《功率放大電路》PPT課件

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1、模 擬 電 子 技 術 基 礎安 徽 理 工 大 學 電 氣 工 程 系主 講 ： 黃 友 銳第 十 七 講 17.1 概 述17.2 乙 類 互 補 功 率 放 大 電 路 17.3 其 它 類 型 互 補 功 率 放 大 電 路 17.1 概 述 功 率 放 大 電 路 是 一 種 以 輸 出 較 大 功 率 為 目 的的 放 大 電 路 。 為 了 獲 得 大 的 輸 出 功 率 ， 必 須 使 輸 出 信 號 電 壓 大 ； 輸 出 信 號 電 流 大 ； 放 大 電 路 的 輸 出 電 阻 與 負 載 匹 配 。 電 壓 放 大 器 一 般 工 作 在 甲 類 ， 三 極 管 360

2、 導電 ， 其 輸 出 功 率 由 功 率 三 角 形 確 定 。 甲 類 放 大 的效 率 不 高 ， 理 論 上 不 超 過 25%。 功 率 放 大 電 路 必 須 考 慮 效 率 問 題 。 為了 降 低 靜 態(tài) 時 的 工 作 電 流 ， 三 極 管 從 甲 類工 作 狀 態(tài) 改 為 乙 類 或 甲 乙 類 工 作 狀 態(tài) 。 此時 雖 降 低 了 靜 態(tài) 工 作 電 流 ， 但 又 產(chǎn) 生 了 失真 問 題 。 如 果 不 能 解 決 乙 類 狀 態(tài) 下 的 失 真問 題 ， 乙 類 工 作 狀 態(tài) 在 功 率 放 大 電 路 中 就 不 能 采 用 。 推 挽 電 路 和 互 補

3、 對 稱 電 路 較 好地 解 決 了 乙 類 工 作 狀 態(tài) 下 的 失 真 問 題 。 17.2 乙 類 互 補 功 率 放 大 電 路17.2.1 三 極 管 的 工 作 狀 態(tài)17.2.2 乙 類 互 補 功 率 放 大 電 路 的 工 作 原 理 17.2.1 三 極 管 的 工 作 狀 態(tài) 三 極 管 根 據(jù) 導 通 時 間 可 分 為 如 下 四 個狀 態(tài) ， 如 圖 17.01所 示 。 甲 類 -三 極 管 360 導 電 ； 甲 乙 類 -三 極 管 180 360 導 電 乙 類 -三 極 管 180 導 電 丙 類 -三 極 管 180 導 電 圖 17.01 三 極

4、管 的 四 種 工 作 狀 態(tài)乙 類 180 導 電 丙 類 180 導 電甲 乙 類 180 360 導 電甲 類 360 導 電 17.2.2 乙 類 互 補 功 率 放 大 電 路 的 工 作 原 理（ 1） 電 路 組 成 乙 類 互 補 功 率 放 大 電 路 如 圖 17.02所 示 。 它 由一 對 NPN、 PNP特 性 相 同 的 互 補 三 極 管 組 成 。 這種 電 路 也 稱 為 OCL互 補 功 率 放 大 電 路 。 圖 17.02 乙 類 互 補 功 率 放 大 電 路 及 波 形 （ 2） 工 作 原 理 當 輸 入 信 號 處 于 正 半 周 時 ， 且 幅

5、 度遠 大 于 三 極 管 的 開 啟 電 壓 ， 此 時 NPN型三 極 管 導 電 ， 有 電 流 通 過 負 載 RL， 按 圖中 方 向 由 上 到 下 ， 與 假 設 正 方 向 相 同 。 當 輸 入 信 號 為 負 半 周 時 ， 且 幅 度 遠大 于 三 極 管 的 開 啟 電 壓 ， 此 時 PNP型 三極 管 導 電 ， 有 電 流 通 過 負 載 RL， 按 圖中 方 向 由 下 到 上 ， 與 假 設 正 方 向 相 反 。于 是 兩 個 三 極 管 一 個 正 半 周 ， 一 個 負 半周 輪 流 導 電 ， 在 負 載 上 將 正 半 周 和 負 半周 合 成 在

6、一 起 ， 得 到 一 個 完 整 的 不 失 真波 形 。 動 畫 17-1 嚴 格 說 ， 輸 入 信 號 很 小 時 ， 達 不 到 三 極 管的 開 啟 電 壓 ， 三 極 管 不 導 電 。 因 此 在 正 、 負 半周 交 替 過 零 處 會 出 現(xiàn) 一 些 非 線 性 失 真 ， 這 個 失真 稱 為 交 越 失 真 。 如 圖 17.03所 示 。圖 17.03 交 越 失 真 動 畫 17-2 動 畫 17-3 為 解 決 交 越 失 真 ， 可 給 三 極 管 稍 稍 加 一 點 偏置 ， 使 之 工 作 在 甲 乙 類 。 此 時 的 互 補 功 率 放 大 電路 如 圖

7、 17.04所 示 。 (a)利 用 二 極 管 提 供 偏 置 電 壓 (b)利 用 三 極 管 恒 壓 源 提 供 偏 置 圖 17.04 甲 乙 類 互 補 功 率 放 大 電 路 （ 3） 參 數(shù) 計 算1 最 大 不 失 真 輸 出 功 率 Pomax 設 互 補 功 率 放 大 電 路 為 乙 類 工 作 狀 態(tài) ，輸 入 為 正 弦 波 。 忽 略 三 極 管 的 飽 和 壓 降 ，負 載 上 的 最 大 不 失 真 功 率 為 L2CCL 2CESCCL 2CESCComax 22 )()2(= RVRVVRVVP 直 流 電 源 提 供 的 功 率 為 半 個 正 弦 波 的

8、 平 均 功率 ， 信 號 越 大 ， 電 流 越 大 ， 電 源 功 率 也 越 大 。 直流 電 源 功 率 PV 的 表 達 式 推 導 如 下 omLomCC 0 LomCC 0 omCCCCCCV 2 )d(sin22 )d(sin22= kVRVV ttRVV ttIVIVP 2 電 源 功 率 PV 即 P V Vom 。 當 Vom趨 近 VCC時 ， 顯 然 PV 近似 與 電 源 電 壓 的 平 方 成 比 例 。 3 三 極 管 的 管 耗 PT 電 源 輸 入 的 直 流 功 率 ， 有 一 部 分 通 過 三 極管 轉 換 為 輸 出 功 率 ， 剩 余 的 部 分

9、則 消 耗 在 三 極管 上 ， 形 成 三 極 管 的 管 耗 。 顯 然 L2omLomCCoVT 22= RVRVVPPP 將 PT畫 成 曲 線 ，如 圖 17.05所 示 。 圖 17.05 乙 類 互 補 功 放 電 路 的 管 耗 顯 然 ， 管 耗 與 輸 出 電 壓 幅 度 有 關 ， 圖 17.05中 畫 陰 影線 的 部 分 即 代 表 管 耗 ， PT與 Vom成 非 線 性 關 系 ， 有 一 個 最大 值 。 用 PT對 Vom求 導 的 辦 法 找 出 這 個 最 大 值 。 PTmax發(fā) 生在 處 ， 將 Vom=0.64VCC代 入 PT表 達式 ， 可 得

10、PTmax為 ： omaxomaxomaxL 2CC2L 2CC L 2CCL CCCCL2omLomCCTmax 4.04.08.0264.0256.2 2 )64.0( 64.0222= PPPRVRV RVR VVRVRVVP omaxTmax 2.0 PP 對 一 只 三 極 管 圖 17.05 乙 類 互 補 功 放 電 路 的 管 耗 ccccom VVv 64.02 4 效 率 當 Vom = VCC 時 效 率 最 大 ， = /4 =78.5 。 CComomCComomVo 422 VVIVVIPP (4) 大 功 率 三 極 管 輸 出 特 性 曲 線 的 分 區(qū) 在 大

11、 功 率 三 極 管 的 輸 出 特 性 中 ， 除 了 與 普 通三 極 管 一 樣 分 有 放 大 區(qū) 、 飽 和 區(qū) 、 截 止 區(qū) 外 ， 從使 用 和 安 全 角 度 還 分 有 過 電 流 區(qū) 過 電 壓 區(qū) 過 損 耗 區(qū)它 們 的 位 置 如圖 17.06所 示 。 圖 17.06 三 極 管 的 極 限 工 作 區(qū) 過 電 流 區(qū) 是 由 最 大 允 許 集 電 極 電 流確 定 的 ， 超 過 此 值 ， 將 明 顯 下 降 。 過 電 壓 區(qū) 由 c、 e間 的 擊 穿 電 壓V(BR)CEO所 決 定 。過 損 耗 區(qū) 由 集 電 極 功 耗 PCm所 決 定 。 17

12、.3其 它 類 型 互 補 功 率 放 大 電 路 除 了 雙 電 源 的 標 準 互 補 功 率 放 大 電 路 外 ，還 有 一 些 其 它 類 型 的 互 補 功 率 放 大 電 路 。 17.3.1 單 電 源 互 補 功 率 放 大 電 路17.3.2 采 用 復 合 管 的 互 補 功 率 放 大 電 路17.3.3 集 成 功 率 放 大 器17.3.4 BTL互 補 功 率 放 大 電 路17.3.5 雙 通 道 功 率 放 大 電 路 17.3.1 單 電 源 互 補 功 率 放 大 電 路 當 電 路 對 稱 時 ， 輸 出 端 的 靜 態(tài) 電 位 等 于 VCC /2。為

13、 了 使 負 載 上 僅 獲 得 交 流 信號 ， 用 一 個 電 容 器 串 聯(lián) 在 負載 與 輸 出 端 之 間 。 這 種 功 率放 大 電 路 也 稱 為 OTL 互 補功 率 放 大 電 路 。 電 容 器 的 容量 由 放 大 電 路 的 下 限 頻 率 確定 ， 即 ： CRf LL 21= LL2 1 fRC 圖 17.07單 電 源 OTL互 補功 率 放 大 電 路 單 電 源 互 補 功 率 放 大 電 路 如 圖 17.07所 示 。動 畫 17-4 17.3.2 采 用 復 合 管 的 互 補 功 率 放 大 電 路 當 輸 出 功 率 較 大 時 ， 輸 出 級 的

14、 推 動 級 ， 即末 前 級 也 應 該 是 一 個 功 率 放 大 級 。 此 時 往 往 采用 復 合 管 ， 復 合 管 有 四 種 形 式 ， 見 圖 17.08。 復 合 管 的 極 性由 前 面 的 一 個 三 極管 決 定 。 由 NPN-NPN或 PNP-PNP復合 而 成 的 一 般 稱 為達 林 頓 管 。 圖 17.08 四 種 類 型 的 復 合 管 17.3.3 集 成 功 率 放 大 器 集 成 功 率 放 大 器 廣 泛 用 于 音 響 、 電 視 和 小 電機 的 驅 動 方 面 。 集 成 功 放 是 在 集 成 運 算 放 大 器 的電 壓 互 補 輸 出

15、 級 后 ， 加 入 互 補 功 率 輸 出 級 而 構 成的 。 大 多 數(shù) 集 成 功 率 放 大 器 實 際 上 也 就 是 一 個 具有 直 接 耦 合 特 點 的 運 算 放 大 器 。 它 的 使 用 方 法 原則 上 與 集 成 運 算 放 大 器 相 同 。 集 成 功 放 使 用 時 不 能 超 過 規(guī) 定 的 極 限參 數(shù) ， 極 限 參 數(shù) 主 要 有 功 耗 和 最 大 允 許 電 源電 壓 。 集 成 功 放 要 加 有 足 夠 大 的 散 熱 器 ， 保證 在 額 定 功 耗 下 溫 度 不 超 過 允 許 值 。 集 成 功放 一 般 允 許 加 上 較 高 的

16、工 作 電 壓 ， 但 許 多 集成 功 放 可 以 在 低 電 壓 下 工 作 ， 適 用 于 無 交 流供 電 的 場 合 ， 此 時 集 成 功 放 電 源 電 流 較 大 ，非 線 性 失 真 也 較 大 。 17.3.4 BTL互 補 功 率 放 大 電 路 BTL互 補 功 率 放 大 電 路 方 框 圖 如 圖 17.09所 示 。它 是 由 兩 路 功 率 放 大 電 路 和 反 相 比 例 電 路 組 合 而 成 ，負 載 接 在 兩 輸 出 端 之 間 。 兩 路 功 率 放 大 電 路 的 輸 入信 號 是 反 相 的 ， 所 以 負 載 一 端 的 電 位 升 高 時

17、， 另 一端 則 降 低 ， 因 此 負 載 上 獲 得 的 信 號 電 壓 要 增 加 一 倍 。 BTL放 大 電 路 輸 出 功 率 較 大 ， 負 載 可 以 不 接 地 。 圖 17.09 BTL互 補 功 放 電 路 方 框 圖 17.3.5 雙 通 道 功 率 放 大 電 路 雙 通 道 功 率 放 大 電 路 是 用 于 立 體 聲 音響 設 備 的 功 率 放 大 電 路 ， 一 般 有 專 門 的 集成 功 率 放 大 器 產(chǎn) 品 。 它 有 一 個 左 聲 道 功 放和 一 個 右 聲 道 功 放 ， 這 兩 個 功 放 的 技 術 指標 是 相 同 的 ， 需 要 在 專 門 的 立 體 聲 音 源 下才 能 顯 現(xiàn) 出 立 體 聲 效 果 。 有 的 高 級 音 響 設備 一 個 聲 道 分 成 二 、 三 個 頻 段 放 大 ， 有 相應 的 低 頻 段 、 中 頻 段 和 高 頻 段 放 大 器 。