模電第九章功率放大電路

1、第九章第九章 功率放大電路功率放大電路 9.1 功率放大電路概述功率放大電路概述 9.2 互補(bǔ)功率放大電路互補(bǔ)功率放大電路 9.3 集成功率放大電路集成功率放大電路9.1.1 功率放大電路概述功率放大電路概述 （多級放大電路的輸出級）多級放大電路的輸出級） 1. 功率放大電路的特點(diǎn)功率放大電路的特點(diǎn)功率放大電路（Power Amplifier）主要有以下三個(gè)特點(diǎn)： 1） 根據(jù)負(fù)載要求，提供盡可能大的輸出功率功率放大電路提供給負(fù)載的信號功率稱為輸出功率。當(dāng)輸入正弦信號時(shí)， 在輸出波形不超過規(guī)定的非線性失真范圍的情況下，放大電路最大輸出電壓和最大輸出電流有效值的乘積稱為最大輸出功率最大輸出功率Po

2、m，即 Pom=UoIo 9.1 功率放大電路概述功率放大電路概述 2） 具有較高的效率 從前面的分析可知，所有的放大電路實(shí)質(zhì)上都是能量變換器。負(fù)載上所得到的信號功率實(shí)際上是由直流電源通過放大器件轉(zhuǎn)換而來的。當(dāng)供給功率放大電路的直流電源功率一定時(shí)，為了向負(fù)載提供盡可能大的功率，就必須減小損耗，因此提高功率放大電路的能量轉(zhuǎn)換效率是一個(gè)重要問題。 功率放大電路的轉(zhuǎn)換效率效率是最大輸出功率與電源所提供的功率之比，用表示，即式中, PV為直流電源所提供的功率。 VomPP 3） 盡量減小非線性失真 在功率放大電路中，為了使輸出功率盡可能大，三極管一般都工作在極限狀態(tài)，瞬時(shí)工作點(diǎn)將運(yùn)動到接近于管子的飽和

3、區(qū)和截止區(qū)， 輸出信號不可避免地會有非線性失真，而且輸出功率越大，非線性失真越嚴(yán)重。因此必須注意功放管的正確選擇， 要保證管子的最大耗散功率PCM、最大集電極電流ICM、最大管壓降U(BR)CEO不超過限定范圍，使管子工作在安全工作區(qū)。 由于功率放大電路中的三極管通常都工作在大信號狀態(tài)， 因此在進(jìn)行分析時(shí)，一般不采用小信號等效電路法，而是采用圖解法進(jìn)行功放電路的靜態(tài)和動態(tài)分析。 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 功率放大電路的形式很多，按放大電路不同的工作狀態(tài)， 可分為甲類放大、 乙類放大、甲乙類放大。 在前面所討論的電壓放大電路中，輸入信號在整個(gè)周期內(nèi)都有電

4、流流過放大器件，這種工作方式稱為甲類放大， 其工作狀態(tài)如圖3-24（a）所示，由圖可見iC0。 在甲類放大電路中，直流電源所提供的功率在沒有信號輸入時(shí)， 全部消耗在管子和電阻上；當(dāng)有信號輸入時(shí)，一部分轉(zhuǎn)化為有用的輸出功率，另一部分消耗在器件上?？梢宰C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50%。 怎樣才能使電源所提供的功率盡可能多地轉(zhuǎn)化為有用的信號輸出功率呢？要想提高放大電路的效率，只有減小損耗。從甲類放大電路可知，靜態(tài)電流是造成管耗的主要因素。如果把靜態(tài)工作點(diǎn)向下移動，使信號等于零時(shí)，電源的輸出功率也等于零（或很?。?， 信號增大時(shí)電源供給的功率也隨之增大， 這樣電源所提供的

5、功率和管耗都會隨著輸出功率的大小而變化。 利用圖3-24（b）和（c）所示工作情況，可以實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想。 在圖3-24（b）中，有半個(gè)周期以上iC0，稱為甲乙類放大；圖3-24（c）中，一個(gè)周期內(nèi)只有半個(gè)周期iC0，稱為乙類放大。 甲乙類和乙類放大雖然減小了靜態(tài)功耗，提高了效率， 但是由于工作點(diǎn)偏下，會出現(xiàn)嚴(yán)重的波形失真，因此，既要保持靜態(tài)時(shí)管耗小，又要使波形不產(chǎn)生嚴(yán)重失真， 就必須改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)。 圖 3-24 Q點(diǎn)下移對工作狀態(tài)的影響(a) 甲類放大； (b) 甲乙類放大； (c) 乙類放大 iCiCOtOICQQiB 常數(shù)uCE(a)iCiCOICQQiB 常數(shù)tuCE(b)O圖 3-24

6、Q點(diǎn)下移對工作狀態(tài)的影響(a) 甲類放大； (b) 甲乙類放大； (c) 乙類放大 圖 3-24 Q點(diǎn)下移對工作狀態(tài)的影響(a) 甲類放大； (b) 甲乙類放大； (c) 乙類放大 tiCiCuCEOQiB 常數(shù)(c)O1） 變壓器耦合功率放大電路 圖 3-25 變壓器耦合乙類推挽功率放大電路 V1V2iC1UCCiLRLuiTr1Tr2iC2uo 圖中Tr1為輸入變壓器，Tr2為輸出變壓器，三極管V1、V2特性完全相同，且接成對稱射極輸出器形式。當(dāng)輸入電壓ui為零時(shí)，由于V1、V2管的發(fā)射極電壓為零，均處于截止?fàn)顟B(tài)， 因此電源所提供的功率為零，負(fù)載上的電壓也為零，兩只管子的管壓降均為UCC。

7、當(dāng)輸入電壓ui為正半周時(shí)，V1管導(dǎo)通，V2管截止，電流iC1如圖中實(shí)線所示；當(dāng)輸入電壓ui為負(fù)半周時(shí)， V1管截止，V2管導(dǎo)通，電流iC2如圖中虛線所示。這種V1和V2管在電路中輪流導(dǎo)通的方式稱為“推挽”工作方式。雖然兩個(gè)三極管的集電極電流iC1和iC2均只有半個(gè)正弦波，但是經(jīng)變壓器耦合后，負(fù)載RL上的電流iL和輸出電壓uo的波形是整個(gè)正弦波。 圖 3-26 OTL電路 V1V2CiC2RLui UCCuoiC1UCC/2 2） 無輸出變壓器的功率放大電路 變壓器耦合的功率放大電路優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)阻抗變換，但是其體積龐大、 笨重， 消耗有色金屬，高頻和低頻特性差， 因此目前廣泛應(yīng)用的是無輸出變壓

8、器的功率放大電路（Output TransfomerLess），簡稱OTL電路， 如圖3-26所示。OTL電路用一個(gè)大電容取代了變壓器，采用特性對稱、類型不同的兩個(gè)三極管V1和V2，其中一個(gè)為NPN型，另一個(gè)為PNP型。 靜態(tài)時(shí)，前級電路應(yīng)使基極電壓為UCC/2，所以兩管的發(fā)射極電壓也為UCC/2，則電容上的電壓也等于UCC/2，極性如圖3-26所示。 設(shè)電容容量足夠大，對交流信號視為短路，三極管b-e間的開啟電壓忽略不計(jì)。在ui的正半周，V1管導(dǎo)通，V2管截止，電流iC1從UCC流出，經(jīng)V1管和電容C后流過負(fù)載RL到公共端，方向如圖中實(shí)線所示。由于V1管和負(fù)載RL組成的電路為射極輸出形式，

9、故輸出電壓uoui；在ui的負(fù)半周，V1管截止，V2管導(dǎo)通，電流iC2由電容C的正極流出，經(jīng)V2管和負(fù)載RL回到電容C的負(fù)極， 方向如圖中虛線所示。V2管也以射極輸出形式將負(fù)半周信號傳送給RL，即uoui。這樣負(fù)載RL上得到一個(gè)完整的信號波形。 通常情況下功率放大電路的負(fù)載電流很大，電容容量常選為幾千微法，且是電解電容。 由于大容量的電容不適于集成電路， 所以通常采用無輸出電容的功率放大電路無輸出電容的功率放大電路（Output CapacitorLess），簡稱OCL電路。下面以O(shè)CL電路為例， 介紹功率放大電路的最大輸出功率、效率及管耗的分析與計(jì)算。 返回返回9.2 互補(bǔ)功率放大電路互補(bǔ)功

10、率放大電路 1. OCL電路的組成及工作原理電路的組成及工作原理 基本OCL電路如圖3-27所示。電路采用絕對值相等的雙電源供電，V1管和V2管特性對稱，且一個(gè)為NPN型，一個(gè)為PNP型。兩管發(fā)射極連接在一起作為輸出端，基極連在一起作為輸入端，所以兩管都是共集電極接法， 故又稱互補(bǔ)射極輸出器。 圖 3-27 OCL電路(a) 電路圖； (b) 波形圖 V1V2iC2RLui UCCuoiC1(a)uiOttOtOiC1iC2uoOt(b) UCC 當(dāng)輸入信號ui=0時(shí)，電路處于靜態(tài)，兩管都不導(dǎo)通，靜態(tài)電流為零，電源不消耗功率。在輸入信號的正半周，即ui0時(shí)， V1管導(dǎo)通，V2管截止，正電源供電

11、，電流iC1經(jīng)V1管流過負(fù)載RL，方向如圖3-27（a）中實(shí)線所示，輸出電壓uoui；在輸入信號的負(fù)半周，即uiUCC/RL。 3. 交越失真及其消除交越失真及其消除 在圖3-27所示的OCL電路中，若考慮三極管b-e間的導(dǎo)通電壓Uon，則當(dāng)輸入電壓的數(shù)值|ui|Uon時(shí)，V1、V2管均處于截止?fàn)顟B(tài)，iC1和iC2同時(shí)為零，輸出電壓uo也為零。只有|ui|Uon時(shí)， V1或V2管才導(dǎo)通，使輸出電壓uo等于輸入電壓ui。因此在這種情況下，得到的波形是失真波形，如圖3-29所示。由于這種失真發(fā)生在兩管交替瞬間， 故稱為交越失真交越失真。 圖 3-29 交越失真的波形 uiOttiC1OtiC2Ot

12、uoO交越失真 為了消除交越失真，應(yīng)設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使兩只三極管均工作在臨界導(dǎo)通或微導(dǎo)通狀態(tài)，通常采用如圖3-30所示電路。圖中R1、R2、VD1、VD2、R3組成偏壓電路，利用R2、VD1、 VD2上的電壓降給V1、V2管的發(fā)射極提供一個(gè)小的正向偏壓， 這樣在ui=0時(shí)，兩個(gè)管子已處于微導(dǎo)通狀態(tài)，每個(gè)管子的基極各自存在一個(gè)較小的基極電流iB1和iB2，同樣，在兩管的集電極也存在著較小的集電極電流iC1和iC2，但是靜態(tài)時(shí)，iL=iC1-iC2=0， 所以輸出電壓uo為零。 圖 3-30 消除交越失真的OCL電路 R1R2VD1VD2R3V1V2iC1iLiC2RLui UCCuo UC

13、C 當(dāng)所接信號按正弦規(guī)律變化時(shí)，由于二極管VD1、VD2的動態(tài)電阻很小，而且2的阻值也很小，因此可忽略VD1、VD2管及電阻R上的交流壓降，認(rèn)為uB1uB2ui。當(dāng)ui0時(shí)，隨著ui的增大，V1管的電流逐漸增大，同時(shí)ui增大到一定值時(shí)，V2管截止，負(fù)載RL上得到正方向的電流；當(dāng)ui0時(shí)，隨著ui的減小， V2管的電流逐漸增大，當(dāng)ui減小到一定值時(shí)，V1管截止，負(fù)載RL上得到負(fù)方向的電流。這樣，即使|ui|很小，也總能保證至少有一只三極管導(dǎo)通，因而消除了交越失真。 通過上述分析可知， 兩管的導(dǎo)通時(shí)間都比輸入信號的半個(gè)周期長，因此V1、V2管工作在甲乙類狀態(tài)。 【例3-4】功率放大電路如圖3-31

14、所示，設(shè)功率管1=2=15, 電源電壓UCC=16 V, 負(fù)載RL=4 ，三極管飽和壓降UCES=0 V，試求電路最大不失真輸出功率、 滿功率輸出時(shí)的管耗及最大管耗、功放電路的效率和輸入信號的功率。 解解 在圖3-31中，V1為PNP管，V2為NPN管，R2、VD1、VD2上產(chǎn)生的壓降之和應(yīng)略大于V1、V2兩管的導(dǎo)通電壓之和，從而使V1、V2管有一個(gè)小的靜態(tài)電流，并可由R2來調(diào)節(jié)靜態(tài)電流的大小。 圖 3-31 例3-4電路圖 R1R2VD1VD2R3V1V2iLRLui UCCuo UCC電路的最大輸出電流峰值為 ARUILCCom4416最大輸出功率為 WUIPcemomom32164212

15、1電源供給的直流功率為 WUIPCComV7 .4016422輸出功率最大（滿功率輸出）時(shí)的管耗 WPPPPomVTT35. 4)327 .40(21)(2121最大管耗 PTmax=0.2Pom=0.232=6.4 W 輸入信號電流和電壓峰值分別為 VUUUAIomIICCcemimbmim16267. 0154所以， 輸入信號的功率應(yīng)為 WUIPcembmi13. 216267. 021214. 采用復(fù)合管的采用復(fù)合管的OCL電路電路 圖 3-32 采用復(fù)合管的OCL電路 R3V1R1VD1VD2V3V2V4R4R2RL UCCuo UCCui 復(fù)合管復(fù)合管又稱為達(dá)林頓管，它可由兩個(gè)或兩個(gè)

16、以上的三極管復(fù)合，也可由場效應(yīng)管和三極管復(fù)合。 構(gòu)成復(fù)合管的原則是: 復(fù)合后的管子類型應(yīng)和第一個(gè)管子的類型相同; 若把兩只管子或多只管子正確連接成復(fù)合管，必須保證每只管子各電極的電流都能順著各個(gè)管子的正常工作方向流動，否則將是錯(cuò)誤的; 復(fù)合管外加電壓的極性應(yīng)保證復(fù)合中的管子都工作在放大區(qū)。 圖 3-33 復(fù)合后的等效互補(bǔ)管 iC1iE1 iB3iEV3iC3iCceiBiB1bbec(a)iE2iC2 iB4iE4V4iC4iEeciBiB2bbce(b)V2V1從圖3-33（a）可見， 復(fù)合后管子的電流放大系數(shù)為 3131311311131131)1 (BEBCCBCiiiiiii 式（3-

17、54）表明， 復(fù)合管的電流放大系數(shù)約等于兩只管子電流放大系數(shù)的乘積。 （3-54） 圖 3-34 常用復(fù)合管結(jié)構(gòu) (a)b2e1V1c1b1e2V2c2bec(b)b2c1V1e1b1e2V2c2bce(c)b2e1V1c1b1bece2b3e3V2V3c2c3V1dgsb2V2c2e2dgs(d)返回返回9.3 集成功率放大電路集成功率放大電路 圖 3-35 LM380集成功率放大電路的內(nèi)部電路原理圖 25 k25 k1 kR3V4V3V1V5R4150 k反相輸入接旁路電路R1V6V2150 kR5同相輸入25 kR2CVD2VD1V12R60.5 R70.5 V7電源 UCC輸出V9 地V8V10V11141112 圖3-35中，V1V6管為輸入級，其中，V1和V3、V2和V4分別構(gòu)成復(fù)合管，組成差分放大電路，V5、V6組成鏡像電流源作為V3、V4的有源負(fù)載，R3為發(fā)射極反饋電阻；信號從V1和V2管的基極輸入，從V4的集電極輸出，這是雙端輸入單端輸出的差分放大電路。 V12構(gòu)成的共射放大電路作為中間級；V10、V11接成鏡