第6章低频功率放大器.pptx
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1、第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 6.1 概概 述述 6.1.1 功率放大电路的主要特点 1功率放大电路的任务和特点 基于输出较大功率的基本任务,对功率放大电路的讨论主要针对以下几个方面。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 1)大信号工作状态 为输出足够大的功率,功率放大电路的输出电压、电流幅度都比较大,因此,功率放大管的动态工作范围很大,功放管中的电压、电流信号都是大信号状态,一般以不超过晶体管的极限参数为限度。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 2)非线性失真问题 由于功放管的非线性,功率放大电路又工作在大信号工作状态,必然导致工作过程中会产生较大的非线性失
2、真。输出功率越大,电压和电流的幅度就越大,信号的非线性失真就越严重。因而如何减小非线性失真是功率放大电路的一个重要问题。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 3)提高功率放大电路的效率、降低功放管的管耗 从能量转换的观点来看,功率放大电路提供给负载的交流功率是在输入交流信号的控制下将直流电源提供的能量转换成交流能量而来的。任何电路都只能将直流电能的一部分转换成交流能量输出,其余的部分主要是以热量的形式损耗在电路内部的功放管和电阻上,并且主要是功放管的损耗。对于同样功率的直流电能,转换成的交流输出能量越多,功率放大电路的效率就越高。因为功率大,所以效率的问题就变得十分重要,否则,不仅会带
3、来能源的浪费,还会引起功放管的发热而损毁。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 2功率放大电路的分析方法 由于功率放大电路工作在大信号状态,功放管的非线性将十分明显,因此微变等效模型已经不再适用,通常采用图解分析方法。3主要技术指标 1)最大输出电压幅度Uomax和最大输出电流幅度Iomax:最大输出幅度表示在输出信号不超过规定非线性失真指标情况下,功率放大电路能输出的最大输出电压和电流,用Uomax和Iomax来表示。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 2)输出功率Po和最大不失真输出功率Pom 输出电压有效值与输出电流有效值的乘积定义为输出功率Po。当输入信号为正弦波时,
4、有(6-1)其中Uom和Iom分别为输出电压和电流的峰值。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 最大不失真输出功率指在正弦输入信号时,功率放大电路在满足输出电压、电流波形基本不失真的情况下,放大电路最大输出电压Uomax和最大输出电流Iomax有效值的乘积,记为Pom,即(6-2)第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 3)管耗PV 损耗在功率放大管上的功率叫做功放管的损耗,简称管耗,用PV表示。4)效率 在功率放大电路中,其他元器件的发热损耗较小,所以认为直流电源提供的功率将转换成输出功率、功放管损耗两部分。放大电路的效率定义为放大电路输出给负载的交流功率Po与直流电源提供的功
5、率PE之比,即(6-3)第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 4功放管的保护及散热问题 功率放大电路工作在大信号下,管子的工作电流和电压均为大信号,所以,必须要考虑功率放大管的保护问题,防止管子击穿或损坏。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 6.1.2 功率放大电路的工作状态与效率的关系 提高效率对于功率放大电路来说非常重要,那么,怎样才能最大限度地提高效率呢?在小信号放大电路中,在保证输出信号不失真的情况下,应将放大电路的工作点选得尽可能地低,以便减小静态工作点电流,降低静态功率损耗。损耗小了,电路的效率自然就提高了。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 图6-1
6、低频功率放大电路的三种工作状态(a)甲类工作状态;(b)甲乙类工作状态;(c)乙类工作状态 第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 6.2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路 6.2.1 双电源互补对称电路(OCL电路)采用正、负两个直流电源供电的互补对称电路称为双电源电路。一般,这两个直流电源大小相同,极性相反。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 1乙类双电源互补对称功率放大电路 图6-2为采用正、负双电源的互补对称功率放大电路。我们发现,它和第3章集成运算放大器中介绍的互补对称输出级是一样的。实际上集成运算放大器的输出级也需要在输出一定功率的基础上提高效率,并具有较强
7、的带负载能力,因而也采用互补对称的电路结构。现在,我们以功率放大电路的观点,对这个电路进行更详细的分析。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 图6-2 乙类双电源互补对称功率放大电路 第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 1)电路组成 在这个电路中,和集成运放的输出级一样,有两个互补的三极管NPN管V1和PNP管V2,V1和V2的特性尽可能相同,两个管子接成基极相连、发射极相连的对称的射极输出器形式,所以叫做互补对称功率放大电路。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 2)工作原理 静态时,两管因没有基极偏置而处于截止状态,集电极静态电流约为零(只有很小的穿透电流ICEO
8、),即V1和V2的静态工作点为IC1=IC2=0,UCE1=-UCE2=UCC,设置于截止区内,两功放管属于乙类工作状态,输出电压为零,静态损耗也近似为零。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 2分析计算 功率放大电路是大信号工作,需要用图解法对图6-2的互补对称功率放大电路进行分析。由于电路的互补对称,V1、V2两管一个负责正半周,一个负责负半周,工作过程相似,只是工作电流、电压极性相反,因此只要分析V1或V2的工作情况,就可得到整个电路的工作情况。下面对V1管的工作情况进行图解。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 图6-3 乙类双电源互补对称功率放大电路图解分析(正半周)
9、第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 由图6-3可以很方便地计算出乙类双电源互补对称功率放大电路的输出功率、效率等技术指标。1)输出功率Po和最大不失真输出功率Pom 设输出电压幅度为Uom,当输入正弦信号时,有(6-4)第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 由于本电路是由射极输出器组成,在放大区内,uoui,因此只要输入信号幅度足够大、使管子导通至B点时,忽略功放管的饱和压降,则输出电压幅度近似为电源电压。此时获得了最大输出电压幅度UomaxUimax=UcemaxUCC,最大输出电流幅度Iomax=Icmax1UCC/RL。所以,最大输出功率为(6-5)第第6 6章章 低频
10、功率放大器低频功率放大器 2)直流电源提供的功率PE 由于+UCC和-UCC每个电源只有半周期供电,因此在一周期内的平均电流为 两个电源提供的总功率为(6-6)第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 可见,电源提供的功率随输出信号的增大而增大,这和甲类功放相比有本质的区别。当获得最大不失真输出时,电源提供的最大功率PEM为(6-7)第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 3)效率 根据式(6-4)和式(6-6)可得一般情况下的效率为(6-8)当获得最大不失真输出幅度时,Uom=UomaxUCC,则可得到乙类双电源互补对称功率放大电路的最大效率为(6-9)第第6 6章章 低频功率放大
11、器低频功率放大器 4)管耗PV与功率三极管的选择 在忽略其他元件的损耗时,电源供给的功率与放大器输出功率之差,就是两个管子的管耗。(6-10)第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 故两管的总管耗为 PV=PV1+PV2当(6-11)第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 因为 ,最大管耗可表示为(6-12)当最大管耗发生时,输出功率为(6-13)第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 在实际应用中,功率三极管的选择主要依据以下的原则:第一,每只功率三极管的最大允许管耗PCM必须大于0.2Pom。如要求输出最大功率为10 W,则应选择两只最大集电极功耗PCM2 W的三极管即可
12、,当然还可以适当考虑余量。第二,当V2导通时,V1截止,所以当V2饱和时,UCE1得到最大值2UCC,因此,应选用耐压 U(BR)CEO2UCC的管子。第三,所选管子的ICM应大于电路中可能出现的最大集电极电流UCC/RL。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 5)交越失真 和集成运算放大器的输出级一样,由于功率三极管存在死区电压(硅管约为0.5 V),只有当输入信号的幅值大于0.5 V(对于V2应小于0.5 V)以后,三极管才逐渐导通。因此输出波形在输入信号零点附近的范围出现交越失真,如图6-4所示。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 为了克服交越失真,可以利用PN压降、电
13、阻压降或其他元器件压降给两个三极管的发射结加上正向偏置电压,使两个三极管在没有信号输入时处于微导通的状态。由于此时电路的静态工作点已经上移进入了放大区(为了降低损耗,一般将静态工作点设置在刚刚进入放大区的位置),因此功率放大电路的工作状态由乙类变成了甲乙类。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 图6-4 乙类双电源互补对称功率放大电路的交越失真(a)乙类双电源互补对称功放电路;(b)交越失真波形 第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 3甲乙类双电源互补对称功率放大电路 1)电路组成与工作原理 甲乙类双电源互补对称功率放大电路的原理电路如图6-5所示,V1、V2构成互补对称功率放
14、大电路,V3为输出级的前置级,电流源IC3给V3、VD1和VD2提供静态偏置电流。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 静态时,电流IC3在VD1、VD2上产生静态压降,给V1、V2的发射结提供静态偏置,使V1、V2的静态集电极电流不为0,V1、V2处于甲乙类放大状态,V1的静态工作点如图6-6所示。由于电路结构对称,静态时IC1=IC2,因此RL中无静态电流过,输出电压仍然为零。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 图6-5 甲乙类双电源互补对称功率放大电路 第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 图6-6 甲乙类电路的静态工作点 第第6 6章章 低频功率放大器低频功率
15、放大器 有输入信号时,VD1、VD2 的动态电阻很小,所以VD1、VD2上的交流压降也很小,基本不影响动态特性,可以认为加在两个功放管上的交流信号是一样的。由于V1、V2已经处于导通状态,即使输入信号较小,依然可以被功放管输出给负载,由此消除了交越失真。图6-7为可调偏置电压的互补对称电路,偏置电压UAB的大小为(6-14)第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 只要改变R1、R2的比值,就可以改变V1、V2的偏置电压值,在集成电路中经常可以见到这种电路结构。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 图6-7 偏置可调的甲乙类双电源互补对称功率放大电路 第第6 6章章 低频功率放大器
16、低频功率放大器 2)主要技术指标的计算 由图6-6可以看出,为了提高功率放大电路的效率,在保证消除交越失真的同时,甲乙类电路的静态工作点位置仅比截止区稍高一点,集电极电流依然是一个相当小的数值,因此功率损耗只是略有增加,效率仍接近于原来的乙类互补对称电路,乙类功放的计算公式完全可以适用于甲乙类电路。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 6.2.2 单电源互补对称电路(OTL电路)OCL电路的低频响应好、便于集成化,但需要两个独立的电源,有时使用不太方便。下面介绍可以使用单电源的互补对称功率放大电路,叫做OTL(Output Transformerless,无输出变压器)电路 OTL电路
17、也有乙类和甲乙类的区别,同样,为了消除交越失真,在实际电路中采用了甲乙类功率放大电路。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 图6-8为甲乙类单电源互补对称功率放大电路,V3为前置放大级。和甲乙类OCL电路相比,只用了一个正电源UCC,但在输出端增加了一个大容量的耦合电容C。只要适当选择Rb、Rc和Re的数值,就可以得到一定的IC3,通过两个二极管给功率输出管加上合适的偏置电压,使V1、V2工作在甲乙类状态。静态时,由于输出功率管对称,两管的发射极E点电位为UE=UCC/2,电容C被充电至UCC/2。由于电容C的隔直作用,RL上无电流流过,输出电压为零。第第6 6章章 低频功率放大器低频
18、功率放大器 图6-8 甲乙类单电源互补对称功率放大电路 第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 图6-9 准互补对称功率放大电路 第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 图6-10为桥式互补对称功率放大电路。其电路结构类似于差动放大电路,由两个对称的OTL电路(OCL电路也可)组成。其中V1、V3组成一组互补对称电路,V2、V4组成另一组互补对称电路,负载RL接在两个互补对称电路的输出端E1和E2之间。这样,晶体管V1V4组成了电桥的四个臂,故称为桥式互补对称电路。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 图6-10 桥式互补对称功率放大电路(BTL电路)第第6 6章章 低频功
19、率放大器低频功率放大器 由于电路对称,静态时UE1=UE2=UCC/2,RL上没有电流通过,输出电压uo=0。动态时要求给BTL电路加入一对大小相等,相位相反的输入信号。假设正弦输入信号ui1为正半周,ui2为负半周时,V1、V4导通,V2、V3截止,电流iC14由电源UCC经V1、RL、V4流向地,在负载上的电流方向是从E1到E2,负载上得到了正半周的输出波形。当ui1为负半周,ui2为正半周时,V2、V3导通,V1、V4截止,电流iC23从UCC经V2、RL、V3流向地,负载上流过的电流方向是从E2到E1,得到了负半周的输出波形。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 当ui1为负半
20、周,ui2为正半周时,V2、V3导通,V1、V4截止,电流iC23从UCC经V2、RL、V3流向地,负载上流过的电流方向是从E2到E1,得到了负半周的输出波形。4个功率管分成两组,轮流导通,负载RL获得了一个完整的正弦波输出电压。由于输入一对大小相等、极性相反的正弦输入信号时,E1和E2两点的电位总是大小相等、方向相反的,在忽略管子的饱和压降情况下,负载上获得的最大不失真输出电压约为UCC,是同样的单电源OTL电路的两倍。第第6 6章章 低频功率放大器低频功率放大器 而OCL电路为双电源供电,所以用UCC/2双电源供电的OCL电路才有可比性,那么,BTL电路的最大不失真输出电压仍然是OCL电路
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