電氣系模電課件：第八章功率放大電路

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1、8.1 功率放大電路的一般問(wèn)題功率放大電路的一般問(wèn)題8.3 乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路8.4 甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路8.2 射極輸出器射極輸出器甲類放大的實(shí)例甲類放大的實(shí)例8.1 功率放大電路的一般問(wèn)題功率放大電路的一般問(wèn)題2. 功率放大電路提高效率的主要途徑功率放大電路提高效率的主要途徑1. 功率放大電路的特點(diǎn)及主要研究對(duì)象功率放大電路的特點(diǎn)及主要研究對(duì)象8.1 功率放大電路功率放大電路1功率放大電路的定義功率放大電路的定義 功率放大電路是一種以功率放大電路是一種以輸出較大功率輸出較大功率為目的的放大電路。它一般為目的的放大電路

2、。它一般直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，帶負(fù)載能力要強(qiáng)帶負(fù)載能力要強(qiáng)。2功率放大電路與電壓放大電路的區(qū)別功率放大電路與電壓放大電路的區(qū)別 (1).本質(zhì)相同本質(zhì)相同 電壓放大電路或電流放大電路：主要用于增強(qiáng)電壓幅度或電流幅度。電壓放大電路或電流放大電路：主要用于增強(qiáng)電壓幅度或電流幅度。 功率放大電路功率放大電路: 主要輸出較大的功率。主要輸出較大的功率。但無(wú)論哪種放大電路，在負(fù)載上都同時(shí)存在輸出電壓、電流和功率，從但無(wú)論哪種放大電路，在負(fù)載上都同時(shí)存在輸出電壓、電流和功率，從能量控制的觀點(diǎn)來(lái)看，放大電路實(shí)質(zhì)上都是能量轉(zhuǎn)換電路。因此，功率能量控制的觀點(diǎn)來(lái)看，放大電路實(shí)質(zhì)上都是能量轉(zhuǎn)換電路。因此，功率放

3、大電路和電壓放大電路沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。稱呼上的區(qū)別只不過(guò)是強(qiáng)調(diào)放大電路和電壓放大電路沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。稱呼上的區(qū)別只不過(guò)是強(qiáng)調(diào)的輸出量不同而已。的輸出量不同而已。(2). 任務(wù)不同任務(wù)不同電壓放大電路：主要任務(wù)是使負(fù)載得到不失真的電壓信號(hào)。輸出電壓放大電路：主要任務(wù)是使負(fù)載得到不失真的電壓信號(hào)。輸出的功率并不一定大。在小信號(hào)狀態(tài)下工作的功率并不一定大。在小信號(hào)狀態(tài)下工作.功率放大電路：主要任務(wù)是使負(fù)載得到不失真（或失真較?。┑墓β史糯箅娐罚褐饕蝿?wù)是使負(fù)載得到不失真（或失真較?。┑妮敵龉β?。在大信號(hào)狀態(tài)下工作。輸出功率。在大信號(hào)狀態(tài)下工作。(3).指標(biāo)不同指標(biāo)不同電壓放大電路：主要指標(biāo)是電壓增益、

4、輸入和輸出阻抗電壓放大電路：主要指標(biāo)是電壓增益、輸入和輸出阻抗.功率放大電路：主要指標(biāo)是功率、效率、非線性失真。功率放大電路：主要指標(biāo)是功率、效率、非線性失真。(4).研究方法不同研究方法不同電壓放大電路：圖解法、等效電路法電壓放大電路：圖解法、等效電路法 功率放大電路：圖解法功率放大電路：圖解法 3.功率放大電路的特殊問(wèn)題功率放大電路的特殊問(wèn)題 （1）功率要大功率要大 （2）效率要高效率要高 （3）失真要小失真要小 （4）散熱要好散熱要好 為了獲得大的功率輸出，要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度，因此管子往往在接近極限運(yùn)用狀態(tài)下工作。 所謂效率就是負(fù)載得到的有用信號(hào)功率和電源供給的直

5、流功率的比值。它代表了電路將電源直流能量轉(zhuǎn)換為輸出交流能量的能力. 功率放大電路是在大信號(hào)下工作，所以不可避免地會(huì)產(chǎn)生非線性失真，這就使輸出功率和非線性失真成為一對(duì)主要矛盾。 在功率放大電路中，有相當(dāng)大的功率消耗在管子的集電結(jié)上，使結(jié)溫和管殼溫度升高。為了充分利用允許的管耗而使管子輸出足夠大的功率，放大器件的散熱就成為一個(gè)重要問(wèn)題。 四種工作狀態(tài)四種工作狀態(tài) 根據(jù)正弦信號(hào)整個(gè)周期根據(jù)正弦信號(hào)整個(gè)周期內(nèi)三極管的導(dǎo)通情況劃分內(nèi)三極管的導(dǎo)通情況劃分乙類：乙類：導(dǎo)通角等于導(dǎo)通角等于180甲類：甲類：一個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通一個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通甲乙類：甲乙類：導(dǎo)通角大于導(dǎo)通角大于180丙類：丙類：導(dǎo)通角小于導(dǎo)通角小

6、于1805提高效率的主要途徑提高效率的主要途徑 （1）效率）效率是負(fù)載得到的有用信號(hào)功率（即輸出功率是負(fù)載得到的有用信號(hào)功率（即輸出功率Po）和電源供）和電源供給的直流功率（給的直流功率（PV）的比值。要提高效率，就應(yīng)將電源供給的功率）的比值。要提高效率，就應(yīng)將電源供給的功率大部分轉(zhuǎn)化為有用的信號(hào)輸出功率。大部分轉(zhuǎn)化為有用的信號(hào)輸出功率。 （3） 提高效率的主要途徑是減小靜態(tài)電流從而減少管耗。提高效率的主要途徑是減小靜態(tài)電流從而減少管耗。（2） 在甲類放大電路中，為使信號(hào)不失真，需設(shè)置合適的靜態(tài)工在甲類放大電路中，為使信號(hào)不失真，需設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，保證在輸入正弦信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，都有電流

7、流過(guò)三極管。作點(diǎn)，保證在輸入正弦信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，都有電流流過(guò)三極管。當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，電源供給的功率一部分轉(zhuǎn)化為有用的輸出功率，當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，電源供給的功率一部分轉(zhuǎn)化為有用的輸出功率，另一部分則消耗在管子（和電阻）上，并轉(zhuǎn)化為熱量的形式耗散出另一部分則消耗在管子（和電阻）上，并轉(zhuǎn)化為熱量的形式耗散出去，稱為管耗。甲類放大電路的效率是較低的，可以證明，即使在去，稱為管耗。甲類放大電路的效率是較低的，可以證明，即使在理想情況下，甲類放大電路的效率最高也只能達(dá)到理想情況下，甲類放大電路的效率最高也只能達(dá)到50%。 靜態(tài)電流是造成管耗的主要因素，因此靜態(tài)電流是造成管耗的主要因素，因此如果把靜態(tài)工作點(diǎn)

8、如果把靜態(tài)工作點(diǎn)Q向下移動(dòng)，使信號(hào)等向下移動(dòng)，使信號(hào)等于零時(shí)電源輸出的功率也等于零（或很于零時(shí)電源輸出的功率也等于零（或很?。?，信號(hào)增大時(shí)電源供給的功率也隨?。?，信號(hào)增大時(shí)電源供給的功率也隨之增大，這樣電源供給功率及管耗都隨之增大，這樣電源供給功率及管耗都隨著輸出功率的大小而變，也就改變了甲著輸出功率的大小而變，也就改變了甲類放大時(shí)效率低的狀況。實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想類放大時(shí)效率低的狀況。實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想的電路有乙類和甲乙類放大。的電路有乙類和甲乙類放大。乙類和甲乙類放大主要用于功率放大電乙類和甲乙類放大主要用于功率放大電路中。雖然減小了靜態(tài)功耗，提高了效路中。雖然減小了靜態(tài)功耗，提高了效率，但都出現(xiàn)了嚴(yán)重

9、的波形失真，因此，率，但都出現(xiàn)了嚴(yán)重的波形失真，因此，既要保持靜態(tài)時(shí)管耗小，又要使失真不既要保持靜態(tài)時(shí)管耗小，又要使失真不太嚴(yán)重，這就需要在電路結(jié)構(gòu)上采取措太嚴(yán)重，這就需要在電路結(jié)構(gòu)上采取措施。施。 8.2 射極輸出器射極輸出器甲類放大的實(shí)例甲類放大的實(shí)例簡(jiǎn)化電路簡(jiǎn)化電路帶電流源詳圖的電路圖帶電流源詳圖的電路圖 特點(diǎn)：特點(diǎn)：電壓增益近似為電壓增益近似為1，電流增益很大，可獲得較大的功，電流增益很大，可獲得較大的功率增益，輸出電阻小，帶負(fù)載能力強(qiáng)。率增益，輸出電阻小，帶負(fù)載能力強(qiáng)。 功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。為了獲得大的輸出功率，必須使 輸出信號(hào)電壓大； 輸出信號(hào)電流大；

10、 放大電路的輸出電阻與負(fù)載匹配。 電壓放大器一般工作在甲類，三極管360導(dǎo)電。甲類放大的效率不高，理論上不超過(guò)25%。8.3 乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路功率放大電路8.3.2 分析計(jì)算分析計(jì)算8.3.1 電路組成電路組成8.3.3 功率功率BJT的選擇的選擇（1）電路組成 乙類互補(bǔ)功率放大電路由一對(duì)NPN、PNP特性相同的互補(bǔ)三極管組成。這種電路也稱為OCL互補(bǔ)功率放大電路。 乙類互補(bǔ)功率放大電路及波形（2）工作原理 當(dāng)輸入信號(hào)處于正半周時(shí)，且幅度遠(yuǎn)大于三極管的開(kāi)啟電壓，此時(shí)NPN型三極管導(dǎo)電，有電流通過(guò)負(fù)載RL，按圖中方向由上到下，與假設(shè)正方向相同。 當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)半周

11、時(shí)，且幅度遠(yuǎn)大于三極管的開(kāi)啟電壓，此時(shí)PNP型三極管導(dǎo)電，有電流通過(guò)負(fù) 載RL，按圖中方向由下到上，與假設(shè)正方向相反。于是兩個(gè)三極管一個(gè)正半周，一個(gè)負(fù)半周輪流導(dǎo)電，在負(fù)載上將正半周和負(fù)半周合成在一起，得到一個(gè)完整的不失真波形。RLT1T2+VCC+ui +uo VCCui 0 T1 導(dǎo)通導(dǎo)通 T2 截止截止iC1io = iE1 = iC1, uO = iC1RLui 0 T2 導(dǎo)通導(dǎo)通 T1 截止截止iC1io = iE2 = iC2, uO = iC2RLui = 0 T1 、 T2 截止截止若考慮三極管的開(kāi)啟電壓，輸出波形將產(chǎn)生若考慮三極管的開(kāi)啟電壓，輸出波形將產(chǎn)生交越失真交越失真。 嚴(yán)

12、格說(shuō)，輸入信號(hào)很小時(shí)，達(dá)不到三極管的開(kāi)啟電壓，三極管不導(dǎo)電。因此在正、負(fù)半周交替過(guò)零處會(huì)出現(xiàn)一些非線性失真，這個(gè)失真稱為交越失真。交越失真8.4 甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路放大電路8.4.2 甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路 OTL8.4.1 甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路 OCLBTL互補(bǔ)功率放大電路互補(bǔ)功率放大電路8.4.1 甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路存在的問(wèn)題乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路存在的問(wèn)題OCL(Output Capacitorless)電路是一種沒(méi)有輸出電容器的功率放大電路。電路是一種沒(méi)有輸出電容器的

13、功率放大電路。8.4.1 甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路靜態(tài)偏置靜態(tài)偏置設(shè)設(shè)T3已有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)提高輸入信號(hào)已有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)提高輸入信號(hào)在沒(méi)有Ui時(shí)，T1和T2就已經(jīng)微導(dǎo)通，來(lái)一點(diǎn)點(diǎn)Ui就可以讓T1或T2導(dǎo)通。 正電源+VCC經(jīng)R1、D1、D2、R2到負(fù)電源VCC形成一個(gè)直流電流，使T1和T2的兩個(gè)基極之間產(chǎn)生電壓，電壓的大小等于兩個(gè)二極管的壓降之和。這樣T1T2管處于微導(dǎo)通狀態(tài)。 合理選擇R3、R4的阻值，可以使Ub1、b2得到（1+R3/R4）Ube的直流電壓。 8.4.2 甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路靜態(tài)時(shí)，偏置電路使靜態(tài)時(shí)，偏置電路使VKV

14、CVCC/2（電容（電容C充電達(dá)到充電達(dá)到穩(wěn)態(tài)）穩(wěn)態(tài)）。當(dāng)有信號(hào)當(dāng)有信號(hào)vi時(shí)時(shí)負(fù)半周負(fù)半周T1導(dǎo)通，有電流通過(guò)負(fù)導(dǎo)通，有電流通過(guò)負(fù)載載RL，同時(shí)向，同時(shí)向C充電充電正半周正半周T2導(dǎo)通，則已充電的電導(dǎo)通，則已充電的電容容C通過(guò)負(fù)載通過(guò)負(fù)載RL放電。放電。OTL(Output transformerless )電路是一種沒(méi)有輸出變壓器的功率放大電路。電路是一種沒(méi)有輸出變壓器的功率放大電路。 BTLBTL互補(bǔ)功率放大電路互補(bǔ)功率放大電路BTLBTL（Balanced Transformer LessBalanced Transformer Less平衡時(shí)無(wú)變壓器平衡時(shí)無(wú)變壓器放大電路放大電路)

15、)互補(bǔ)功率放大電路?；パa(bǔ)功率放大電路。它是由兩路功率放大電路和反相比例電路它是由兩路功率放大電路和反相比例電路組合而成，負(fù)載接在兩輸出端之間。兩路功率組合而成，負(fù)載接在兩輸出端之間。兩路功率放大電路的輸入信號(hào)是反相的，所以負(fù)載一端放大電路的輸入信號(hào)是反相的，所以負(fù)載一端的電位升高時(shí)，另一端則降低，因此負(fù)載上獲的電位升高時(shí)，另一端則降低，因此負(fù)載上獲得的信號(hào)電壓得的信號(hào)電壓要增加一倍。要增加一倍。end8.3.2 分析計(jì)算分析計(jì)算圖解分析圖解分析1. 最大不失真輸出功率最大不失真輸出功率Pomax 2)( )2(=L2CESCCL2CESCComaxRVVRVVP 實(shí)際輸出功率實(shí)際輸出功率L2o

16、mLomomooo222=RVRVVIVP 8.3.2 分析計(jì)算分析計(jì)算忽略忽略VCES時(shí)時(shí)L2CComax2RVP 8.3.2 分析計(jì)算分析計(jì)算單個(gè)管子在半個(gè)周期內(nèi)的管耗單個(gè)管子在半個(gè)周期內(nèi)的管耗)(d )(21=0LooCCT1tRvvVP 2. 管耗管耗PT兩管管耗兩管管耗)d( sin)sin(210LomomCCtRtVtVV )d( )sinsin(2102L2omLomCCttRVtRVV )4(12omomCCLVVVR T2T1T=PPP)4(22omomCCLVVVR 3. 電源供給的功率電源供給的功率PV ToV=PPPLomCC2RVV當(dāng)當(dāng)時(shí)，時(shí)， CComVV 2L2CCVmRVP 4. 效率效率 CComVo4=VVPP 當(dāng)當(dāng)時(shí)，時(shí)， CComVV % 78.54 8.3.2 分析計(jì)算分析計(jì)算1. 最大管耗和最大輸出功率的關(guān)系最大管耗和最大輸出功率的關(guān)系因?yàn)橐驗(yàn)?.3.3 功率功率BJT的選擇的選擇)4(12omomCCLT1VVVRP 當(dāng)當(dāng) 0.6VCC 時(shí)具有最大管耗時(shí)具有最大管耗CCom2VV 0.2Pom L2CC2T1m1RVP 選管依據(jù)之一選管依據(jù)之一end