8.5功率放大电路
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
13
问题讨论: 问题讨论
射极输出器输出电阻低， 射极输出器输出电阻低，带负载 能力强， 能力强，可以用做功率放大器吗 不合适， 不合适，因 为效率太低 。 ib
估算射极输出器的效率 ： ic (设RL=RE) 设 U
SC
RE
USC Rb
Q
USC ui uo RE uo uo t
uce
14
为使输出信号的幅值尽可能大(要保证不失真 ， 为使输出信号的幅值尽可能大 要保证不失真)，静 要保证不失真 态工作点（ ）设置较高（靠近负载线的中部）。 态工作点（Q）设置较高（靠近负载线的中部）。 Ic 交流负 载线 直流负 载线 Q uCE USC uo的取 值范围 静态工作点： 静态工作点： UCEQ = 0.5USC
5. 功率 功率BJT的选择 的选择
1．最大管耗和最大功率的关系 ．
管耗P 是输出电压幅值V 的函数，因此用求极值的方法求： 管耗 T是输出电压幅值 om的函数，因此用求极值的方法求：
dPT 1 / dVom
2 1 VCCVom Vom 1 VCC Vom / dVom = = d − − 4 RL π 2 RL π
1. 功率放大电路的主要作用
用作放大电路的输出级， 驱动执行机构。 用作放大电路的输出级，以驱动执行机构。如使扬声器 输出级 执行机构 发声、继电器动作、 仪表指针偏转等。 发声、继电器动作、
例1： 扩音系统 ： 信 号 提 取 1-R3:标准电阻 标准电阻 Va : 基准电压 Rt :热敏电阻 热敏电阻 A：电压放大器 ： R2 a R3 b
Vsc 功 + + - A vo1 放
加 热
vo
Rt 温控室
元 件
T T
Rt
Vb
VO1
VO
5
8.5.1 功率放大电路的一般问题
2. 功率放大电路的主要特点 功率放大电路是一种以输出较大功率为 目的的放大电路。 因此， 目的的放大电路 。 因此 ， 要求同时输出较 大的电压和电流。 大的电压和电流。 管子工作在接近极限状 态。 一般直接驱动负载，带负载能力要强。 一般直接驱动负载，带负载能力要强。
iC
iC
IC
Q
v BE
0
π
2π
ωt
工作点位置
2π − θ
电流波形
特点：管子导通角π 静态电流很小，可提高效率、 特点：管子导通角π＜ θ＜2 π ，静态电流很小，可提高效率、 减小非线性失真，用于功率放大电路。 减小非线性失真，用于功率放大电路。 丙类放大：导通角小于 丙类放大：导通角小于180° °
CTGU
Fundamental of Electronic Technology
1
8.5.1 功率放大电路的一般问题 射极输出器--甲类放大的实例 射极输出器 甲类放大的实例 8.5.2 乙类双电源互补对称功率放大电路 8.5.3 甲乙类互补对称功率放大电路
2
掌握功率放大电路的构成与原理
3
8.1 功率放大电路的一般问题
令 dPT 1 / dVom = 0
Vom
则
2VCC (≈ 0.6VCC ) 此时具有最大管耗： = 此时具有最大管耗： π
2 2 1 VCCVom Vom 1 VCC = π − 4 = π2 ⋅ R ≈ 0.2 Pom RL L
VCC Vom − =0 2 π
故
PT 1m
Po max η = × 100 % PV
Pomax : 负载上得到的交流信号功率。 负载上得到的交流信号功率。 PV ： 电源提供的直流功率。 电源提供的直流功率。 (4) 管子的保护。 管子的保护。
8
8.5.1 功率放大电路的一般问题
4. 提高效率的途径 降低静态功耗，即减小静态电流。 降低静态功耗，即减小静态电流。
OTL: Output TransformerLess OCL: Output CapacitorLess
18
8.5.2 乙类双电源互补对称功率放大电路
1. 电路组成 1) 由NPN型、PNP型三极 型 型三极 管构成两个对称的射极 输出器对接而成。 输出器对接而成。静态 时管子不取电流， 时管子不取电流，有信 号时， 轮流导电， 号时，T1和T2轮流导电， 组成推挽式电路。 组成推挽式电路。 2) 双电源供电。 双电源供电。 3) 输入输出端不加隔直电 所以称为OCL电路。 电路。 容。所以称为 电路
2 1 VCC Pom = ⋅ 2 RL
最大管耗和最大输出功率之间的关系就 是乙类互补对称电路选择管子的依据。 是乙类互补对称电路选择管子的依据。
25
5. 功率 功率BJT的选择 的选择
2．功率BJT的选择 ．功率 的选择 若想得到最大输出功率， 的参数必须满足条件： 若想得到最大输出功率，BJT的参数必须满足条件： 的参数必须满足条件 1．每只BJT的最大允许管耗 CM必须大于 ．每只 的最大允许管耗P 的最大允许管耗 Pt1m≈0.2Pom； 2．管子的|V(BR)CEO|>2VCC； ．管子的 3．通过BJT的最大集电极电流不低于其 CM。 ．通过 的最大集电极电流不低于其I 的最大集电极电流不低于其
USC RE
ICQ = =
0.5 SC U 0.5 SC U
RE
RL 若忽略晶体管的饱和 压降和截止区， 压降和截止区，输出 信号u 信号 o的峰值最大只 能为： 能为： Uomm = 0.5 SC U ax
15
1. 直流电源输出的功率
iC = I CQ + ic
1 T PE = ∫ U SC iC dt T 0
ηmax =
Pm O ax
P E
= 25%
(RL=RE时)
16
放大电路的输出没有失真的工作方式称为甲类放大。 放大电路的输出没有失真的工作方式称为甲类放大。 甲类放大
如何解决效率低的问题？ 如何解决效率低的问题？
办法：降低 点 办法：降低Q点。 缺点：但又会引起截止失真。 缺点：但又会引起截止失真。 既降低Q点又不会引起截止失真的办法： 既降低 点又不会引起截止失真的办法：采用 点又不会引起截止失真的办法
iL=ic2
T1、T2两个晶体管都只在半个周期 内工作，工作在乙类放大方式。 乙类放大方式 内工作，工作在乙类放大方式。
20
3. 分析计算
（1）最大不失真输出功率 omax ）最大不失真输出功率P 实 际 输 出 功率 实际 输出 功 率 Po ： Po = V o I o =
V om 2 ⋅ V = om 2 RL 2 ⋅ RL V om
2VCCVom πRL
当输出电压幅值最大时 电源供给的功率最大： 电源供给的功率最大：
PVm
2 VCC = ⋅ π RL
2
（4）效率η ）
Po π Vom = ⋅ η= PV 4 VCC
当输出电压幅值最大时 效率最高： 效率最高：
η=
π
4
≈ 78.5 %
23
4. 功率与输出幅度的关系
8.3.3
24
2
T1、T2饱和导通时输出达到最大值。则负载（RL)上的电压 饱和导通时输出达到最大值。 则负载（ 上的电压 和电流的最大幅值分别为： 和电流的最大幅值分别为：
Vommax = (VCC − VCES ) ≈ VCC V I Lmmax ≈ CC RL
负载上得到的最大 功率P 功率 om为：
2 2 1 Vom 1 VCC P = ⋅ = ⋅ om 2 RL 2 RL
12
5. 三种工作状态
静态工作点对工作状 态的影响： 态的影响：
图8.1.1
??? 用哪种组态的电路作功率放 大电路最合适？ 大电路最合适？ 提高效率的途径：为了提高效率， 提高效率的途径：为了提高效率，应尽量降低功放管的静态 工作点，使静态电流很小或为零， 工作点，使静态电流很小或为零，使电路工作在乙类或甲乙 但这样（对于单管电路来说）将使输出波形失真很大。 类，但这样（对于单管电路来说）将使输出波形失真很大。 解决矛盾的方法是，采用互补对称 推挽式功率放大电路 互补对称或 功率放大电路。 解决矛盾的方法是，采用互补对称或推挽式功率放大电路。
图8.3.2
21
3. 分析计算
（2）管耗 T ）管耗P 单个管子在半个周期内的管耗
vo 1 π PT1 = (VCC − v o ) d(ω t ) 0 2π RL
∫
V sin ωt 1 π (VCC − Vom sin ωt ) om d(ω t ) = 2π 0 RL
∫
1 = 2π
∫
π
0
VCCVom Vom ( sin ωt − sin 2ωt ) d(ω t ) RL RL
??? 功率放大电路与前面介绍的电压放大 电路有本质上的区别吗？ 电路有本质上的区别吗？
9
5. 三种工作状态
根据功放管在正弦信号整个周期内的导通情况， 根据功放管在正弦信号整个周期内的导通情况 ， 可将其工 作状态分为：甲类放大、乙类放大、甲乙类放大三种状态。 作状态分为：甲类放大、乙类放大、甲乙类放大三种状态。 甲类放大：放大电路的输出没有失真的工作方式。 甲类放大：放大电路的输出没有失真的工作方式。 iC iC
6
8.5.1 功率放大电路的一般问题
3. 要解决的问题
(1) 要求输出功率 O尽可能的大。功放电路中电流、 要求输出功率 尽可能的大。功放电路中电流、 输出功率P 电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超 电压要求都比较大， 过晶体管的极限值: 过晶体管的极限值 ICM 、UCEM 、 PCM 。
= I CQ + I cm sin(ωt + ϕ )
2 USC T 1 T USC P = ∫ USCiCdt = E ∫0 iCdt =USC ×ICQ = 2RL T 0 T 2. 最大负载功率 2 2 Uommax 0.5 SC U 2 2 U 2 P max = = = SC O RL 8RL RL 3. 最大效率
iC
Q
工作点位置
v BE
0
π θ
2π
ωt
电流波形
特点：管子导通角θ 特点：管子导通角θ＝π，静态电流等于零，管耗 静态电流等于零， 效率高，用于功率放大电路。 小，效率高，用于功率放大电路。
11
5. 三种工作状态
甲乙类放大：两管导通时间均比半个周期大一些的工作方式。 甲乙类放大：两管导通时间均比半个周期大一些的工作方式。
2
2
1 VCCVom Vom ( ) = − RL π 4
两管管耗
2 VCCVom Vom PT = PT1 + PT2 = ( − ) RL π 4
22
2
3. 分析计算
（3）电源供给的功率 V ）电源供给的功率P
PV = Po + PT =
直流电源供给的功率P 直流电源供给的功率 v包括负载得 到的信号功率和T 消耗的功率。 到的信号功率和 1\T2消耗的功率。
推挽输出电路，或互补对称射极输 推挽输出电路， 出器。 出器。
17
互补对称：电路中采用两支晶体管， 互补对称：电路中采用两支晶体管，NPN、 、 PNP各一支；两管特性一致。 各一支； 各一支 两管特性一致。 类型： 类型： 互补对称功放的类型
无输出变压器形式 （ OTL电路） 电路） 电路
无输出电容形式 （ OCL电路） 电路） 电路
Ic ICM PCM
UCEM
uce
7
8.5.1 功率放大电路的一般问题
3. 要解决的问题
(2) 电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。 电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真 防止波形失真。 (3) 电源提供的能量尽可能转换给负载，减少晶体管及 电源提供的能量尽可能转换给负载， 线路上的损失。即注意提高电路的效率 提高电路的效率（ 线路上的损失。即注意提高电路的效率（η）。
IC
Q
工作点位置
v BE
0
π 2π θ
ωt
电流波形
特点：管子导通角θ＝2π，静态电流大于零，管耗大，效 特点：管子导通角θ π 静态电流大于零，管耗大， 率低，用于小信号放大和驱动极。 率低，用于小信号放大和驱动极。
10
5. 三种工作状态
乙类放大： 乙类放大： 晶体管只在半个周期内工作的方式 。
iC
19
8.5.2 乙类双电源互补对称功率放大电路
2. 工作原理
1）静态时： ）静态时： vi = 0V → T1、T2均不工作 → vo = 0V 因此，不需要隔直电容。 因此，不需要隔直电容。 2）动态时： ）动态时： T1导通，T2截止 导通， vi > 0V iL= ic1 ; vi < 0V T1截止，T2导通 截止，
问题讨论: 问题讨论
射极输出器输出电阻低， 射极输出器输出电阻低，带负载 能力强， 能力强，可以用做功率放大器吗 不合适， 不合适，因 为效率太低 。 ib
估算射极输出器的效率 ： ic (设RL=RE) 设 U
SC
RE
USC Rb
Q
USC ui uo RE uo uo t
uce
14
为使输出信号的幅值尽可能大(要保证不失真 ， 为使输出信号的幅值尽可能大 要保证不失真)，静 要保证不失真 态工作点（ ）设置较高（靠近负载线的中部）。 态工作点（Q）设置较高（靠近负载线的中部）。 Ic 交流负 载线 直流负 载线 Q uCE USC uo的取 值范围 静态工作点： 静态工作点： UCEQ = 0.5USC
5. 功率 功率BJT的选择 的选择
1．最大管耗和最大功率的关系 ．
管耗P 是输出电压幅值V 的函数，因此用求极值的方法求： 管耗 T是输出电压幅值 om的函数，因此用求极值的方法求：
dPT 1 / dVom
2 1 VCCVom Vom 1 VCC Vom / dVom = = d − − 4 RL π 2 RL π
1. 功率放大电路的主要作用
用作放大电路的输出级， 驱动执行机构。 用作放大电路的输出级，以驱动执行机构。如使扬声器 输出级 执行机构 发声、继电器动作、 仪表指针偏转等。 发声、继电器动作、
例1： 扩音系统 ： 信 号 提 取 1-R3:标准电阻 标准电阻 Va : 基准电压 Rt :热敏电阻 热敏电阻 A：电压放大器 ： R2 a R3 b
Vsc 功 + + - A vo1 放
加 热
vo
Rt 温控室
元 件
T T
Rt
Vb
VO1
VO
5
8.5.1 功率放大电路的一般问题
2. 功率放大电路的主要特点 功率放大电路是一种以输出较大功率为 目的的放大电路。 因此， 目的的放大电路 。 因此 ， 要求同时输出较 大的电压和电流。 大的电压和电流。 管子工作在接近极限状 态。 一般直接驱动负载，带负载能力要强。 一般直接驱动负载，带负载能力要强。
iC
iC
IC
Q
v BE
0
π
2π
ωt
工作点位置
2π − θ
电流波形
特点：管子导通角π 静态电流很小，可提高效率、 特点：管子导通角π＜ θ＜2 π ，静态电流很小，可提高效率、 减小非线性失真，用于功率放大电路。 减小非线性失真，用于功率放大电路。 丙类放大：导通角小于 丙类放大：导通角小于180° °
CTGU
Fundamental of Electronic Technology
1
8.5.1 功率放大电路的一般问题 射极输出器--甲类放大的实例 射极输出器 甲类放大的实例 8.5.2 乙类双电源互补对称功率放大电路 8.5.3 甲乙类互补对称功率放大电路
2
掌握功率放大电路的构成与原理
3
8.1 功率放大电路的一般问题
令 dPT 1 / dVom = 0
Vom
则
2VCC (≈ 0.6VCC ) 此时具有最大管耗： = 此时具有最大管耗： π
2 2 1 VCCVom Vom 1 VCC = π − 4 = π2 ⋅ R ≈ 0.2 Pom RL L
VCC Vom − =0 2 π
故
PT 1m
Po max η = × 100 % PV
Pomax : 负载上得到的交流信号功率。 负载上得到的交流信号功率。 PV ： 电源提供的直流功率。 电源提供的直流功率。 (4) 管子的保护。 管子的保护。
8
8.5.1 功率放大电路的一般问题
4. 提高效率的途径 降低静态功耗，即减小静态电流。 降低静态功耗，即减小静态电流。
OTL: Output TransformerLess OCL: Output CapacitorLess
18
8.5.2 乙类双电源互补对称功率放大电路
1. 电路组成 1) 由NPN型、PNP型三极 型 型三极 管构成两个对称的射极 输出器对接而成。 输出器对接而成。静态 时管子不取电流， 时管子不取电流，有信 号时， 轮流导电， 号时，T1和T2轮流导电， 组成推挽式电路。 组成推挽式电路。 2) 双电源供电。 双电源供电。 3) 输入输出端不加隔直电 所以称为OCL电路。 电路。 容。所以称为 电路
2 1 VCC Pom = ⋅ 2 RL
最大管耗和最大输出功率之间的关系就 是乙类互补对称电路选择管子的依据。 是乙类互补对称电路选择管子的依据。
25
5. 功率 功率BJT的选择 的选择
2．功率BJT的选择 ．功率 的选择 若想得到最大输出功率， 的参数必须满足条件： 若想得到最大输出功率，BJT的参数必须满足条件： 的参数必须满足条件 1．每只BJT的最大允许管耗 CM必须大于 ．每只 的最大允许管耗P 的最大允许管耗 Pt1m≈0.2Pom； 2．管子的|V(BR)CEO|>2VCC； ．管子的 3．通过BJT的最大集电极电流不低于其 CM。 ．通过 的最大集电极电流不低于其I 的最大集电极电流不低于其
USC RE
ICQ = =
0.5 SC U 0.5 SC U
RE
RL 若忽略晶体管的饱和 压降和截止区， 压降和截止区，输出 信号u 信号 o的峰值最大只 能为： 能为： Uomm = 0.5 SC U ax
15
1. 直流电源输出的功率
iC = I CQ + ic
1 T PE = ∫ U SC iC dt T 0
ηmax =
Pm O ax
P E
= 25%
(RL=RE时)
16
放大电路的输出没有失真的工作方式称为甲类放大。 放大电路的输出没有失真的工作方式称为甲类放大。 甲类放大
如何解决效率低的问题？ 如何解决效率低的问题？
办法：降低 点 办法：降低Q点。 缺点：但又会引起截止失真。 缺点：但又会引起截止失真。 既降低Q点又不会引起截止失真的办法： 既降低 点又不会引起截止失真的办法：采用 点又不会引起截止失真的办法
iL=ic2
T1、T2两个晶体管都只在半个周期 内工作，工作在乙类放大方式。 乙类放大方式 内工作，工作在乙类放大方式。
20
3. 分析计算
（1）最大不失真输出功率 omax ）最大不失真输出功率P 实 际 输 出 功率 实际 输出 功 率 Po ： Po = V o I o =
V om 2 ⋅ V = om 2 RL 2 ⋅ RL V om
2VCCVom πRL
当输出电压幅值最大时 电源供给的功率最大： 电源供给的功率最大：
PVm
2 VCC = ⋅ π RL
2
（4）效率η ）
Po π Vom = ⋅ η= PV 4 VCC
当输出电压幅值最大时 效率最高： 效率最高：
η=
π
4
≈ 78.5 %
23
4. 功率与输出幅度的关系
8.3.3
24
2
T1、T2饱和导通时输出达到最大值。则负载（RL)上的电压 饱和导通时输出达到最大值。 则负载（ 上的电压 和电流的最大幅值分别为： 和电流的最大幅值分别为：
Vommax = (VCC − VCES ) ≈ VCC V I Lmmax ≈ CC RL
负载上得到的最大 功率P 功率 om为：
2 2 1 Vom 1 VCC P = ⋅ = ⋅ om 2 RL 2 RL
12
5. 三种工作状态
静态工作点对工作状 态的影响： 态的影响：
图8.1.1
??? 用哪种组态的电路作功率放 大电路最合适？ 大电路最合适？ 提高效率的途径：为了提高效率， 提高效率的途径：为了提高效率，应尽量降低功放管的静态 工作点，使静态电流很小或为零， 工作点，使静态电流很小或为零，使电路工作在乙类或甲乙 但这样（对于单管电路来说）将使输出波形失真很大。 类，但这样（对于单管电路来说）将使输出波形失真很大。 解决矛盾的方法是，采用互补对称 推挽式功率放大电路 互补对称或 功率放大电路。 解决矛盾的方法是，采用互补对称或推挽式功率放大电路。
图8.3.2
21
3. 分析计算
（2）管耗 T ）管耗P 单个管子在半个周期内的管耗
vo 1 π PT1 = (VCC − v o ) d(ω t ) 0 2π RL
∫
V sin ωt 1 π (VCC − Vom sin ωt ) om d(ω t ) = 2π 0 RL
∫
1 = 2π
∫
π
0
VCCVom Vom ( sin ωt − sin 2ωt ) d(ω t ) RL RL
??? 功率放大电路与前面介绍的电压放大 电路有本质上的区别吗？ 电路有本质上的区别吗？
9
5. 三种工作状态
根据功放管在正弦信号整个周期内的导通情况， 根据功放管在正弦信号整个周期内的导通情况 ， 可将其工 作状态分为：甲类放大、乙类放大、甲乙类放大三种状态。 作状态分为：甲类放大、乙类放大、甲乙类放大三种状态。 甲类放大：放大电路的输出没有失真的工作方式。 甲类放大：放大电路的输出没有失真的工作方式。 iC iC
6
8.5.1 功率放大电路的一般问题
3. 要解决的问题
(1) 要求输出功率 O尽可能的大。功放电路中电流、 要求输出功率 尽可能的大。功放电路中电流、 输出功率P 电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超 电压要求都比较大， 过晶体管的极限值: 过晶体管的极限值 ICM 、UCEM 、 PCM 。
= I CQ + I cm sin(ωt + ϕ )
2 USC T 1 T USC P = ∫ USCiCdt = E ∫0 iCdt =USC ×ICQ = 2RL T 0 T 2. 最大负载功率 2 2 Uommax 0.5 SC U 2 2 U 2 P max = = = SC O RL 8RL RL 3. 最大效率
iC
Q
工作点位置
v BE
0
π θ
2π
ωt
电流波形
特点：管子导通角θ 特点：管子导通角θ＝π，静态电流等于零，管耗 静态电流等于零， 效率高，用于功率放大电路。 小，效率高，用于功率放大电路。
11
5. 三种工作状态
甲乙类放大：两管导通时间均比半个周期大一些的工作方式。 甲乙类放大：两管导通时间均比半个周期大一些的工作方式。
2
2
1 VCCVom Vom ( ) = − RL π 4
两管管耗
2 VCCVom Vom PT = PT1 + PT2 = ( − ) RL π 4
22
2
3. 分析计算
（3）电源供给的功率 V ）电源供给的功率P
PV = Po + PT =
直流电源供给的功率P 直流电源供给的功率 v包括负载得 到的信号功率和T 消耗的功率。 到的信号功率和 1\T2消耗的功率。
推挽输出电路，或互补对称射极输 推挽输出电路， 出器。 出器。
17
互补对称：电路中采用两支晶体管， 互补对称：电路中采用两支晶体管，NPN、 、 PNP各一支；两管特性一致。 各一支； 各一支 两管特性一致。 类型： 类型： 互补对称功放的类型
无输出变压器形式 （ OTL电路） 电路） 电路
无输出电容形式 （ OCL电路） 电路） 电路
Ic ICM PCM
UCEM
uce
7
8.5.1 功率放大电路的一般问题
3. 要解决的问题
(2) 电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。 电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真 防止波形失真。 (3) 电源提供的能量尽可能转换给负载，减少晶体管及 电源提供的能量尽可能转换给负载， 线路上的损失。即注意提高电路的效率 提高电路的效率（ 线路上的损失。即注意提高电路的效率（η）。
IC
Q
工作点位置
v BE
0
π 2π θ
ωt
电流波形
特点：管子导通角θ＝2π，静态电流大于零，管耗大，效 特点：管子导通角θ π 静态电流大于零，管耗大， 率低，用于小信号放大和驱动极。 率低，用于小信号放大和驱动极。
10
5. 三种工作状态
乙类放大： 乙类放大： 晶体管只在半个周期内工作的方式 。
iC
19
8.5.2 乙类双电源互补对称功率放大电路
2. 工作原理
1）静态时： ）静态时： vi = 0V → T1、T2均不工作 → vo = 0V 因此，不需要隔直电容。 因此，不需要隔直电容。 2）动态时： ）动态时： T1导通，T2截止 导通， vi > 0V iL= ic1 ; vi < 0V T1截止，T2导通 截止，