功率放大器

图9—4互补跟随乙类功放负载线及工作点
(a)单管负载线；(b)双管负载线
第9章
功率电路及系统
1)输出交流功率PL
V1、V2为半周工作，但负载电流却是完整的正弦波。
1 1 1 U o2 PL I L U o I C U ce 2 2 2 RL
(9—9)
令， 为
Uo 称之为电压利用系数，那么式(9---9)可改写 U CC
第9章
功率电路及系统
UCC RL ICm
iC1
IC 0 T 2 0 (0, UCC) Q UC u CE
(a)
UCm
图9—4互补跟随乙类功放负载线及工作点
(a)单管负载线；(b)双管负载线
第9章
功率电路及系统
iC i C1
i C1
0
t
0
Q (0, UCC) u CE1
i C2 (b)
u c e1 i C2
U CC I CQ
可见，PE是一个固定不变的值，与信号的有无或
大小均无关。
第9章
功率电路及系统
2. 负载得到的交流功率PL
设变压器效率ηT=1,则PL=PRL=PR′L，即
1 T PL U C sin t I C sin tdt T 0 2 1 1 UC UC IC 2 2 RL
3.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PLm及RL，选UCC，则
2 1 U CC PLm 2 RL
U CC 2 PLm RL
(2)已知PLm，选择管子允许的最大功耗PCM。 管子允许的最大功耗
(9—19)
PCM PCm 0.2 PLm
当信号最大，ξ=1时，效率达到最高：
(9—14)
m

4
78.5%
可见，B类工作的效率远比A类的高。
第9章
功率电路及系统
4)每个管子损耗PC
PE PL U CC U o 1 U o2 PC 2 2 RL 4 RL
可见，每个管子的损耗PC是输出信号振幅的函数。将PC对Uo求 导，可得出最大管耗PCm。令
(b)B类(导通角为180°);(c)C类(导通角＜180°)
第9章
功率电路及系统
iC
iC
0
Q 0 π t u BE
(c)
图9—1放大器的工作状态分类 (a)A类(导通角为360°); (b)B类(导通角为180°);(c)C类(导通角＜180°)
第9章
功率电路及系统
分析结果表明，A类工作时非线性失真虽小，但 效率太低，且没有收到信号时，电源仍供给功率 (ICQ≠0)，这些功率将转化为无用的管耗。B类工作时非 线性失真虽大(波形只有半周)，但效率却很高，只要我 们在电路结构上加以弥补，非线性失真是可以减小的， 所以，在功率放大器中大多采用B类工作。C类工作主 要用于高频功率放大器中，这里不予讨论。
为保证功率放大器良好的低频响应，电容C必须满足
(9—23)
1 C 2f L RL
请读者自行分析。
(9—24)
式中fL为放大器所要求的下限频率。有关放大器的其它指标，
第9章
功率电路及系统
三、复合管及准互补乙类功率放大器(OCL电路)
在功率放大器中，输出功率大，输出电流也大。 如要求输出功率P Lm =10W，负载电阻为10Ω，那么， 功率管的电流峰值I Cm=1.414A。若功率管的β=30，则 要求基极驱动电流IBm=41.1mA。前级晶体管放大器或 运算放大器，若输不出这样大的电流来驱动后级功率 管，则需要引入复合管。复合管又称达林顿电路。复 合管的总β值为
ICQ ICQ 0
ICQ
Q 交流负载线 1 － RL ′
t
0 0 UC
UCC
u CE u CE
(b)
UCEQ t
图9—2甲类功放电路及交、直流负载线
(a)电路；(b)交、直流负载线
第9章
功率电路及系统
二、功率与效率的计算
1.电源供出功率PE
1 PE T
U
0
T
CC
( I CQ I C sin t )dt
比为n，则初级等效交流负载R′L为
第9章
功率电路及系统
RL n 2 RL
(9—1)
式中，n=N1/N2。若RL太小，则要求R′L＞RL，
n＞1，变压器为降压变压器；反之，若RL太大，而要
求R′L＜RL,n＜1,则采用升压变压器。已知RL和最佳R′L， 即可确定变压比n的值。 图9—2中R B 为偏置电阻，其值决定了Q点的I CQ 及 IBQ。如果变压器是理想的，则直流工作点电压
(9—7)
1 m 50% 2
用A类放大器的原因。
(9—8)
可见，A类放大器无信号时，效率为零，而信号最强时最大效率也 只有50%。这是A类放大器的致命弱点，也是晶体管功率放大器极少采
第9章
功率电路及系统
9—1—3 互补跟随乙类(B类)功率放大器
一、双电源互补跟随乙类功率放大器(OTL电路) 1.电路 此类功率放大器的电路如图9—3所示，其电路形式 和集成运放的输出级是相同的。其中二极管是为克服
功率电路及系统
二、工作状态分类
根据直流工作点的位置不同，放大器的工作状态可 分为A类(甲类)、B类(乙类)、C类(丙类)等，如图9—1所 示。图(a)中，工作点Q较高(ICQ大)，信号在360°内变化， 管子均导通，称之为A类工作状态。图(b)中，工作点Q 选在截止点，管子只有半周导通，另外半周截止，称之 为B类工作状态。而图(c)中，工作点Q选在截止点下面， 信号导通角小于180°，称之为C类工作状态。
dP 1 U CC 1 C ( Uo ) 0 dUo RL 2
得出，当
Uo

2 时，每管的损耗最大： U CC
2 U CC 1 U CC 2 1 2 1 2 PCm [ U CC ( U CC ) ] 2 RL 4 RL
第9章
功率电路及系统
那么，我们可以得出一个重要结论，即PCm与最大
－UEE
来自百度文库
图9—3 互补跟随乙类功率放大器(OTL电路)
第9章
功率电路及系统
2. 功率与效率的计算
在B类工作时，静态工作点Q接近截止点，V1 、V2 都是半周导通，其电流iC1(或iC2)为半波正弦。画出该电 路的负载线和工作点位置如图9—4所示。 根据图9—4的波形，我们可以计算该电路的功率和
效率。
第9章
功率电路及系统
iC
iC Q
0
t
0
u BE
(a)
图9—1放大器的工作状态分类 (a)A类(导通角为360°); (b)B类(导通角为180°);(c)C类(导通角＜180°)
第9章
功率电路及系统
iC
iC
0
Q π 2π t 0 u BE
(b)
图9—1放大器的工作状态分类 (a)A类(导通角为360°);
(9—20)
第9章
功率电路及系统
(3)管子的击穿电压U(BR)CEO。
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UCC+|UEE|=2UCC，所以
U ( BR ) CEO 2U CC
(4)管子允许的最大电流ICM。
(9—21)
I CM I Cm
U CC RL
输出功率的关系为
2 1 U CC 2 2 RL 2 0. 2 2 1 U CC 2 RL
PCm PLm
(9—18)
式(9—18)提供了选择功率管功耗的依据。例如，负载要求的最大功 率PLm=10W，那么只要选一个功耗PCm大于0.2PLm=2W的功率管就行了。
第9章
功率电路及系统
(9—5)
3. 管子功耗PC
PC PE PL
(9—6)
当信号为零时，PL=0，PCm=PE，电源功率全部变
为管耗；而当信号增大时，部分电源直流功率转换为
有用的交流功率，管耗反而下降。
第9章
功率电路及系统
4. 转换能量的效率η
PL 1 U C I C PE 2 U CC I CQ
当信号最强，UCm=UCC,ICm=ICQ时，效率达到最高：
U CC 2U CC I C1 U EE 2U CCU o RL IC 2


IC
(9—12)
当信号最大时，Uom≈UCC，所以电源输出的最大功率为
2 2 U CC PEm RL
(9—13)
第9章
功率电路及系统
3)每管转换能量的效率η
1 U o2 PL 2 PL 2 RL U o PE PE U CC U o 4 U CC 4 2 RL
(9—22)
第9章
功率电路及系统
二、单电源互补跟随乙类功率放大器
单电源互补跟随乙类功率放大器电路如图9—5所示。
1 Ua U 容C的直流电位也为U CC /2，当V1 导通、VCC 2 2 截止时，V 1
由图可见，静态时，a点电位
，那么电
给负载RL提供电流；而当V1截止、V2导通时，电容C充
当V2的电源，只要C足够大，在信号变化一周内，电容
2 1 2U CC PL 2 RL
(9—10)
信号越大，Uo 增大，电压利用率也增大。若忽略集电极饱和电压， 则最大ξ=1，故最大输出功率PLm为
2 1 U CC PLm 2 RL
(9—11)
第9章
功率电路及系统
2)电源提供的功率
当信号为零时，工作点接近于截止点，ICQ=0，电 源不提供功率；而随着信号的增大，i C1 增大，电源提 供的功率也将随之增大。这点与A类功放有本质的差别。 PE=UCC·(iC1的直流分量)+|UEE|·(iC2的直流分量)
电压可以保持基本恒定UCC/2。 负载得到的交流电压振幅的最大值为
U om
U CC 2
第9章
功率电路及系统
UCC ICO V1 VD1 VD2 V2 V0 ui
图9-5 单电源互补跟随乙类功放电路
i C1 ＋ C
a
uo
i C2
RL
第9章
功率电路及系统
故，该电路负载得到的最大交流功率PLm为
U CC 2 ( ) 2 2 1 U om 1 2 1 U CC PLm 2 RL 2 RL 8 RL
电子系统设计
功率放大器
第9章
功率电路及系统
9—1
一、特点
功率放大器
9—1—1功率放大器的特点及工作状态分类
(1) 给负载提供足够大的功率。 (2) 大信号工作。 (3) 分析方法以图解法为主。 (4) 非线性失真矛盾突出。 (5) 提高效率成为重要的关注点。 (6) 功率器件的安全问题必须考虑。
第9章
第9章
功率电路及系统
9—1—2甲类(A类)功率放大器
一、电路 功率放大器的负载是各种各样的。若负载R L 很小， 则负载线很陡，电流摆幅大，而电压摆幅小，所得交 流功率与电压、电流振幅乘积有关，所以不可能使功
率最大；反之，若RL 很大，则电压摆幅大，电流摆幅
小，功率也不可能大。如图9—2(a)所示。图中，变压器 初级接到功率管集电极回路，次级接负载RL 。若变压
总 1 2
(9—25)
第9章
功率电路及系统
等效β值的增大，意味着前级供给的电流可以减少。
组成复合管的原则有以下几点： (1)电流流向要一致。 (2)各极电压必须保证所有管子工作在放大区，即 保证e结正偏，c结反偏。
(3)因为复合管的基极电流i B 等于第一个管子的i B1 ，
所以复合管的性质取决于第一个晶体管的性质。若第 一个管子为PNP，则复合管也为PNP,反之为NPN。正
确的复合管连接方式有四种，如图9—6所示。
交越失真而设置的，ICO为前置级放大器有源集电极负
载电流源。该电路由VD1、VD2和V1、V2构成跨导线性环， 是电流模电路。根据第八章的分析，当负载电流I L
ICO时，输出管V1 、 V2均工作在B类，它们轮流导，通
以给负载提供电流。
第9章
功率电路及系统
UCC ICO V1 VD1 VD2 V2 ui V0 iC2 RL i C2 uo i C1 i C1 uo 0
大交流振幅为
(9—3)
式中U C 和I C 分别为集电极交流电压和电流的振幅，信号越大， UC 、 IC越大，输出功率也将增大。在最佳负载和工作点的情况下，最
U Cm U CC , I Cm I CQ
(9—4)
第9章
功率电路及系统
此时，最大输出功率PLm为
1 PLm UCC I CQ 2
UCEQ=UCC，直流负载线为一垂直线，而交流负载线通
过Q点，其斜率为(-1/R′L)，如图9—2(b)所示。
第9章
功率电路及系统
N1 ∶N2 RB RL ′
UCC RL
V ui ＋ CB (a)
图9—2甲类功放电路及交、直流负载线
(a)电路；(b)交、直流负载线
第9章
iC
功率电路及系统
iC 直流负载线 iB IC