低频功率放大器(课件.pptx
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1、L M Ma14.1 概述概述4.2功率放大器的组成和工作特性功率放大器的组成和工作特性4.3 互补推挽功率放大器互补推挽功率放大器4.4 功率放大器的保护电路功率放大器的保护电路4.5 其它形式的功放电路其它形式的功放电路第四章、低频功率放大器第四章、低频功率放大器返回主目录返回主目录L M Ma2 在多路放大电路末级、集成功率放大器、集成运算放大器等模拟集成电路的输出级,往往要求有较高的输出功率或要求具有较大的输出动态范围以驱动下一级负载,如音箱等。4.1、概述概述这类主要用于向负载提供功率的放大电路称为功率放大电路。L M Ma34.1.1 功率放大器的主要指标功率放大器的主要指标 1.
2、输出功率输出功率Po 功率放大器应在输出不失真的情况下给出最大的交流输出功率Po以推动负载工作。为此,功放管一般工作在大信号状态,以不超过管子的极限参数(ICM、BVCEO、PCM)为限度。这就使功放管安全工作成为功率放大器的重要问题。L M Ma4 2.效率效率 功率放大器的效率定义为功率放大器的输出信号功率Po直流电源供给功率放大器功率PE之比,用表示,即:功率放大器要求高效率地工作,一方面是为了提高输出功率,另一方面是为了降低管耗。直流电源供给的功率除了一部分变成有用的信号功率以外,剩余部分变成晶体管的管耗PC(PC=PE-Po)。管耗过大将使功率管发热损坏。所以,对于功率放大器,提高效
3、率也是一个重要问题。L M Ma5 3.非线性失真非线性失真 功率放大器为了获得足够大的输出功率,需要大信号激励,从而使信号动态范围往往超出晶体管的线性区域,导致输出信号失真。因此减小非线性失真,成为功率放大器的又一个重要问题。概括起来说,要求功率放大器在保证晶体管安全运用的情况下,获得尽可能大的输出功率、尽可能高的效率和尽可能小的非线性失真。L M Ma6由由于于功功率率放放大大电电路路的的输输出出电电压压和和输输出出电电流流都都很很大大,信信号号作作用用的的范范围围进进入入了了晶晶体体管管特特性性的的非非线线性性区区,所所以以在在分分析析时时不不可可再用再用微变等效电路微变等效电路,而应,
4、而应采用图解法采用图解法。L M Ma74.1.2、功率放大器的分类、功率放大器的分类 放大电路按三极管在一个信号周期内导通时间的不同,可分为甲类、乙类以及甲乙类放大。功率放大电路类型很多,目前电子电路中广泛采用乙类(或者甲乙类)互补对称功率放大电路。L M Ma8 在一个周期内,管子只有半个周期有电流流通的,称为乙类放大。在整个输入信号周期内,管子都有电流流通的,称为甲类放大。若一个周期内有半个多周期内有电流流通,则称为甲乙类放大。t0icT(a)t0icT(b)T2T2t0ic(c)T2T2t0ic(d)T2T2图 4-1放大器工作状态的类型(a)甲类;(b)乙类;(c)甲乙类;(d)丙类
5、 若一个周期内有小于半个多周期内有电流流通,则称为丙类放大。L M Ma9 甲类放大的优点是波形失真小,但由于静态工作点电流大,故管耗大,放大电路效率低,所以它主要用于小功率放大电路中。乙类与甲类放大由于管耗小,放大电路效率高,在功率放大电路获得广泛应用。由于乙类与甲乙类放大输出波形失真严重,所以在实际电路中均采用两管轮流导通的推挽电路来减少失真。前面所讨论的放大电路主要用于增大电压幅度(通常称为电压放大电路),一般输入、输出信号幅度都比较小,故均采用甲类放大。L M Ma104.2.1 乙类推挽功率放大器的工作原理乙类推挽功率放大器的工作原理4.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算乙类推挽功
6、率放大器的分析计算4.2.3 乙类推挽功率放大器的非线性失真乙类推挽功率放大器的非线性失真4.2 互补推挽功率放大器互补推挽功率放大器L M Ma11一一.电路和工作原理电路和工作原理 OCL(Output Capacitor Less,无输出电容)互补对称式功率放大电路,简称OCL电路,如图所示。4.2.1、乙类双电源互补对称功率放大电路OCL互补对称式功率放大电路(互补对称式功率放大电路(OCL电路)电路)RLV1V2UEOCL电路L M Ma12 静态,即ui=0时,由于两管特性对称,供电电源对称,两管射极电位UE=0,V1、V2均截止,电路中无功率损耗,此时电路不消耗功率。RLV1V2
7、UE两个三极管的静态电流均为0。这种只在信号半个周期内导通的工作状态称为乙类工作状态。动态时:忽略发射结死区电压,在ui的正半周内,V1导通,V2 截止。V1以射极输出器的形式将正方向的信号变化传递给负载。电流方向如图中实线箭头所示。工作原理:L M Ma13由于V1、V2管轮流导通,相互补足对方缺少的半个周期,RL上仍得到与输入信号波形相接近的电流和电压。故称这种电路为乙类互补对称放大电路。又因为静态时公共发射极电位为零,不必采用电容耦合,故又简称OTL电路。在正半周期,V1导通,V2截止最大输出电压幅度受V1管饱和的限制,约为+UCC。在负半周期,V2导通,V1截止。V2以射极输出器的形式
8、将负方向的信号变化传递给负载。电流方向如图中虚线箭头所示。最大输出电压幅度受V2管饱和的限制,约为-UCC。RLV1V2UEL M Ma14(b)OCL电路的工作波形t0t00tt0t0L M Ma15在如图电路中,尽管两只三极管都只在半个周期内导通(工作在乙类状态),但它们交替工作,使负载得到完整的信号波形。这种形式称为“互补”。射极输出器输出电阻很低,所以,互补对称放大电路具有较强的负载能力,即它能向负载提供较大的功率,实现功率放大作用,所以又把这种电路称为乙类互补对称功率放大电路。L M Ma16 该电路的特点是:电路简单,效率高,低频响应好,易集成化。缺点是:电路输出的波形在信号过零的
9、附近产生失真(见图(b))。由于三极管输入特性存在死区,在输入信号的电压低于导通电压期间(-0.7V0.7V),V1和V2都截止,输出电压为零,出现了两只三极管交替波形衔接不好的现象,故出现了图(b)中的失真,这种失真称为“交越失真。”2.输出功率和效率输出功率和效率 在OCL电路中,每只三极管集电极静态电流为零,因而该电路效率高。L M Ma17 1)输出功率Po 当输入正弦信号时,每只三极管只在半周期内工作,忽略交越失真,并设三极管饱和压降UCES=0,在UomUCC时输出电压幅度最大。最大交流输出功率为:式中,Iom为集电极交流分量电流最大值,Uom为三极管c、e极间交流电压最大值。其中
10、L M Ma182)每个直流电源提供的功率两个直流电源提供的总功率L M Ma193)效率OCL电路的效率为 其中,Po为电路输出功率,PDC为直流电源提供的功率。OCL电路最高效率为L M Ma20 4)管耗:直流电源送入电路的功率,一部分转化为输出功率,另一部分则损耗在三极管中。L M Ma21 3、乙类互补对称功率放大器的非线性失真乙类互补对称功率放大器的非线性失真 1)乙类互补对称功放乙类互补对称功放电路对偶次谐波的抑制电路对偶次谐波的抑制 在推挽放大器中,若两管的特性完全一致,那么它们的电流、电压波形完全对称,这样,iC1、iC2可分别写成iC2=I0+Icm1cos(1t+1)+I
11、cm2cos(21t+2+2)+Icmncos(n1t+n)+iC1=I0+Icm1 cos(1t+1)+Icm2cos(21t+2)+Icmncos(n1t+n)+L M Ma22iL=iC1-iC2=2Icm1cos(1t+1)+2Icm3cos(31t+3)+可见输出电流(或电压)中没有偶次谐波成分,即推挽电路可以抑制偶次谐波。实际上由于两管特性的差异及电路的不完全对称,输出电流(或电压)中总会有些偶次谐波成分,这就要求尽量精选配对管子,减小非线性失真。L M Ma23在乙类互补对称放大器中,由于V1、V2管没有基极偏流,静态时,当输出信号小于晶体管的死区电压时,管子仍处于截止状态。因此
12、,在输入信号的一个周期内,V1、V2轮流导通时形成的基极电流波形在过零点附近一个区域内出现失真,从而使输出电流和电压出现同样的失真,这种失真称为“交越失真”。如下图:L M Ma24uBE2iB1uBE1iB2uittiB乙类互补对称功率放大电路的交越失真L M Ma25 为了消除交越失真,可分别给两个晶体管的发射结加很小的正偏压,是两管在静态时均处于微导通状态,两管轮流导通时,交替得比较平滑,从而减小了交越失真。但此时管子已工作在甲乙类放大状态。实际电路中,静态电流通常取得很小,所以这种电路仍可以用乙类互补对称电路的有关公式近似估算输出功率和效率等指标。4.2.2、甲乙类互补对称功率放大电路
13、L M Ma26+Vcc-VEEV1V2R3V4R1R2R4(b)利用放大电路进行偏置的电路甲乙类互补对称功率放大电路如下图:RL利用二极管进行偏置的电路+Vcc-VEEV1V2VD1V3RC3(a)VD2Re3uiRLL M Ma27t00tt0当ui为负半周期时,经V3倒相加在V1和V2的基极,使V1导通,V2截止.电流经C流向RL,同时对电容C进行充电RL利用二极管进行偏置的电路+Vcc-VEEV1V2VD1V3RC3(a)VD2Re3uiC工作原理:L M Ma28t00tt0当ui为正半周期时,经V3倒相加在V1和V2的基极,使V导通,V截止.电流经C流向V2,电容C充当电源对V2进
14、行放电RL+Vcc-VEEV1V2VD1V3RC3(a)VD2Re3uiC电容C要足够大,使电容的充放时间远大于ui的周期.这样在ui周期变化的过程中,uc基本不变,从而使负载RL上 获得稳定的交流电.L M Ma29 由图可以看出,在相同激励信号作用下,丙类功放集电极电流的流通时间最短,一个周期平均功耗最低,而甲类功放的功耗最高。分析表明,相同输入信号下如果维持输出功率不变,4类功放的效率满足:甲甲乙乙Ta)。显然,可见,当Ta、RT一定时,功放管的最高结温Tjmax对应着集电极最大允许功耗PCM,式中,Tjmax取决于管子的半导体材料。锗管的Tjmax约为75100;硅管约为(175200
15、)。L M Ma33一般来说,环境温度越高,其允许最大的集电极功耗越小。手册上给出的PCM是在环境温度为25 条件下得到的。在设计功放电路时,为了安全工作起见,常取最高环境温度下的集电极最大允许功耗PCM(Tamax)的90作为功耗的极限值,即对于大功率晶体管一般需要加散热板以改善散热条件,减小热阻,从而提高PCM。PC0.9PCM(Tamax)L M Ma344.3.2 保护电路保护电路 从前面的讨论中可以看出,管耗PC过大将导致功放管损坏,限制管耗即可有效地保护功放管。限制管耗的常用方法是限制流过功效管集电极的电流(即输出电流Io)。基于这一思路,功放保护电路的常见形式如图所示。图中所示电
16、路中采用二极管输出限流保护电路。VD3、VD4是附加的限流二极管。正常情况下,VD3、VD4不起作用。L M Ma35输出级保护电路 (a)二极管保护;(b)三极管保护Ui ECV1UoVD2VD1RRLRe3 EE(b)V3V4V2Re2IoV5Ui ECV1UoVD2VD1VD4VD3R1V3RLRe2Re3 EE(a)V2L M Ma36 如果正向电流过大,则RE2上的压降增大,使VD3正向偏置,由截止变为导通,从而分去V2的一部分基极电流,使输出电流减小。最大输出电流约为 如果设 UD30.6 V,RE2=10,则Iomax60 mA。由于UD30.6 V,具有负的温度系数,因此当环境
17、温度升高时,二极管的正向电压降低,从而使输出电流的最大值也相应减小,这也有利于控制功放管的结温不致于升高。如果负向电流过大,则VD4导通,其保护原理不再赘述。L M Ma37*4.4.1 单电源供电的互补推挽电路单电源供电的互补推挽电路*4.4.2 准互补推挽功率放大器准互补推挽功率放大器*4.4.3 桥式平衡功率放大器桥式平衡功率放大器*4.4.4 场效应管功率放大器场效应管功率放大器*4.4.5 具具有有输输出出自自举举作作用用的的功功放放电电路路*4.4.6 集成功放电路集成功放电路*4.4 其它形式的功放电路其它形式的功放电路L M Ma384.4 其他形式的功放电路其他形式的功放电路
18、 4.4.1 单电源供电的互补推挽电路单电源供电的互补推挽电路 双电源互补推挽电路有时使用不便,因此提出单电源供电的互补推挽电路,如图所示。V1组成激励级,工作在甲类放大状态。V2、V3组成互补推挽功放级,输出端通过大电容C2与负载RL相接。由V1的静态电流在电阻R4两端产生的电压UBB为2、V3提供正向偏置电压,以消除交越失真。L M Ma39OTL电路UiR1 ECR2R3R4BBC3UEV1V2V3C2ic2ic3RLC1L M Ma40 C3用来旁路R4,使加到V2、V3基极的激励信号电压相等。调整激励级V1的静态工作点(改变电阻R1),使B点电位UB约等于EC/2+0.7V,则UE=
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