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1、书名：模拟电子技术ISBN：978-7-111-30126-4作者：刘吉来出版社：机械工业出版社本书配有电子课件,第三章 功率放大器,3.1 功率放大器的特点和种类 3.2 互补推挽功率放大器3.3 其它类型推挽功率放大器3.4 功率放大器的保护电路3.5 功率放大器应用实例,3.1 功率放大器的特点和种类,电压放大器的主要要求是：电压放大倍数要尽可能大、较大的输入和较小的输出电阻等，主要作用是放大电压，而输出的功率并不一定大。功率放大器电路的要求是：输出功率要尽可能大、效率要高、非线形失真要小。主要作用是放大功率，而输出的电压并不一定最大。,功率放大器的特点,1.要求输出功率PO 尽可能大
2、2.效率要高 3.非线形失真要小,功率放大器的种类及其特点,1.甲类功率放大器 电路的优点是在输入信号的整个周期内三极管都处于导电状态,输出信号失真较小 缺点是三极管有较大的静态电流ICQ,这时功放管的静态功耗PV大 效率最高也只能达到50。一般情况下35。,2.乙类功率放大器功率放大器的优点是静态工作点在三极管截止区边缘，如图（b）所示。输入信号只有半个周期内有电流流过,由于三极管的静态电流ICQ0,功放管的静态功耗PV很小，近似为零，所以能量转换效率高,一般78.5。它的缺点是由于在输入特性死区内不产生信号波形，因此出现了严重的非线性失真，只能对输入信号的半个周期波形进行放大，另半个周期波
3、形需要由另外一只功放管放大，因而用两只功放管互补工作。,3.甲乙类功率放大器功率放大器的静态工作点选在放大区中靠近截止区的位置,如图（c）所示。即放大器在输入信号的半个多周期内有集电极电流,这样既能有效克服乙类放大电路的失真问题,又能提高放大器的转换效率。实用的功率放大器常采用这种工作状态。,（b）乙类（c）甲乙类,3.2 互补推挽功率放大器,3.2.1 工作在乙类的互补推挽功率放大器电路电路组成,电路工作原理 图(b)(c)所示的射极输出器在输入信号的每个周期内，各导电约半个周期。当输入信号ui处于正半周时，V2截止，V1导通并处于放大状态，电流iC1流过负载RL；而当输入信号ui处于负半周
4、时，V1截止，V2导通并处于放大状态，电流iC2流过负载RL，由此便在负载上产生完整的电压波形。这样，如图(a)所示电路实现了静态时管子不取电流，而有信号时，V1、V2轮流导电，组成推挽式电路。,功率和效率的计算,（1）输出功率PO,负载电压的最大幅值Uom为：,Uom=UCC-UCES,负载电流的最大幅值Iom为：,Iom=（UCC-UCES）/RL,输出功率：,最大功率：,=,=,（2）直流电源提供的功率PE,流过两电源的平均电流相等且均为：,IC=,输出功率最大时，两电源也提供最大功率：,=IC2UCC=,（3）效率,=,=,若忽略功放管的饱和压降，以上各项分别为,=,=IC2UCC=,
5、=,=/4=78.5%,3.功放管的选择,（1）最大管压降U（BR）CEO,选择三极管时，应使三极管的极限参数 U（BR）CEOUCEmax=2UCC,（2）集电极最大电流ICM,选择三极管时，应使三极管的极限参数,当管子截止时将承受最大管压降，即 UCEmax=2UCC-UCES2UCC,负载上达最大电压UCC-UCES时，集电极电流达最大值，即,（3）集电极最大允许耗散功率PCM,两功放管总的集电极耗散功率,令,时，两管的管耗最大。,，则可求得U om=,令,选择三极管时，应使三极管的极限参数PCM,3.2.2 工作在甲乙类的互补推挽功率放大器,在乙类互补推挽功率放大器中，由于三极管没有静
6、态偏置电路，即它的ICQ=0，这样，当输入信号的幅值较小时（小于放大管的门坎电压），V1、V2两管都不导通，iC1、iC2基本为零，负载RL中无电流通过（也没有电压输出），会出现一段死区，这种现象就是所谓的交越失真。,为了减小和克服交越失真，可使用上图所示的电路，在三极管V3、V4两基极间加上二极管V1、V2，利用二极管的正向电压UV=UV1+UV2为三极管V3、V4提供一定的正向偏置电压，使V3、V4处于微导通状态。从而有较小的IC3和IC4。电路工作在甲乙类状态，称为甲乙类的互补推挽功率放大器,3.2.3 单电源互补推挽功率放大器,1电路组成,2.工作原理 在输入信号正半周,V3导通,V4
7、截止,V3以射极输出器形式将正向信号传送给负载,同时对电容C2充电；在输入信号负半周时,V3截止,V4导通,电容C2放电,充当V4管直流工作电源,使V4也以射极输出器形式将负向信号传送给负载，这样,负载RL上得到一个完整的信号波形。只要选择时间常数RLC足够大（比信号源的周期大得多），就可以认为用电容C和一个电源UCC可代替原来两个正负电源的作用。,2实用的单电源互补推挽功率放大器,三极管V3组成典型的前置电压放大电路，用作推动级，它给输出级提供足够大的信号电压和信号电流。输出级由互补推挽功率放大管V4和V5构成的。R3、C2构成自举升压电路，R3、C2的接入可以提高互补对称电路输出电压的幅度
8、，使输出电压变化范围接近。电路的推动级和功率放大级采用直接耦合，前后级之间相互联系相互影响。调整时，不能采用分级调整的方法，因此调整比较困难。,一般先将RP2调到最小位置，然后调整RP1使，再调整RP2使V4和V5工作在甲乙类状态，建立合适的IC4和IC5值，最后加入交流信号调节RP2使输出波形的失真在允许范围内为止。在允许失真情况下，IC4和IC5值不宜太大，否则会降低效率。此外，调整时千万不可断开RP2，否则，b4点电位升高，b5点电位变低，将使V4和V5的电流变得很大而导致损坏。由于前后两级间的工作点互相牵连，因此需要反复耐心地调整。,3.3 其它类型推挽功率放大器,复合管组成的互补对称
9、功率放大器1.复合管,(a)NPN型（b）PNP型（c）NPN型（d）PNP型,假设V1、V2管的电流放大系数分别为1、2，它们三个极的电流如图中标定，则由图中V1、V2的连接关系可得,由于1，21，所以复合管的等效电流放大系数为,2.复合管组成的互补对称功率放大器,图中V3发射极和V4集电极所接的电阻Re1和Re2分别为V3和V4的穿透电流ICEO提供的泄放通路，以避免这两个不稳定电流被输出管放大，造成输出电流的稳定性变差。,3.实际复合互补对称功率放大器,互补对称电路虽有结构简单、效率高、频率特性较好和容易集成化等优点。但在这种电路中，负载电阻的阻值需限制在一定的范围内，当负载电阻较大或较
10、小时，管子的定额有时就难以满足要求。例如，若RL=50，负载需要的功率为50W，如采用一个单电源互补推挽功率放大器电路，则根据输出功率公式可知电源电压UCC=140V,电源设备方面有实际困难。而变压器耦合推挽功率放大器可解决了负载与放大器输出级的阻抗匹配问题，但由于使用了变压器，因此带来了体积大、笨重、频带窄、变压器本身损耗引起的效率低，特别是无法采用集成化工艺制造等缺陷，故应用较少。,3.3.2 变压器耦合推挽功率放大器,1.变压器耦合推挽功率电路组成,当有正弦信号电压ui输入时，通过输入变压器TB1将使V1、V2基极得到一个大小相等而极性相反的信号电压ui1和ui2。若在某一瞬间，变压器T
11、B1的副边上ui1使V1的基极对共同端为正，则下半个绕组感应出来的电压ui2就使V2的基极对共同端为负，于是V1截止，V2导通，这时，输出变压器TB2一次侧下半边绕组有电流iC2流过，而上半边没有电流，iC1=0。同理，在输入信号的另一半周，情况恰恰相反，V1导通，V2截止。输出变压器TB2一次侧上半边绕组有电流iC1流过，而下半边没有电流，iC2=0，这样V1和V2轮流导电，在一个周期的两个半周内，iC1和iC2轮流通过TB2一次侧两半绕组，而且大小相等，相位相反，所以在TB2二次侧将有一个接近正弦波的电流iL流过负载。,2.工作原理,3.输出功率、管耗和效率的计算,(1)输出功率、管耗计算
12、：电路一般可近似认为工作在乙类，两管轮流导电，每个管子的工作电压约为UCC，因此，它和乙类推挽功率放大器具有相类似的计算公式。原式中的负载电阻RL应由交流等效负载电阻 RL所代替,（2）效率的计算：电路的总效率应在原效率的基础上乘以T，T为变压器效率，所以变压器耦合推挽功率放大器的效率比无输出变压器电路低。,3.4 功率放大器的保护电路,3.4.1 功率放大管的功耗及散热 功放管损坏的重要原因是其实际耗散功率超过额定数值PCM。而三极管的耗散功率取决于管子内部的PN结（主要是集电结）温度。当结温超过允许值后，集电极电流将急剧增大而烧坏管子。耗散功率等于结温在允许值时集电极电流与管压降之积。管子
13、的功耗愈大，结温愈高。因而改善功放管的散热条件，可以在同样的结温下提高集电极最大耗散功率PCM，可能充分发挥管子的潜力，也可以提高输出功率。,过热保护及保护措施 改善功放管散热的常用方法是加装散热片。,3.4.2 功率放大管的二次击穿,从三极管的输出特性可知，对于某一条输出特性曲线，当c-e之间电压增大到一定数值时，三极管将产生“一次击穿”现象，而且，IB愈大，击穿电压愈低。三极管在一次击穿后，集电极电流会骤然增大，若不加以限制，则三极管的工作点变化到临界点A时，工作点将以毫秒甚至微秒级的高速度从A点到B点，此时电流猛增，而管压降却减小，如图（a）所示，称为“二次击穿”。,防止二次击穿的发生措
14、施,（1）在设计电路时，要设法使三极管工作在安全工作区以内，而且还要留有余地。例如，增大功率余量，改善散热情况，选用较低的电源电压。（2）使用时要尽量避免产生过压过流的可能性，不要将负载开路或短路，也不要突然加强信号，同时不允许电源电压有很大波动,采取其他保护措施,（1）为了防止由于感性负载而使管子产生过压或过流，可在负载两端并联容性网络以抵消感性负载的不利影响。（2）对三极管加以保护，例如，在功率管的输入端、输出端并以保护二极管或稳压管，以避免输入电压波动而保护功率管。,3.5 功率放大器应用实例,3.5.1 OTL 音频功率放大器,3.5.2 OCL高保真功率放大器,3.5.3 集成功率放
15、大器,（a）LM386内部电路原理图（b）LM386的外形和引脚的排列,本 章 小 结,1功率放大器要求输出功率大、效率高，非线性失真小，并保证三极管安全可靠地工作。2互补推挽功率放大器有OCL和OTL两种电路，前者为双电源，后为单电源。3乙类互补推挽功率放大器效率高，达78.5，但存在着交越失真，在实际中多采用甲乙类互补推挽功率放大器，它可有效地消除交越失真，效率也较高。4由于大功率对称型管不易选配，实际中可采用复合管。5变压器耦合推挽功率放大器通过阻抗变换能够解决负载与放大器输出级的匹配问题，但由于体积大，故只在小功率放大电路中应用。6在功率放大器中，由于管子承受的电压高，通过的电流大，为了使设备正常运行，功率管的散热和防止二次击穿很重要。,
