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1、*,第 5 章,低频功率放大器,*,5.1 概述,5.1.1 功率放大器的主要指标,5.1.2 功率放大器的分类,*,5.1.1 功率放大器的主要指标,功率放大:以输出功率为重点,驱动负载。,电压放大:不失真地增大输出信号电压幅度,以驱动功放。,功率放大实质上也是能量转换电路,它的主要特点就是工作在大信号状态下。,1.预备知识,电压放大和功率放大有不同的特点及指标要求,在多级放大器中,电压放大器处于前置级和中间级,而功率放大处在末级(也可能包括末前级),以驱动负载。,*,效率:放大器的输出信号功率 与直流电源供给功率 之比。,2.主要指标,功率放大器在线性区能够向负载提供的最大交流功率。,a.
2、工作在线性区;,(1)输出功率,注意:,b.提供的最大交流功率(管子充分利用或称尽限运用)。,:直流电源供给集电极和偏置电路等直流功率之和。,晶体管集电极效率:输出功率Po与电源供给集电极的直流功率 之比。,(2)功率放大器的效率和晶体管集电极效率,*,2.主要指标,直流电源供给功率 一部分变成了有用的输出信号,剩余的部分主要变成了晶体管的管耗,即:,(3)非线性失真,由于功放工作在大信号状态下,所以很容易导致输出信号产生非线性失真。要求功放产生的非线性失真尽可能小。,结论:,功率放大器的任务是:在确保晶体管安全运用情况下,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。,*,5
3、.1.2 功率放大器的分类,功率放大器根据功放管的导通时间的长短进行分类。,(1)甲类(A类)工作状态,在输入信号的整个周期内晶体管都是导通的。,(2)乙类(B类)工作状态,在输入信号的半个周期内晶体管导通。,*,5.1.2 功率放大器的分类,(3)甲乙类(AB类)工作状态,是介于甲类和乙类之间的工作状态,晶体管导通的时间大于半个周期,但小于一个周期。,(4)丙类(C类)工作状态,晶体管导通的时间小于半个周期。,*,5.1.2 功率放大器的分类,(5)丁类(D类)工作状态,此时,晶体管处于开关状态,即在输入信号的半个周期内饱和导通;在另外半个周期内,晶体管截止。,饱和导通:,五类功放的效率满足
4、下式:,*,5.2 互补推挽功率放大器,引言:甲类单管功放简介,设变压器为理想的,需要强调指出的是,对于甲类功率,PU是一常数,与输入信号的大小无关。即使输入信号为零,直流电源还照样提供直流功率,因此效率很低。,*,5.2 互补推挽功率放大器,5.2.1 乙类推挽功率放大器的工作原理,5.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算,5.2.3 乙类推挽功率放大器的非线性失真,*,采用乙类的原因:由于晶体管只在半个周期内导通,因此晶体管的集电极静态电流,所以一个周期内晶体管的平均功耗小。,乙类推挽功率放大器的工作原理,显然,集电极电流产生了严重的非线性失真,选用两只特性完全相同的异型晶体管,轮流工作在
5、乙类状态。,如何解决非线性失真和高效率的矛盾?,从而在负载上获得完整的输出波形。,*,1.电路结构,(1)和 是一对对称的异型晶体管;,(2)和 分别与负载组成射极跟随器;,(3)采用 两组电源供电。,两管交替工作,一只在输入信号正半周导通,另一只在负半周导通,犹如一推一挽,在负载上合成完整的波形。,*,2.工作原理,注:以下的分析中不考虑门限电压。,电路,两管基极的静态电位为零,两管均截止,*,2.工作原理,电路,导通,截止,与 组成射极跟随器,在 上得到上半周波形,输入信号在正半周的情况,*,2.工作原理,电路,导通,截止,与 组成射极跟随器,在 上得到下半周波形,输入信号在负半周的情况,
6、*,2.工作原理,*,5.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算,组合特性曲线,1.组合特性曲线,由于功放电路工作在大信号状态下,不能采用微变等效电路分析,必须采用图解法分析。为了便于分析,将VT1的特性曲线倒置在VT2特性曲线的下方,它们的静态工作点重合。,*,工作原理分析,*,2.输出功率,不考虑uCES时,输出功率是AQO的面积,此时输出功率最大。,两个晶体管的输出功率为:,定义电压利用系数,即忽略晶体管的饱和压降,结论:,通常所指的输出功率 是指在线性区得到的最大输出功率。如一功率放大器输出功率为10W,就是这个意思。实际输出功率与激励信号的大小有关。,*,3.直流电源供给晶体管集电极的
7、直流功率,直流电源供给晶体管集电极的直流功率是由两个电源供给的,由于每个晶体管只导通半周期,故流过每个集电极的电流为半个周期的非正弦波。,可见,输入信号越大,即越大,需要提供的直流电源供给功率PU就越大;反之,输入信号越小,需要提供的直流电压功率就越小。当输入信号为零时,直流电源不需要提供功率。,这说明电源供给的直流功率不是恒定不变的,而是根据输入信号大小而变化。因此乙类功放的效率高(与甲类进行比较)。,*,4.集电极效率,cmax称为理论极限效率。,可见,乙类推挽功放的集电极效率与电压利用系数成正比。,*,5.对晶体管的要求,(1)集电极功耗Pc:每管的集电极损耗。,通过管耗的表达式可以画出
8、 和的关系曲线,能否认为输入信号越大 越大),管耗就越大呢?,上式均是对两管而言的,而集电极功耗是对每一管子而言的。,管耗也与有关。,在选管时,为了保证晶体管安全工作,可以以此作为选管依据。,*,5.对晶体管的要求,处于截止状态的晶体管的c极和e极之间承受的反压,(3)集电极最大允许电流,指功放管导通时,流过管子的最大电流。,(2)反向击穿电压,结论:,为确保晶体管安全工作,必须同时满足上面的三个条件。,图示的双电源供电的互补推挽功率放大器称为OCL(Output Capacitor Less)电路。,,导通,截止,情况一样。,*,例51 一双电源互补对称电路如图所示,设已知UCC=12V,R
9、L=16,输入信号为正弦波,求(1)忽略饱和压降时,负载得到的最大输出功率Pomax;(2)每个管子的PCM至少为多少?(3)每个管子的耐压为多少?,解:,(2)每管允许承受的管耗:,故要求管子允许的最大管耗为:,(3)每管的耐压为:,*,例52 电路如图所示,电源电压UCC20V,RL8,试计算当输入信号为正弦信号,且有效值为10V时,电路的输出功率、管耗、直流电源供给功率和效率。,解:,导通时,VT1和VT2均构成共集电路,因此,输出功率:,每管实际承受的管耗:,*,直流电源供给的功率:,应当指出,由于输入信号偏小,这时电路未处于充分利用或尽限运用,输出功率未达到线性区最大输出功率,故效率
10、偏低。,*,5.2.3 乙类推挽功率放大器的非线性失真,1.推挽电路对偶次谐波的抑制,推挽电路中,若两管的特性完全一致,则其电压、电流波形也完全对称。,可见,对称的电路可以消除偶次谐波成分。,*,2.交越失真及消除方法,理想传输特性(不考虑门限电压),(1)传输特性,在实际传输特性中,必须考虑三极管发射结的门限电压值。,可以看出,当输入信号的绝对值小于0.7V时,没有输出,因此输出信号会出现明显的失真。,是NPN管的集电极饱和电压,传输特性的斜率为什么为1?,*,2.交越失真及消除方法,交越失真,实际传输特性及输出电压波形如图所示:,(2)交越失真,交越失真是指发生在信号穿越过零点时产生的失真
11、。,*,2.交越失真及消除方法,由图看出,交越失真是由晶体管发射结门限电压引起的,因此,若能给两个晶体管发射结加入适当的正向偏置电压,使每个管子导通时间略超过T/2,以克服两管发射结死区电压的影响,就可以消除交越失真。,原理电路,(3)消除交越失真的方法,a.改为甲乙类工作状态,交越失真,该图是原理电路,实际上,在集成电路中,正向偏置不会直接采用电压源的方式,可以用电阻、二极管和三极管等元器件来提供。,图中,给两个晶体管加入了同样的正偏电压,由于此时晶体管的导通时间已大于半个周期,因此此时的工作状态是甲乙类工作状态。但由于其工作状态十分接近于乙类,故仍可按乙类的功放进行分析。,*,2.交越失真
12、及消除方法,实际电路1:,实际电路2:,显然,在该电路中,正向偏压是由 和 的正向电压提供。,电容 是保证在交流时,加在和 基极的输入信号是相同的。,在该电路中,是放大级,和 构成互补推挽功放,正向偏压是利用流过 的直流电流 在 上产生的压降提供的。,*,2.交越失真及消除方法,实际电路3:,恰当选择电阻R1、R2,使IB1可以忽略不计,则,调整R1、R2比值,即可获得某一倍数 UBE 的UBB,因此该电路又称为UBE倍增电路。,在该电路中,是放大级,和、组成恒压源电路,为 和 提供正向偏压,以消除交越失真。,*,2.交越失真及消除方法,b.使用负反馈电路,在功率放大器前引入一级电压放大器(在
13、本图中引入了集成运放),并构成电压串联负反馈。,设死区电压为0.7V,则引入负反馈后,死区电压为0.7V/A0。A0为集成运放开环增益。,R1是用来限制放大器A的输出电流,但同时RL又是靠R1上的电流来驱动的。,*,小 结,乙类工作状态的矛盾,互补推挽功放,电路结构,工作原理,电流波形图,组合特性曲线,性能指标,非线性失真,工作原理,性能指标计算,极限参数选择,交越失真,消除方法,*,5.3 其它形式的功放电路,5.3.1 单电源供电的互补推挽电路,5.3.2 准互补推挽功率放大器,5.3.3 桥式平衡功率放大器,5.3.4 集成功放电路,5.3.5 丁类音频功率放大器,*,5.3.1 单电源
14、供电的互补推挽电路,1.原理电路,双电源供电的互补推挽电路需要两组正负电源,有时使用不便,因此提出了单电源供电电路。,当电容C的容量很大时,对C的充放电时间远大于信号的半个周期。因此,当两管轮流导通时,电容两端电压基本不变。,*,5.3.1 单电源供电的互补推挽电路,2.实际电路结构,电路中只采用了一组电源供电;VT1是放大级,工作在甲类状态。,VT2和VT3构成互补推挽功放,R4用来消除交越失真,C3用来旁路R4,使加到VT2、VT3的基极的激励信号相等。,VT2和VT3的输出通过电容C2和负载相接。,*,5.3.1 单电源供电的互补推挽电路,3.工作原理,调整VT1的静态工作点,使,由于C
15、2的容量很大,因此C2充放电的时间常数远大于信号的半个周期,所以两管轮流导通时,电容两端的电压基本不变恒等于UCC/2,相当于直流电源电压,于是对VT2、VT3每管工作时的直流电源电压均为UCC/2。,*,5.3.1 单电源供电的互补推挽电路,4.性能指标,该电路的性能指标计算等同于OCL电路,只是此时的等效电源电压为UCC/2。,图示的单电源供电的互补推挽功率放大器称为OTL(Output Transformer Less)电路。,*,5.3.2 准互补推挽功率放大器,复合管类型以第一个晶体管为准;应保证两管的基极电流能流通;第一管的C、E不能和第二管的B、E接在一起。,1.复合管,将两只或
16、两只以上的晶体管按照一定的原则连接在一起,以实现一定的目的。,(1)等效为NPN管,(2)等效为PNP管,(3)连接原则:,*,5.3.2 准互补推挽功率放大器,2.准互补推挽电路,VT5作为放大管,工作在甲类工作状态。,VT1、VT3 以复合管的方式构成NPN管。,VT2、VT4 以复合管的方式构成PNP管。,注:VT3和VT4是同型管子,所以不具互补性,互补作用是由VT1和VT2实现的。,Re1和Rc2的作用是为了减小复合管的穿透电流。,*,5.3.3 桥式平衡功率放大器(BTL电路),该功率放大器是为了解决输出功率和电源电压之间的矛盾而提出的。,该电路最大的特点就是“推”和“挽”可以同时
17、工作,因此实现了单电压下的大功率输出。,忽略饱和压降时,负载 的输出电压幅度为。,忽略饱和压降时,负载 的输出电压幅度为。,负载一定时,BTL电路的输出功率可达到OTL电路的四倍。,*,5.3.4 集成功放电路,(1)LM380内部电路,LM380是单电源供电的集成功放。,*,5.3.4 集成功放电路,(2)LM380外接引脚,*,丁类音频功率放大器,MOS管的出现和数字技术的发展,丁类音频功放,提高放大器的效率及系统稳定性等,*,1.PWM开关功率放大器工作原理,PWM:脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation),组成框图:,(1)PWM信号的产生,脉宽调制器将音频模拟信号
18、转换为脉冲宽度正比于其输入信号瞬时幅度的信号,*,1.PWM开关功率放大器工作原理,(2)开关功率放大器,开关管VT1和VT2轮流导通,以开关方式工作,即工作于可变电阻区和截止区两种状态。,工作于可变电阻区:,开关管导通电阻,由于在可变电阻区时,流过管子的电流可以很大,但漏源间的电压很小,因此开关管的导通电阻很小,故效率很高。,(3)低通滤波器,只要取样频率足够高,就越容易滤除PWM信号中的谐波分量,恢复出音频信号,但取样频率也不宜过高,应满足,*,2.实际电路,单片无需滤波器的D类音频功率放大器TPA2005D1,差分输入状态,*,5.4 功率器件、散热及保护电路,5.4.1 功率器件,5.
19、4.2 功放管的管耗与散热,5.4.3 保护电路,*,在 型硅衬底上生长出一层 外延层,区共同构成漏区,在其上引出漏极(d极);在 外延层上掺杂扩散形成P层及 层,以此为源极区并在其上引出源极(s极);最后利用光刻技术刻蚀出纵向的V型槽,在整个表面氧化生成SiO2层,并在V型槽表面蒸发一层金属层形成栅极(g极)。,5.4.1 功率器件,(1)功率MOSFET,大功率MOSFET管采用纵向导电沟道,称为VMOSFET。,VVMOS管结构图,*,5.4.1 功率器件,(2)绝缘栅双极型功率管IGBT,这是一种将MOS管和双极型晶体管组合而成的功率器件。,NMOS复合管的构成及符号,PMOS复合管的
20、构成及符号,IGBT具有大电流、高电压、低功耗、高输入电阻、小驱动电流等特点。,*,(1)集电极功耗 与环境温度 的关系,5.4.2 功放管的管耗与散热,热功率:,集电极功耗Pc:管子在给负载输送功率的同时,本身所消耗的功率。,功放管的管耗是通过热传导的形式以散热的方式消耗掉的。,热传导:热能从高温点向低温点传送的现象。,对于功放管而言,则当环境温度和热阻一定时,功放管的最高结温对应集电极的最大允许功耗。,Si材料允许的最高结温约为150Ge材料允许的最高结温约为7090,*,例53:要求设计一功率放大器,其输出功率为100W,工作温度为-40C+50C,假设选用的硅管其TJM150C,试问应如何选择管子的PCM?,解:,由于工作温度越高,允许的最大集电极功耗就越小,因此以最高工作温度下的功耗来求取。,故可查手册选用PCM=30W,甚至更大的管子。,*,5.4.2 功放管的管耗与散热,(2)功放管的散热,*,5.4.3 保护电路,限制管耗即可以有效地保护功放管,因此只要限制流过集电极地电流,就可以限制管耗。,(1)二极管保护电路,最大输出电流为:,*,5.4.3 保护电路,(2)三极管保护电路,