功率放大电路
(一) 目标:向R(扬声器的音圈、电动机绕组、CRT等)提供一定大小的可控功率 L
PV,I(二) 侧重点不同:侧重研究上的功率,而不是 ROOoL
(三) 深入研究:在后续课程《电力电子技术》、《高频电子线路》 (四) 主要内容
, 一般问
、特点、分类;
P, 、效率、非线性失真(三者之间的矛盾); O
, 互补对称、乙类功放(原理);
, 集成功放;
, 散热问题、功率BJT、VMOS管
(五)学习目标
, 熟练掌握如何解决输出功率、效率和非线性失真三者之间的矛盾; , 要熟练掌握乙类互补对称功率放大电路的组成、分析计算和功率BJT的选择;
, 正确理解甲乙类互补对称功放电路的工作原理及计算; , 了解各种功率器件及散热问题;(选讲内容) , 了解集成功率放大器的使用。(选讲内容) (六)参考资料说明
, 清华大学 童诗白 主编《模拟电子技术基础》有关章节 , 高文焕、刘润生编《电子线路基础》
, 王小海编 《集成电子技术教程》
, 王远编 《模拟电子技术基础学习指导书》
, 陈大钦编 《模拟电子技术基础问答、例题、
》
5.1 1学时
:
本节主要定义了功率放大电路并做了分类。
正确理解功率放大电路的定义及种类。
功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。它一般直接驱动负载,
带负载能力要强。
(1).本质相同
电压放大电路或电流放大电路:主要用于增强电压幅度或电流幅度。
功率放大电路: 主要输出较大的功率。
但无论哪种放大电路,在负载上都同时存在输出电压、电流和功率,从能量控
制的观点来看,放大电路实质上都是能量转换电路。
因此,功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。称呼上的区别只不过是
强调的输出量不同而已。
(2). 任务不同
电压放大电路:主要任务是使负载得到不失真的电压信号。输出的功率并不一
定大。
在小信号状态下工作.
功率放大电路:主要任务是使负载得到不失真(或失真较小)的输出功率。
在大信号状态下工作。
(3).指标不同
电压放大电路:主要指标是电压增益、输入和输出阻抗.
功率放大电路:主要指标是功率、效率、非线性失真。
(4).研究方法不同
电压放大电路:图解法、等效电路法
功率放大电路:图解法
板书如下:
电压放大电路 功率放大电路
(1)本质相同 能量转换 能量转换
(2)任务不同 不失真的输出电压 不失真(或失真较小)的输出功率
(3)指标不同 电压增益、输入和输出阻抗 功率、效率、非线性失真
(4)研究方法不同 图解法、等效电路法 图解法
(1)功率要大:为了获得大的功率输出,要求功放管的电压和电流都有足够大的输出
幅度,因此管子往往在接近极限运用状态下工作。
P,V,I Ooo
(2)效率要高:所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比
值。它代
了电路将电源直流能量转换为输出交流能量的能力.
,,P/P Ov
(3)失真要小:功率放大电路是在大信号下工作,所以不可避免地会产生非线性失
真,这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。
在不同场合下,对非线性失真的要求不同,例如,在测量系统和电声设备中,
这个问题显得重要,而在工业控制系统等场合中,则以输出功率为主要目的,对非线
性失真的要求就降为次要问题了。
(4)散热要好:在功率放大电路中,有相当大的功率消耗在管子的集电结上,使结
温和管壳温度升高。为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率,放大器件
的散热就成为一个重要问题。
根据放大电路中三极管在输入正弦信号的一个周期内的导通情况,可将放大电路
分为下列三种工作状态:
(1)甲类放大
在输入正弦信号的一个周期内三极管都导通,都有电流流过三极管。这种工作方
式称为甲类放大。
i,0或称A类放大。此时整个周期都有,功率管的导电角θ= 2π。 C
甲类
甲乙类
乙类
丙类
图1 甲类放大 图2 乙类放大 (2)乙类放大
图3 甲乙类放大 图4 丙类放大
(2)乙类放大(B类放大)
在输入正弦信号的一个周期内,只有半个周期三极管导通。称为乙类放大。如图2
所示,此时功率管的导电角θ=π。
(3)甲乙类放大(AB类放大)
在输入正弦信号的一个周期内,有半个周期以上三极管是导通的。称为甲乙类放
大。如图3所示,此时功率管的导电角θ满足:π< θ < 2π。
(3)丙类放大(c类放大)
功率管的导电角小于半个周期,即0< θ < π
(1) 效率η是负载得到的有用信号功率(即输出功率Po)和电源供给的直流功
率(PV)的比值。
,,P/P Ov
P,P,P vOT
要提高效率,就应消耗在晶体管上的功率P,将电源供给的功率大部分转化为有用的信T
号输出功率。
(2) 在甲类放大电路中,为使信号不失真,需设置合适的静态工作点,保证在
输入正弦信号的一个周期内,都有电流流过三极管。 当有信号输入时,电源供给的功率一部分转化为有用的输出功率,另一部分则消耗在
管子(和电阻)上,并转化为热量的形式耗散出去,称为管耗。
甲类放大电路的效率是较低的,可以证明,即使在理想情况下,甲类放大
电路的效率最高也只能达到50%。
(3) 提高效率的主要途径是减小静态电流从而减少管耗。
静态电流是造成管耗的主要因素,因此如果把静态工作点Q向下移动,使信号等于零时电源输出的功率也等于零(或很小),信号增大时电源供给的功率也随
之增大,这样电源供给功率及管耗都随着输出功率的大小而变,也就改变了甲类放大
时效率低的状况。实现上述设想的电路有乙类和甲乙类放大。
乙类和甲乙类放大主要用于功率放大电路中。虽然减小了静态功耗,提高了效
率,但都出现了严重的波形失真,因此,既要保持静态时管耗小,又要使失真不太严
重,这就需要在电路结构上采取
。
2学时
:
本节主要介绍了乙类互补对称电路工作原理。
要熟练掌握乙类互补对称功率放大电路的组成、分析计算和功率BJT的选择。
(1) 电路组成:
互补对称电路如图1所示。
图1 两个射级输出器组成的互补对称电路
该电路是由两个射极输出器组成的。图中,T1和T2分别为NPN型管和PNP型管,两管的基极和发射极相互连接在一起,信号从基极输入,从射极输出,RL为负载。
(2) 工作原理:
(a) 乙类放大电路:由于该电路无基极偏置,所以vBE1 = vBE2 = vi 。当vi =0时,T1、T2均处于截止状态,所以该电路为乙类放大电路。
(b) 互补电路:考虑到BJT发射结处于正向偏置时才导电,因此当信号处于正半
周时,vBE1 = vBE2 >0 ,则T2截止,T1承担放大任务,有电流通过负载RL;
这样,一个在正半周工作,而另一个在负半周工作,两个管子互补对方的不足,
从而在负载上得到一个完整的波形,称为互补电路。互补电路解决了乙类放大电路中
效率与失真的矛盾。
(c)互补对称(OCL)电路: 为了使负载上得到的波形正、负半周大小相同,还要
求两个管子的特性必须完全一致,即工作性能对称。所以图1所示电路通常称为乙类
互补对称电路。
双电源乙类互补对称电路又称为OCL电路。
图2 乙类互补对称功放的工作原理
功率放大电路的分析任务是求解最大输出功率、效率及三极管的工作参数等。
分析的关键是vo的变化范围。
在分析方法上,通常采用图解法,这是因为BJT处于大信号下工作.
图3(a)表示在vi为正半周时T1的工作情况。
图中假定,只要vBE1= vi >0,T1就开始导电,则在一周期内T1导电时间约为半周期。随着vi的增大,工作点沿着负载线上移,则io = iC1增大,vo 也增大,当工作点上移到图中A点时,vCE1 =VCES ,已到输出特性的饱和区,此时输出电压达到最
大不失真幅值 Vomax 。
A
T1管的工作情况
T2管的工作情况 Vomax
vo (a)T1管的工作情况
两管的输出
图3 乙类互补对称功放的图解分析
根据上述图解分析,可得输出电压的幅值为
Vom = IomRL = VCC - VCE1
其最大值为
Vommax= VCC - VCES 。
T2管的工作情况和T1相似,只是在信号的负半周导电。
两管的工作情况:
为了便于分析两管的工作情况,将T2的特性曲线倒置在T1的右下方,并令二者在Q点,即vCE = VCC处重合,形成T1和T2的所谓合成曲线,如图3(b)所示。这时负载线通过VCC点形成一条斜线,其斜率为 -1/RL。
显然,允许的io的最大变化范围为2Iom,
vo的变化范围为2Vom=2IomRL=2(VCC-VCES)。
若忽略管子的饱和压降VCES ,则Vommax ? 2VCC 。 根据以上分析,不难求出工作在乙类的互补对称电路的输出功率、管耗、直流电源供
给的功率和效率。
3.
(1) 输出功率的一般表示式
输出功率是输出电压有效值Vo和输出电流有效值Io的乘积(也常用管子中变化电压、变化电流有效值的乘积表示)。所以
(2) 最大输出功率的表达式
乙类互补对称电路中的T1、T2可以看成共集状态(射极输出器),即
AV ?1。所以当输入信号足够大,使Vim = Vommax = VCC- VCES ? VCC时,可获得最大输出功率,即
4.
考虑到T1和T2在一个信号周期内各导电约180?,且通过两管的电流和两管两端
的电压vCE在数值上都分别相等(只是在时间上错开了半个周期)。因此,为求出总
管耗,只需先求出单管的损耗就行了。设输出电压为vo = Vomsinwt ,则T1的管耗为
而两管的管耗为
效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。为了计算效
率,必须先分析直流电源供给的功率PV ,它包括负载得到的信号功率和T1、T2消耗的功率两部分,即
当输出电压幅值达到最大,即Vom = VCC时,则得电源供给的最大功率为
所以,一般情况下效率为
,当Vom VCC时,则
工作在乙类的基本互补对称电路,在静态时,管子几乎不取电流,管耗接近于
零,因此,当输入信号较小时,输出功率较小,管耗也小,这是容易理解的;但能否
认为,当输入信号愈大,输出功率也愈大,管耗就愈大呢?答案是否定的。那么,最
大管耗发生在什么情况下呢?
由管耗表达式
可知管耗PT1是输出电压幅值Vom的函数,因此,可以用求极值的方法来求解。
有:
令,则
故 Vom = 2VCC /p ? 0.6 VCC
此时最大管耗为
为了便于选择功放管,常将最大管耗与功放电路的最大输出功率联系起来。
由最大输出功率表达式
可得每管的最大管耗和最大输出功率之间具有如下的关系
上式常用来作为乙类互补对称电路选择管子的依据,它说明,如果要求输出功率
为10W,则只要用两个额定管耗大于2W的管子就可以了。当然,在实际选管子时,还
应留有充分的安全余量,因为上面的计算是在理想情况下进行的。
为了加深印象,可以通过Po、PT1和PV与Vom/VCC的关系曲线(如图1所示)观
察它们的变化规律。图中用Vom / VCC表示的自变量作为横坐标,纵坐标分别用相对
值表示。
图1
在功率放大电路中,为了输出较大的信号功率,管子承受的电压要高,通过的电
流要大,功率管损坏的可能性也就比较大,所以功率管的参数选择不容忽视。选择时
一般应考虑BJT的三个极限参数,即集电极最大允许功率损耗PCM ,集电极最大允许电流ICM和集电极-发射极间的反向击穿电压V(BR)CEO 。
由前面知识点的分析可知,若想得到最大输出功率,又要使功率BJT安全工作,BJT的参数必须满足下列条件:
(1) 每只BJT的最大管耗PT1max?0.2 Pomax
(2) 通过BJT的最大集电极电流为Icm ?Voc/ RL
=V? 0 ,此时vCE1具有最大值,且等于2V ,因(3) 考虑到当T2导通时,-vCE2CESCC
此,应选用反向击穿电压| V(BR)CEO | > 2VCC的管子。 注意,在实际选择管子时,其极限参数还要留有充分的余地。
2学时
:
本节主要介绍了甲乙类互补对称电路工作原理。
要熟练掌握甲乙类互补对称功率放大电路的组成、分析计算。
1.乙类互补对称功率放大电路的交越失真
理想情况下,乙类互补对称电路的输出没有失真。
实际的乙类互补对称电路(图1),由于没有直流偏置,只有当当输入信号vi大
于管子的门坎电压(NPN硅管约为0.6V,PNP锗管约为0.2V)时,管子才能导通。当输入信号vi低于这个数值时,T1和T2都截止,ic1和ic2基本为零,负载RL上无电
流通过,出现一段死区,如图1所示。这种现象称为交越失真。
图1 乙类互补对称功率放大电路的交越失真 2.甲乙类双电源互补对称电路
2.1基本电路
为了克服乙类互补对称电路的交越失真,需要给电路设置偏置,使之工作在甲乙
类状态。如图2所示。
图2 甲乙类双电源互补对称电路
图中:
T3组成前置放大级(注意,图中未画出T3的偏置电路),给功放级提供足够的偏置电流。
T1和T2组成互补对称输出级。
静态时,在D1、D2上产生的压降为T1、T2提供了一个适当的偏压,使之处于微导通状态,工作在甲乙类。这样,即使vi很小(D1和D2的交流电阻也小),基本上可线性地进行放大。
上述偏置方法的缺点:偏置电压不易调整,改进方法可采用VBE扩展电路。
2.2 VBE扩展电路
VBE扩展电路如图3所示
图3 VBE扩展电路
图中,流入T4的基极电流远小于流过R1、R2的电流,则由图可求出
VCE4=VBE4(R1+R2)/R2
由于VBE4基本为一固定值(硅管约为0.6~0.7V),只要适当调节R1、R2的比值,就
可改变T1、T2的偏压VCE4值。
Vce4就是T1、T2的偏置电压
这种电路称为VBE扩展电路
3.甲乙类单电源互补对称电路
3.1 电路组成
甲乙类单电源互补对称电路如图4所示。
图4 甲乙类单电源互补对称电路 图中:
T3组成前置放大级,
T2和T1组成互补对称电路输出级。
3.2 工作原理
在vi =0时,调节R1、R2,就可使IC3 、VB2和VB1达到所需大小,给T2和T1提供一个合适的偏置,从而使K点电位VK= VC= VCC/2 。
vi?0时,在信号的负半周,T1导电,有电流通过负载RL,同时向C充电;
在信号的正半周,T2导电,则已充电的电容C起着双电源互补对称电路中电源-VCC的作用,通过负载RL放电。只要选择时间常数RLC足够大(比信号的最长周期还
大得多),就可以认为用电容C和一个电源VCC可代替原来的+ VCC和-VCC两个电源的作用。
3.3 分析计算:
采用一个电源的互补对称电路,由于每个管子的工作电压不是原来的VCC,而是VCC /2,即输出电压幅值Vom最大也只能达到约VCC /2,所以前面导出的计算Po、PT、和PV的最大值公式,必须加以修正才能使用。修正的方法也很简单,只要以
Vcc/2代替原来的公式中的VCC即可。
4.自举电路
4.1单电源互补对称电路存在的问题
图5 单电源互补对称电路
单电源互补对称电路解决了工作点的偏置和稳定问题。
但输出电压幅值达不到Vom= VCC/2。现分析如下:
(1)理想情况
当vi为负半周最大值时,iC3最小,vB1接近于+VCC,此时希望T1在接近饱和状态工作,即vCE1= VCES,故K点电位vK=+VCC -VCES?VCC。
当vi为正半周最大值时,T1截止,T2接近饱和导电,vK= VCES?0。因此,负载RL两端得到的交流输出电压幅值Vom= VCC/2。
(2)实际情况
当vi为负半周时,T1导电,因而iB1增加,由于Rc3上的压降和vBE1的存在,当K点电位向+VCC接近时,T1的基流将受限制而不能增加很多,因而也就限制了T1输向负载的电流,使RL两端得不到足够的电压变化量,致使Vom明显小于VCC/2。 4.2 自举电路
(1)电路
解决上述矛盾方法是如果把图1中D点电位升高,使VD >+VCC,例如将图中D点与+VCC的连线切断,VD由另一电源供给,则问题即可以得到解决。通常的办法是在电
路中引入R3、C3等元件组成的所谓自举电路,如图6所示。
图6 有自举电路单电源互补对称电路
(2)工作原理
vD= VD= VCC-Ic3 R3 ,而vK= VK= VCC/2,因此电容T1在图6中,当vi =0时,
两端电压被充电到VC3= VCC/2 - Ic3 R3。
当时间常数R3C3足够大时,vC3(电容C3两端电压)将基本为常数(vC3?VC3),不随vi而改变。这样,当vi为负时,T1导电,vK将由VCC/2向更正方向变化,考虑到vD= vC3+ vK= VC3+ vK ,显然,随着K点电位升高,D点电位vD也自动升高。因而,即使输出电压幅度升得很高,也有足够的电流iB1,使T1充分导电。这种工作方式称为自举,意思是电路本身把vD提高了。
, 功率放大电路是在大信号下工作,通常采用图解法进行分析。研究的重点是如何
在允许的失真情况下,尽可能提高输出功率和效率。 , 与甲类功率放大电路相比,乙类互补对称功率放大电路的主要优点是效率高,在
理想情况下,其最大效率约为7.85%。
, 为保证BJT安全工作,双电源互补对称电路工作在乙类时,器件的极限参数必须
满足:PCM>PT1?0.2 Pom,|V(BR)CEO|>2VCC,ICM>VCC/RL。 , 由于BJT输入特性存在死区电压,工作在乙类的互补对称电路将出现交越失真,
克服交越失真的方法是采用甲乙类(接近乙类)互补对称电路。通常可利用二极
管或VBE扩大电路进行偏置。
, 在单电源互补对称电路中,计算输出功率、效率、管耗和电源供给的功率,可借
用双电源互补对称电路的计算公式,但要用VCC/2代替原公式中的VCC。 , 在集成功放日益发展,并获得广泛应用的同时,大功率器件也发展迅速,主要有
达林顿管、功率VMOSFET和功率模块。为了保证器件的安全运行,可从功率管的
散热、防止二次击穿、降低使用定额和保护措施等方面来考虑。
自测题:第220页起5.1.1; 5.2.1; 5.2.3; 5.3.2, 5.3.5; 5.3.6 5.4.1