高效率的功率放大电路

如果忽略功率管的饱和压降 V CE S 和穿透电流 I CE O , 则 Vcm E C I cm I CQ 由此可以得出尽限利用时的最大输出功率为 P om = 而电源提供的功率为 Pd = EC I = EC 1 T
T O
I cm V cm 2 2
=
1 I E 2 CQ C
( 1)
( I C Q + I cm sin t ) dt = I CQ E C
( 2)
其中 I 为电源提供的平均电流。这时电源利用率为
m= m
Po m 1 = = 50% Pd 2
为甲类功率放大器的最大电源利用率 , 是在忽略功放管的 V CES 、 I CE O 和变压器损耗的前提 在未尽限利用 ( 尽限利用时输入信号为 v i m , 输出功率最大为 P om , 未尽限利用时输入信号
西
物
理
第 20 卷
图4
图5ห้องสมุดไป่ตู้
图 6 是高效率 OCL 功率放大实用电路。电路的上半部是典型的 OCL 功率放大电路 , 该 电路的工作原理与乙类功率放大电路相同, 只是静态工作点处于甲、 乙类之间 , 如果忽略晶体 管的饱和压降 V CES 和静态损耗 , 那么 OCL 电路的电源利用率与乙类功率放大电路一样 , 电源 利用率低的原因以及解决电源利用率低的方法也相同。 下半部是电压连续可调的开关稳压电源电路 , 该电路为 OCL 电路提供两组正负对称的 ∃ ∋ 电源 , 且通过 R ∃ W 可以连续调整。 R W 与功率放大电路的音量调节电位器 R W 分别是同轴双联 电位器中的一联 , 以保证电源输出的两组电压是随着输入信号大小的变化而按同样的比例变 化, 使 OCL 电路始终都工作于尽限利用状态, 保证功放大电路有较高的电源利用率。
3
高效实用的功率放大电路
∋
图 5 是高效率甲类功率放大实用电路, 电路的左半部是输出连续可调的开关稳压电源电 路, 它的输出直流稳压通过调节电位器 R∃ W 可以连续调整; 电路的右半部是甲类功率放大电 路, 由音量调节电位器 R W 中心轴头输出的信号经过前置放大电路放大后送到末级功率放大 13
广 电路进行功率放大 , 末级功率放大电路 输出信号的大小随着音量调节电位器中 心抽头位置的变化而变化。末级功率放 大电 路的电源 由左半部 的开关 电源提 供, 且 R∃W 和 R∋W 分别是同轴双联电位 器中的一联, 当 R ∋ W 的中心抽头位置变 化使前置放大电路的输入信号由小变大 时, R ∃ W 的中心抽头位置也 跟着做相应 的变动, 电源电压由小到大变化, 使甲类 功率 放大电路 始终都处 于尽限 利用状 态, 保证功率放大电路有较高的电源利 用率。
V2 o 是输出功 RL
Vo Vo E C 是电源提供的功率, 这里电源提供的电流 I = 忽略了功率管的静态 RL RL 电流 , 这样处理使 OCL 电路的电源利用率更接近于乙类功率放大电路。 表 1 f = 400H z 电路改进前的情况 ( V ) E C ( V ) v 0( V ) P o ( mw ) P d ( m w ) vi 10 9 8 7 6 5 4 3 15 5 15 5 15 5 15 5 15 5 15 5 15 5 15 5 9 64 9 64 7 75 6 80 5 82 4 90 3 93 2 87 154 9 124 4 100 1 77 1 56 5 40 0 25 7 13 7 249 0 223 2 200 2 175 7 150 4 126 6 101 5 74 1 62 2 55 7 50 0 43 9 37 6 31 6 25 3 18 5 电路改进后的情况 E C ( V ) v 0 ( V ) P o ( mw ) P d ( m w ) 15 5 13 9 12 6 11 2 9 7 8 3 7 0 5 1 9 64 8 70 7 78 6 80 5 82 4 85 3 90 2 78 154 9 126 2 100 9 77 1 56 5 39 2 25 4 12 9 249 0 201 6 163 4 126 9 94 1 67 1 45 5 23 6 62 2 62 6 61 8 60 8 60 4 58 4 55 8 54 7 15
第1期
高效率的功率放大电路
图3
! E ( 10 ) R B + ( 1+ !) R E C 由( 10) 式可见 , I C 会随着 E C 的减小而减小, 因此 , 只要使功放管的电源电压 E C 随着输入信号 & I C= ! IB = 的减小而降低, 随着输入信号的增大而升高, 就可以提高功率放大电路的电源利用率到 50% 。 图 2( b) 是乙类功放 ic 、 v CE 的波形图。图 2( b) 中 ! 是输入大信号 v i m , 功率放大管尽限利 1 用的波形, 此时电源利用率最大 , 接近 78 5% ; 图 2( b) 中 ∀ 是输入小信号( v i = v ) , 功放管 2 im 1 未尽限利用的波形, 此时电源的利用率下降 , 只有 39 25%。在同样大小输入信号( v i = 2 v im ) 的 1 情况下, 如果降低功放管的电源电压到 EC , 如图 4 所示, 则功放管又处于尽限利用状态。 2 由 ( 9) 式可以看出, 电源利用率 会随着输入信号大小的变化而变化 , 且电源利用率与输 入信号大小的比例常数 K 成线性关系。如果电源电压 E C 也随着输入信号大小的变化而变 化, 即如用 E∃ C = KE C 代替 ( 8) 式中的 E C , 则 1 K I om KE C 2 = = = 78. 5 % 2 4 K I om KE C 就是说, 如果电源电压 E C 始终与输入信号大小按同样的比例常数 K 变化 , 则功率管将始终处 于尽限利用状态 , 电源利用率为 78 5 % 。
+
关键词 分类号
尽限利用
未 尽限利用
高效率
在现实生活中, 功率放大器被应用于各种各样的场合, 在电视机中为显像管提供电子束偏 转的扫描功率, 在收音机和扩音机中为扬声器提供功率 , 在控制电机运动中为电机提供转动功 率等等。这些功率放大器的电源利用率都不是很高, 如在尽限利用的理想情况下, 甲类放大器 的电源利用率为 50% , 甲乙类放大器的电源利用率为 78 5% , 而在未尽限利用的情况下 , 电源 利用率会明显降低。本文讨论的高效率功率放大电路可以明显提高未尽限利用时功率放大电 路的电源利用率。
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图2
在未尽限利用时 , 同甲类功率放大器一样, 当输入信号 v i 由 0 增大到最大时, 输出电流、 电压的最大值分别用 K I o m 、 K V om 表示, 此时乙类功率放大器的输出功率为 K I om K V om 1 2 Po = = K I om E C ( 7) 2 2 2 电源提供的功率为 1 Pd = I EC= EC 2[ T 电源利用率为 = 可见, 乙类功率放大器未尽限利用( 0 Po = K Pd 4 ( 9)
广 表 2 f = 1000Hz vi 电路改进前的情况
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电路改进后的情况 E C ( V ) v 0 ( V ) P o ( mw ) P d ( m w ) 61 9 55 6 49 7 43 9 37 5 31 6 25 5 18 5 15 5 14 0 13 0 11 4 9 6 8 1 6 7 5 0 9 60 8 62 7 65 6 70 5 80 4 80 3 82 2 73 153 6 123 8 97 5 74 8 56 1 38 4 24 3 12 4 248 0 201 1 165 8 127 3 92 8 64 8 42 7 22 8 61 9 61 6 58 8 58 8 60 4 59 3 57 0 54 6
别是 3 9K 和 510 , R 2 是 4 7 K 电位器, C 2 为 47 ∀, R L 是 600 10 K 的双联电位器。 14
∋ 的标准负载, R ∃ W 和RW 是
第1期
高效率的功率放大电路
图6
表 1、 表 2 中的输入信号 v i 和输出信号 v o 是用电子管交流毫伏表测得 , P o = 率, P d = I E C =
4
实测结果
图 5、 图 6 两个实用电路在 486 微机上用 Pspice 程序模拟运行的结果与理论推导相符。 表 1、 表 2 是在输入信号频率分别为 400H z 和 1000Hz 的情况下对图 6 电路实测的结果。 在测量中图 6 的 T 1 、 T 2 分别用 3 DD 15 D 和 C 1815、 C 9015 组成的复合管代替, R 1 、 R3 分
T/2 0
( K I om sin t ) dt ] =
2
KI om E C
( 8)
K < 1 ) 时 , 电源利用率小于 78 5 % , 且与输入信号的大
小的比例系数 K 成正比。其原因是输出信号随着输入信号的减小而减小时, 加在功放管两端 的电压仍保持不变。
2
提高电源利用率的方法
图 1( b) 是甲类功放 ic 、 v CE 的波形图。图 1b 中 ! 是输入大信号 v i m , 功率放大管尽限利用 1 的波形 , 此时电源利用率最大, 接近 50% ; 图 1( b) 中 ∀ 是输入小信号( v i = v ) , 功率放大管 2 im 1 未尽限利用的波形, 此时电源利用率下降到 12 5% 。在同样大小输入信号 ( v i = v ) 情况 2 im 1 1 下, 如果减小功放级的电源电压到 E C , 降低功放管的集电极电流到 I CQ , 使工作点由 Q # 2 2 Q∃, 如图 3 所示, 此时电路的输出功率不变 , 功放管又处于尽限利用状态。 E C - 0. 7 EC % IB = R B + ( 1+ !) R E R B + ( 1+ !) R E 12
下, 功放管尽限利用时的电源利用率。 v i < v i m ) 时 , I c < I cm , V c< V cm 。为了便于分析, 用 K I cm 、 K V cm 分别表示未尽限利用输入信号 为 K v im 时, 输出信号 i c、 v c 的峰值 , 输入信号的幅度由 0 增到最大, i c、 v c 的峰值分别由 0 增到 I cm 、 V cm , K 则由 0 增到 1, 在输出为 K I cm 、 K V cm 时 , 输出功率为 2 2 这时电源提供的功率不变 ( 由 ( 2) 式可以看出 ) , 电源利用率为 = 可见, 甲类功率放大器未尽限利用( 0 Po 1 2 = K Pd 2 Po = K I cm K V cm = 1 2 K I CQ E C 2 ( 3)
1
功率放大器电源利用率低的原因
图1
图 1( a) 、 ( b) 分别是甲类功率放大器的电路图和功率放大管集成电极电压、 电流波形图。 由图 1( b) 可以看出, 在尽限利用时, i c、 v c 的峰值分别等于 I cm 和 V cm , 且
第1期
高效率的功率放大电路 V cm = E C - V CE S I cm = I CQ - I CE O
( 4)
K < 1 ) 时, 电源利用率小于 50% , 且与输入信号大小减
小的比例系数 K 的平方成正比, 即随着输入信号的减小, 电源利用率明显减小。其原因是输 出功率随输入信号的减小而减小, 但电源为功率放大器提供的功率却是不变的。 图二 ( a) 、 ( b) 分别是乙类功率放大器的电路图和功率放大器输出电压、 电流的波形图。由 图 2( b) 可以看出 , 在忽略晶体管的饱和压降 V CES 的前提下, 在尽限利用时, 输出信号 i o 、 vo 的 峰值分别等于 I om 和 V om E C , 两管总的最大输出功率为 P om = 而电源提供的功率为 P d = I E C = E C 2[ 1 T
T/ 2 0
I o m V om 2 2
= 1 I om E C 2 2
( 5)
( I om sin t ) dt ] =
I om E C
( 6)
其中 I 为电源提供的平均电流。这时电源利用率为
m= m
P om = = 78. 5 % Pd 4 11
为忽略晶体管饱和压降 V C ES 、 晶体管尽限利用时, 乙类功率放大器的最大电源利用率。
第 20 卷
第1期
广 西 物 理 GUANGXI WU LI
Vol. 20 No. 1 1999
高效率的功率放大电路
梁厚超 ( 河池师范专科学校物理系
摘 要
广西宜州
546300)
讨论一种高效率功率放大 电路 , 不但可 以节约 电能 , 更重要 的是可 以降低 功放管 的工作 温度 , 延长功率放大电路的使用寿命。 电源利用率 T N 722 7 5