電路的四倍。,499,5.3.4集成功放電路,,,,,,,,,,,,,,(1)LM380內(nèi)部電路,LM380是單電源供電的集成功放

18、。,500,5.3.4集成功放電路,,(2)LM380外接引腳,501,5.3.5丁類音頻功率放大器,MOS管的出現(xiàn)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,,丁類音頻功放,,提高放大器的效率及系統(tǒng)穩(wěn)定性等,,502,,1.PWM開關(guān)功率放大器工作原理,PWM：脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation),組成框圖：,,（1）PWM信號(hào)的產(chǎn)生,脈寬調(diào)制器將音頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖寬度正比于其輸入信號(hào)瞬時(shí)幅度的信號(hào),503,,1.PWM開關(guān)功率放大器工作原理,,(2)開關(guān)功率放大器,開關(guān)管VT1和VT2輪流導(dǎo)通，以開關(guān)方式工作，即工作于可變電阻區(qū)和截止區(qū)兩種狀態(tài)。,工作于可變電阻區(qū)：,開關(guān)管導(dǎo)通電阻,由于在可

19、變電阻區(qū)時(shí)，流過管子的電流可以很大，但漏源間的電壓很小，因此開關(guān)管的導(dǎo)通電阻很小，故效率很高。,(3)低通濾波器,只要取樣頻率足夠高，就越容易濾除PWM信號(hào)中的諧波分量，恢復(fù)出音頻信號(hào)，但取樣頻率也不宜過高，應(yīng)滿足,504,,2.實(shí)際電路,單片無需濾波器的D類音頻功率放大器TPA2005D1,差分輸入狀態(tài),,505,5.4功率器件、散熱及保護(hù)電路,5.4.1功率器件,5.4.2功放管的管耗與散熱,5.4.3保護(hù)電路,,506,在型硅襯底上生長(zhǎng)出一層外延層，區(qū)共同構(gòu)成漏區(qū)，在其上引出漏極（d極）；在外延層上摻雜擴(kuò)散形成P層及層，以此為源極區(qū)并在其上引出源極(s極)；最后利用光刻技術(shù)刻蝕出縱向的V

20、型槽，在整個(gè)表面氧化生成SiO2層，并在V型槽表面蒸發(fā)一層金屬層形成柵極（g極）。,5.4.1功率器件,,（1）功率MOSFET,大功率MOSFET管采用縱向?qū)щ姕系?，稱為VMOSFET。,VVMOS管結(jié)構(gòu)圖,507,5.4.1功率器件,（2）絕緣柵雙極型功率管IGBT,這是一種將MOS管和雙極型晶體管組合而成的功率器件。,NMOS復(fù)合管的構(gòu)成及符號(hào),PMOS復(fù)合管的構(gòu)成及符號(hào),,IGBT具有大電流、高電壓、低功耗、高輸入電阻、小驅(qū)動(dòng)電流等特點(diǎn)。,508,（1）集電極功耗與環(huán)境溫度的關(guān)系,5.4.2功放管的管耗與散熱,熱功率：,,,,,集電極功耗Pc：管子在給負(fù)載輸送功率的同時(shí)，本身所消耗的功

21、率。,功放管的管耗是通過熱傳導(dǎo)的形式以散熱的方式消耗掉的。,熱傳導(dǎo)：熱能從高溫點(diǎn)向低溫點(diǎn)傳送的現(xiàn)象。,對(duì)于功放管而言,則當(dāng)環(huán)境溫度和熱阻一定時(shí)，功放管的最高結(jié)溫對(duì)應(yīng)集電極的最大允許功耗。,Si材料允許的最高結(jié)溫約為150Ge材料允許的最高結(jié)溫約為70－90,509,例5－3：要求設(shè)計(jì)一功率放大器，其輸出功率為100W，工作溫度為-40C～+50C，假設(shè)選用的硅管其TJM＝150C,試問應(yīng)如何選擇管子的PCM？,解：,由于工作溫度越高，允許的最大集電極功耗就越小，因此以最高工作溫度下的功耗來求取。,故可查手冊(cè)選用PCM=30W，甚至更大的管子。,510,5.4.2功放管的管耗與散熱,,（2）功放管的散熱,511,5.4.3保護(hù)電路,限制管耗即可以有效地保護(hù)功放管，因此只要限制流過集電極地電流，就可以限制管耗。,（1）二極管保護(hù)電路,最大輸出電流為：,,512,5.4.3保護(hù)電路,,（2）三極管保護(hù)電路,