孙肖子版模拟电子电路及技术基础课件 第9章

U ( BR ) CEO ≥ 2U CC
(4） 功率管允许的最大集电极电流ICM。
(9.2.18)
由图9.2.1可知，V1管饱和导通时，V2管将截止， 此时 V1管的射极电压为UCC， 故
第九章 功率放大电路
第九章 功率放大电路
对功放电路来讲， 由于输出功率较大， 效率问题就 变得十分重要， 否则， 就会造成极大的功率浪费， 甚至 还会带来功率管的不安全因素。 效率定义为
Po η = × 100% PE
(9.1.3)
将式（9.1.2）代入式（9.1.3）可得
η Po = Pc 1 −η
将随η增加而迅速提高。
第九章 功率放大电路
图9.2.2中分别画出了功放输出波形的三种情况。 (1) 任意状态： Uom=Uim（因为是共集组态Au=Uom /Uim≈1）； (2) 最大状态： Uom=UCC－UCES（式中UCES为集电极饱 和电压）; (3) 理想状态：Uom≈UCC（不考虑UCES）。 有关指标计算如下： 1) 输出功率Po 如果输入、 输出为正弦信号， 则负载得到的功率为
第九章 功率放大电路
3. 指标分析计算 指标分析计算 B类互补跟随对称功率放大电路的集电极电流和电压 波形如图9.2.2所示。 它是将V2管导通特性倒置后与V1管导 通特性画在一起， 让静态工作点Q重合， 形成两管的合 成曲线。
第九章 功率放大电路
图9.2.2 双电源互补跟随对称电路的图解分析
第九章 功率放大电路
图9.1.1 功放电路的工作状态 (a) A类工作状态； (b) B类工作状态； (c) C类工作状态
第九章 功率放大电路
2. B类工作状态 类工作状态 如图9.1.1(b)所示， 工作点Q设在截止点处， ICQ=0。 输入信号在整个周期内变化时， 放大管只有半周导通， 另外半周截止， 导通角θ=180°。 特点： 静态电流约等于零； 动态时，半个周期内无 电流， 效率较高， 但非线性失真大；用于功率放大电路。
第九章 功率放大电路
第九章 功率放大电路
9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 功率放大电路的一般问题 互补跟随对称功率放大电路 D类功率放大电路 类功率放大电路 集成功率放大电路 功率器件
第九章 功率放大电路
9.1 功率放大电路的一般问题 功率放大电路的一般问题
9.1.1 特点和要求 特点和要求
2 1 U CC PCm π 2 RL 2 = = 2 ≈ 0.2 2 1 U CC Pom π 2 RL
(9.2.15)
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式(9.2.15)提供了选择功率管功耗的依据。 例如， 负载要求 的最大功率Pom=10W，那么只要选一个功耗PCm大于0.2Pom =2W的功率管就行了。 5) 选择功率管 为保证晶体功率管的安全和输出功率的要求， 电源及 输出功率管参数的选择原则如下： (1) 已知Pom及RL， 选UCC，则
(9.1.4)
上式表明， 当集电极损耗功率PC一定时， 交流输出功率Po
第九章 功率放大电路
(3) 非线性失真要小。 由于功放管工作在大信号状态， 因此非线性失真不可避免。 如何减小非线性失真， 同时 又得到大的交流输出功率， 这也是功放电路设计者必须 要考虑的问题之一。 (4) 功率器件的安全问题必须考虑。 在功放电路中， 有相当大的功率消耗在功放管的集电结上， 它使管子的 结温和管壳稳度升高。 为了保证功放管安全、 可靠地运 行， 必须要限制功耗、 最大电流和管子承受的反压， 要 有良好的散热条件和适当的过流、 过压保护措施。
第九章 功率放大电路
3. C类工作状态 类工作状态 如图9.1.1(c)所示， 工作点Q位于截止区, ICQ=0， 导通角 θ<180°。 特点： 静态电流等于零; 动态时， 小于半个周期以内有 电流， 导通角θ<180°， 效率更高， 失真最大； 用于高频功 率放大电路。 此外， 还有一种工作状态称为AB类工作状态， 它介于A 类与B类状态之间。 在这种状态下， 放大管中的电流流通时 间大于信号的半个周期， 而小于整个周期， 如图9.1.2所示。 这种工作状态兼有A类失真小和B类效率高的优点， 是A类和 B类的折中方案。
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图9.2.1 双电源互补跟随对称功放电路 (a) 电路图； (b) 正半周； (c) 负半周
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2. 工作原理 工作原理 静态(ui=0)时，V1、V2处于微导通状态， 静态工作电流 IC1Q=IC2Q≈0, IL=0。 动态(ui≠0)时，在输入信号正半周时(ui>0)，V1管发射结 因加正向电压而导通，V2管截止， 集电极电流iC1流过负载 RL；在输入信号负半周时(ui<0)，V1管截止， 而V2管导通， 集电极电流iC2流过负载RL，但方向与正半周相反， 波形如图 9.2.1(b)、(c)所示。 显然，在输入信号一个周期内，V1、V2两管交替工作， 以弥补对方不能导通的半个周期的波形， 在负载RL上合成一 个完整的输出波形。 由于该电路两管特性参数对称， 并且 正、 负电源相等， 故又称之为互补跟随推挽功率放大器。
PE max
2 2U CC = π RL
(9.2.8)
当ξ=0时， PE最小， 其最小功率为
PE min = 0
(9.2.9)
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可见, 直流电源提供的功率PE不是恒定不变的， 而是随输 入信号大小而变化。 输入信号小， PE也小；输入信号大， PE也大。 3) 效率η 效率η指交流输出功率Po与直流电源提供的功率PE之比， 即
1 Io = 2π
∫
π
0
I cm sin ωtd (ωt ) =
I cm
π
(9.2.6)
因此， 两个电源提供的总平均功率为
PE = 2 I oU CC = 2 I cmU CC
2 2U om 2U CC = U CC = ξ π RL π RL
π
(9.2.7)
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可见, 电源电压越大， 输入信号越强(ξ越大)， RL越小， 则 电源提供的功率PE就越大。 当ξ=1时，PE最大， 其最大功率为
第九章 功率放大电路
2 1 U CC Pom = 2 RL
(9.2.16)
U CC ≥ 2 Pom RL
(2） 已知Pom， 选择管子允许的最大管耗PCm。对一个 功率管而言， 其最大管耗为
PCM ≥ PCm = 0.2 Pom
(9.2.17)
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(3） 功率管的最大耐压U(BR)CEO。 由图9.2.2可知，当信号最大时， 一管趋于饱和， 而 另一管趋于截止， 截止管承受的最大反压为2UCC的电源。 因此，功率管耐压必须大于2UCC，即
Po πξ η = × 100% = × 100% 4 PE
(9.2.10)
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在理想情况下（ξ=1时）， 效率达到最高
η= π
4 = 78.5%
(9.2.11)
考虑到管子的饱和压降和电阻等元件上的损耗， 实际功放 电路的效率一般在60%左右。 4) 管耗PC 每只管子的管耗PC等于每管由电源输入的直流功率 与每管输出的交流功率之差。 单管管耗
(9.2.2)
(9.2.3)
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号越大， Uom增大， 电压利用率也增大。 最大输出电压 振幅为 Uom(max)=UCC－UCES≈UCC (ξ=1) 故理想状态下， 最大输出功率Pom为
2 1 U CC Pom = 2 RL
(9.2.4)
(9.2.5)
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2) 直流电源提供的功率 E 直流电源提供的功率P 由于每个晶体管的集电极电流为半个周期的非正 弦波， 用傅里叶级数展开， 其电流的平均值Io为
第九章 功率放大电路
PE Po U CC U o 1 U o2 PC = − = − 2 2 π RL 4 RL
(9.2.12)
可见， 每个管子的损耗PC是输出信号振幅的函数。 无信 号时， 管子的损耗为零。 现将PC对Uo求导， 可得出最大 管耗PCm。 令
dPC 1 U CC 1 = ( − Uo ) = 0 dU o RL π 2
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图9.1.2 AB类工作状态
第九章 功率放大电路
9.1.3
提高功率放大电路效率的方法 提高功率放大电路效率的方法
由于电源供给的功率是由信号输出功率和管耗组成的， 因此降低管耗可有效地提高功放电路的效率。 由功放工作 状态分类可知， 静态电流是产生管耗的主要因素， 提高效 率应尽可能降低功放管的静态工作点， 使静态电流很小或 为零， 所以， 功放电路通常采用AB类或B类Po = I 有效U 有效＝ I omU om 2
(9.1.1)
显然， 功率管处于大信号范围工作， 小信号等效电路分析 法就不准确了， 所以在功率放大电路中一般采用图解分析法 进行分析。 (2) 效率要高。 由于负载得到的有用功率是在输入信号 的控制下， 通过晶体管的作用由直流电源提供的能 量转换而来， 在转换时， 管子和电路中的耗能元件均要消 耗功率。 设直流电源提供的直流功率为PE， 交流输出功率 为Po， 集电极损耗功率为PC, 则 PE=Po+PC （9.1.2）
因此功率管耐压必须大于2ucc92184功率管允许的最大集电极电流icm第九章功率放大电路92195管子的最大输出功率pomax9220对于b类互补跟随对称功率放大电路两功率管的安全情况应根据式9217检查管耗是否超过允许值同时在最大输出功率时管子上的最大电流和电压是否超过极限值icm第九章功率放大电路思考题921某b类互补跟随对称功率放大电路若在负载不变的情况下要将输出功率提高一倍供电电压应提高多少倍
(9.2.13)
第九章 功率放大电路
得出， 当 U o = π U CC 时， 每管的损耗最大， 即
2 1 U CC 2 1 2 1 U CC ⋅ U CC − ( U CC ) 2 ] = 2 PCm = [ RL π π 4 π π RL
2
(9.2.14)
那么，我们可以得出一个重要结论，即PCm与最大输出 功率的关系为
9.2.1 B类互补对称功率放大电路 类互补对称功率放大电路 1. 电路组成 电路组成 由上节分析可以看出， 功放电路采用B类工作状态可以提高 效率， 但功放管工作在B类时， 管子的静态工作电流为零， B 输出波形将被削去一半， 从而产生严重的非线性失真。 由 于电路结构对称， 两管输出电流波形互相补偿， 最后在负 载得到不失真的波形。互补跟随对称功率放大器电路结构与 集成运放输出级很相似， 其中二极管VD1、VD2的作用是克 服“交越失真”， 如图9.2.1(a)所示。
功率放大电路的主要任务是不失真地给负载提供足够 大的信号功率。 从能量转换的观点看， 功率放大电路与电 压放大电路并无本质上的差别， 只是考虑问题的侧重点不 同。 功率放大电路工作在大功率、 大信号状态下， 其特点 和要求如下： (1) 输出功率尽可能大。 由于功率是电压和电流的乘 积， 为了获得大的输出功率， 功率管上的电压和电流都要 有足够大的幅度， 即
第九章 功率放大电路
2 I om U om 1 1 U om Po = ⋅ = I omU om = 2 RL 2 2 2
(9.2.1)
一般情况下， 输出电压的幅值Uom小于电源电压UCC值， 故 引入电源利用系数ξ， 即
U om ξ= U CC
式（9.2.1）可改写为
2 2 1 U om 1 ξ 2U CC Po = = 2 RL 2 RL
第九章 功率放大电路 9.1.2 功率放大电路的工作状态 功率放大电路的工作状态
功率放大电路根据静态工作点Q的位置不同， 可分为 A类、 B类、 C类来描述功放电路的工作状态， 如图 9.1.1所示。 1. A类工作状态 类工作状态 如图9.1.1(a)所示， 工作点Q设在交流负载线的中点处， 即放大管在输入信号整个周期内变化， ICQ不为零， 放大 管均导通， 导通角θ=360°。特点： 静态电流大； 动态时， 整个信号周期内有电流， 非线性失真小， 管耗大， 且效 率最低； 用于小信号放大和驱动级。
第九章 功率放大电路
工作在AB类或B类的功放电路， 虽然减小了静态 功耗， 提高了效率， 但它们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措施， 解决的 方法是， 采用互补对称或推挽功率放大电路。
第九章 功率放大电路
9.2 互补跟随对称功率放大电路 互补跟随对称功率放大电路