模拟电子技术课件 第3章:功率放大器

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图3.3互补功率放大器
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解:最大输出功率为:
PO(max)
1(VCC
U 2RL
CES
)2
1 (15 2)2 28
10.6W
此时的电源功率为: 2VCCUom
RL
故效率:
4
U om VCC
4
13 15
Байду номын сангаас
68 O O
晶体管的最大管耗:
每只晶体管的最大管耗约为2.85W。
Vcc RL
。因此晶体管的
IC(max)不宜低于此值(稍微低是允许的,因为集
电极电流超过IC(max)),晶体管只是β下降,并
不至于损坏。
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例3.2:电路如图3.3所示,晶体管临界饱和管压 降为2V,试计算这个电路的最大不失真输出功率, 此时的效率是多少?最大管耗是多少?
第3章 功率放大器
本章要点: 正确理解典型功放电路的组成
原则,工作原理以及工作在甲乙 类状态的特点;熟悉功放电路最 大输出功率的估算方法;了解功 放管的选择方法;了解集成功率 放大电路的工作原理。
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第3章 功率放大器
3.1 功率放大器的概述 3.2 互补对称功率放大电路 3.3 功率放大电路的安全运行 3.4 集成功率放大器
例:3.1
在图3.2中所示的乙类互补对称功放电路中,设VCC=12V, RL=8Ω,试求: ① 当输入信号足够大,使集电极电压能够充分运用时的 PO(max)、PDC(max)、η(max)、 PT(top); ② 当输入信号电压有效值4V时的PO、 PDC、η、PT; ③ 若三极管饱和压降UCE(sat)=1V,不可忽略,在计算①题 中各参数。
,VCC
2
就可用于单电源互补电源对称功率放大器。
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3.3.1功放管的二次击穿 一、功放管二次击穿曲线
(a)二次击穿现象
(b)二次击穿临界曲线
图3.5晶体管的二次击穿
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二、二次击穿的原因 二次击穿是由于管子内部结构缺陷(如发
射结表面不平整、半导体材料电阻率不均匀等) 和制造工艺不良等原因引起的,为不可逆击穿, 时间过长(如一秒种)将使管子毁坏。进入二 次击穿的点随基极电流IB的不同而变,把进入 二次击穿的点连起来就成为图(b)所示的二 次击穿临界曲线。为此,必须把晶体管的工作 状态控制在二次击穿临界曲线之内。
最大输出功率
Pom
U
2 omm
2RL
242 28
36W
电源供给功率
PDC
2V 2CC
RL
2 242
8
45.9W
此时每管的管耗为
PT1
1 2
(45.9
36)W
4.9W
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(2)功率管的选择
该功放晶体管实际承受的最大管耗 为: PT1(max)
PT1(max)
VC2C
9 11.5
78.5
0 0
总功耗为:
PT PDC (max) PO(max) 11.5 9 2.5W
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② 若输入电压有效值为4V,则 Uim 2 4V 5.7V
考虑到射极输出器的输出电压近似等于输入电压,

Uom Uim 5.7V
输出功率为: PO
U
2 om
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3.2.3 OCL电路中晶体管的选择 若想得到预期的最大输出功率,则晶体管的有
关参数须满足以下条件: a.每只晶体管的最大管耗:
PT(max) V 2 (或0.2 ) PO(max)
2 RL
b.应选用的晶体管的 |U (BR)CEO | 2V晶体管
c.晶体管的最大集电极电流为
放大电路最大功率输出状态时,集电极电流 幅度达最大值Icmm ,为使放大电路失真不致太大, 则要求功率管最大允许集电极 满足ICM
I CM I cmm
Vcc RL
3A
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3.2.4 OTL电路
1.电路组成 图4.4所示,为单电源供电的互补对称功率放大
器。这种形式的电路无输出变压器,而有输入耦 合电容,简称OTL。 +VCC
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3.3.2功放管散热问题
一、功放管发热原因
功率放大器的工作电压、电流都很大,管耗 大,使管子本身升温发热。当管子温度升高到一 定程度(锗管一般为75—90℃,硅管为150℃) 后,就会损坏晶体结构。 二、功放管散热措施
给功放管加装由铜、铝等导热性能良好的金 属材料制成的散热片子(板)。
T1
C
+
E
-+
ui
T2
RL uo
-
-
图4.4单电源互补对称功率放大器
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2.电路分析 图3.4电路中,功放管工作于乙类状态。静
态时,因电路对称,两管发射极E点电位为电源 电压的一半 ,V2CC负载中没有电流。动态时,在输 入信号正半周T1导通,T2截止,T1以射极输出的 方式向负载RL提供电流i0=iC1,使负载RL上得到正 半周输出电压,同时对电容C充电。
2RL
5.72 2W 28
电源供给功率为:
PDC
2
VCC
I
om
2
VCC
U om RL
2 12 5.7
8
5.44W
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效率为:
PO PDC
2 5.44
36.8 00
双管的管耗:
PT PDC PO 5.44 2 3.44W ③ 若三极管饱和压降不可忽略,则
PO(max)
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三、集成功率放大器实例
C1
+
ui
10uF R1
-
22K
oo
C4 6
2_ LM386 + 5
3 +
47
C2 10uF
R2
1 200uF
+Vcc
+12V
C5 200uF
+
R3
10
uo
C3
0.047uF
-
图3.6 LM386构成的功率放大电路
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3.2.2 OCL电路的输出功率及效率
一、 输出功率P0及最大不失真输出功率P0(max)
PO
UOIO
U om 2
I om 2
1 2
U
om
I om
1
U
2 om
2 RL
1 2
I
2 om
RL
式中,Uo、Io为正弦交流有效值,Uom、Iom为正 弦交流的幅值(半峰值)。上式是一般情况下的
小,导通时间比半个周期稍长而不足整个周期,介于甲 类和乙类中间,称为甲乙类,其效率接近乙类功放的 效率。
二、耦合方式: 变压器耦合、直接耦合。
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3.2 互补对称功率放大电路
3.2.1 OCL电路的组成及工作原理 一、电路组成 电路如图3.2所示。图中T1、T2是两个特性一致 的NPN型和PNP型三极管。
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3.1 功率放大器的概述
3.1.1 功率放大电路的特点 一、 输出功率足够大 二、 效率要高 三、 非线形失真要小 四、 图解分析法
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3.1.2 功率放大电路的分类 功率放大器从不同的角度可有不同的分类: 一、按照静态偏置的不同分为,甲类、乙类、和甲
输出功率计算。
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如果T1、T2参数对称,它们的幅值饱和管压降相等则当ui幅值足够大时, 输出的正弦半峰的最大值为:
Uom(max)=VCC- UCE(sat)≈Vcc
则电路的最大不失真输出功率为
Po (m a x)
1 2
(VCC
UCE (sat) )2 RL

Po (m a x)
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例3.3已知互补对称功率放大电路如图3.2所示, 已,RL=8Ω,试估算该放大电路最大输出功率Pom 及此时电源供给的功率PDC和管耗PT1,并说明该 功放电路对功率管的要求.
解:(1)求 Pom、PDC及PT1
略去三极管饱和压降,最大不失真输出电压
幅度为 U Omm VCC 24V
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解:① 输入信号足够大时,忽略管子饱和压降, 输出电压幅值约等于电源电压,可输出最大功率。 最大输出功率为
PO (m a x)
VC2C 2RL
122 9W 28
电源供给最大功率为:
P
2VC2C 4 9 11.5W
DC(max)
RL
此时的效率为:
(m a x)
1 2
VCC 2 RL
(忽略UCE(sat)时)
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二、直流电源提供的平均功率PDC、PDC(max)
由于T1、T2管交替导通,可以认为iC1、iC2近似 为正弦波的半波,每个电源各提供半个周期的电 流,则两个电源提供的总功率PDC一般为:
P 2 VCC U om
DC
RL
(VCC
U CES )2 2RL
(12 1)2 28
7.56W
PDC (m ax)
2
VCC
I CM
2
VCC
VCC
U CES RL
2 12 (12 1) 10.50W
8
(max)
7.56 10.50
72
0 0
PT (top) P P DC(max) O(max) 10.50 7.56 2.94W
最大输出时的功率PDC(max)的表达式为:
PDC (m a x)
2 VCC
U om(max) RL
2 VC2C
RL
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三、 效率η、η(max)
一般输出时效率为:
P0 U om
PDC 4 VCC 当Uom=VCC时效率最大:
(m a x)
Po (m a x) PDC (max)
乙类三种基本形式。
甲类:如图(a)所示, 静态电流大,导通角θ=2π, 效率低,管耗较大,波形失 真小。
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乙类: 如图(b)所示,导通角θ=π,静态偏置电流
IBQ=0,波形失真大,静态功耗为零,效率最高。
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甲乙类: 如图(c)所示,导通角π<θ< 2π, 它的IBQ较
4
78.5 00
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四、总管耗PT(top)、最大管耗PT(max)
总管耗PT(top):
P P P T (top)
DC (m ax)
O(m ax)
每只管的最大管耗和最大功率之间的关系为:
PT
(m a x)
2
2
PO(max) 0.2PO(max)
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3.4 集成功率放大器
一、集成功率放大器的品种和型号 二、电路结构
多半和运算放大器基本相同或相似,如LM384及 LM386等集成功率放大器都由输入极、中间极和输出极 组成。输入极是复合管差动放大电路,它有同向和反向 两个输入端,它的单端输出信号传送到中间共发射极放 大级,以提高电压放大倍数,输出极是OLT互补对称放 大电路,故为单电源供电。中间极和输出极的电路和复 合管的组成的互补对称放大电路大致相同。
2 RL
242
2
8
7.3W
因此,为了保证功率管不损坏,则要求功率 管的集电极最大允许损耗功率为:
PCM PT1(max) 7.3W
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由于乙类互补对称功率放大电路中一只晶体 管导通时,另一只晶体管截止,由图3.2可知, 当输出电压 u0 达到最大不失真输出幅度时,截 止管所承受的反向电压为最大,且近似等于2 VCC 为了保证功率管不致被反向电压所击穿,因此要 求三极管的 。 U (BR)CEO 2VCC 2 24V 48V
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在输入信号负半周,T1截止,T2导通,电容C通过 T2、RL放电,T2放电,T2也以射极输出的方式向RL提 供电流i0=iC2在负载RL上得到负半周输出电压。电容C 这时起到负电源的作用。为了使输出波形对称,即
iC1与iC2大小相等,C的容量足够大。 在前面各参数计算式中,只要将VCC改为
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三.防止二次击穿的措施 使用功率容量大的晶体管,改善管子散热情况,以 确保其工作在安全区之内;使用时应避免电源剧烈波 动、输入信号突然大幅度增加、负载开路或短路等, 以免出现过压过流;在负载两端并联二极管(或二极 管和电容),以防止负载的感性引起功放管过压或过 流,在功放管的c、e端并联稳压管以吸收瞬间过电压。
图3.2基本互补对称电路
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二、电路分析:
无信号时,发射极电压uE=0,RL中无静态电流,IBQ=0、ICQ=0,故电路中无 静态损耗。
有正弦信号ui输入时,两管轮流工作。 正半周时,T1因发射结正偏而导通,在负载RL上输出电流iC1,如图中 实线所示,T2因发射结反偏而截止。 同理,在负半周时,T2因发射结正偏而导通,在负载RL上输出电流iC2, 如图中细线所示,T1因发射结反偏而截止。这样在信号ui的一个周期 内,电流iC1、iC2以正反两个不同的方向交替流过负载电阻RL,在RL 上合成一个完整的略有点交越失真的正弦波信号。
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