第九章功率放大电路 本章讨论的问题: 功率放大是放大功率吗?电压放大电路和功率放大电路有什么区别?2什么是晶体管的甲 类、乙类和甲乙类工作状态?3晶体管的最大耗散功率是否是电路的最大输出功率?晶体管 的耗散功率最大时,电路的输出功率是最大吗? 4互补式功放电路的输出功率是否为单管功放电路的二倍?5在已知电源电压相同且负载 电阻也相同的情况下,如何估算出最大输出功率?6在已知电源电压相同且负载电阻也相同 的情况下,对于不同电路形式的功放,最大输出功率都相同吗?它们与电路中晶体管的工 作状态有关吗?7功放管和小功率放大电路中晶体管的选择有何不同?如何选择? 9.1功率放大电路概述(45分钟) 功放既不是单纯追求输出高电压,也不是单纯追求输出大电流,而是追求在电源(直流) 电压确定的情况下,输出尽可能大的功率 功放电路的要求: 1. Lomax大,三极管极限工作;2.h= Lomax/PV要高:3.失真要小 911功率放大电路的特点 、主要技术指标1最大输出功率Pom 功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。是交流功率,表达式为Po= lolo。 最大输出功率是在电路参数确定的情况下,负载上可能获得的最大交流功率 2转换效率n 功率放大电路的最大输出功率与电源提供的直流功率之比。直流功率等于电源输出电流 平均值及电压之积。 3最大输出电压Uom二、功率放大电路中的晶体管在功率放大电路中,为使输出 功率尽可能大,要求晶体管工作在极限应用状态。晶体管集电极电流最大时接近ICM 晶体管管压降最大时接近U(BR)CEO 晶体管耗散功率最大时接近PCM 如何选择功放管? 要注意极限参数的选择,还要注意其散热条件,使用时必须安装合适的散热片 和各种保护措施 功率放大电路的分析方法 采用图解法9.12功率放大电路的组成一、为什么共射放大电路 不:4直流负赣 Vcc/Re 交负赣线 ucE
本章讨论的问题： 功率放大是放大功率吗？电压放大电路和功率放大电路有什么区别？2.什么是晶体管的甲 类、乙类和甲乙类工作状态？3.晶体管的最大耗散功率是否是电路的最大输出功率？晶体管 的耗散功率最大时，电路的输出功率是最大吗？ 4.互补式功放电路的输出功率是否为单管功放电路的二倍？5.在已知电源电压相同且负载 电阻也相同的情况下，如何估算出最大输出功率？6.在已知电源电压相同且负载电阻也相同 的情况下，对于不同电路形式的功放，最大输出功率都相同吗？它们与电路中晶体管的工 作状态有关吗？7.功放管和小功率放大电路中晶体管的选择有何不同？如何选择？ 9.1 功率放大电路概述（45 分钟） 功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源（直流） 电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。 功放电路的要求： 1.Pomax 大，三极管极限工作；2.h = Pomax / PV 要高；3.失真要小 9.1.1 功率放大电路的特点 一、主要技术指标 1.最大输出功率 Pom 功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。是交流功率，表达式为 Po＝IoUo。 最大输出功率是在电路参数确定的情况下，负载上可能获得的最大交流功率 2.转换效率η 功率放大电路的最大输出功率与电源提供的直流功率之比。直流功率等于电源输出电流 平均值及电压之积。 3.最大输出电压 Uom 二、功率放大电路中的晶体管在功率放大电路中，为使输出 功率尽可能大，要求晶体管工作在极限应用状态。晶体管集电极电流最大时接近 ICM 晶体管管压降最大时接近 U（BR）CEO 晶体管耗散功率最大时接近 PCM 如何选择功放管？ 要注意极限参数的选择，还要注意其散热条件，使用时必须安装合适的散热片 和各种保护措施 三、功率放大电路的分析方法 采用图解法 9.1.2 功率放大电路的组成一、为什么共射放大电路 不宜用作功率放大电路
图9.1.1小功率共射放大电路的输出功率和效率分析 1无输入信号作用时:直流电源提供的直流功率为occ,即图中矩形ABCO的面积。 集电极电阻Rc的功率损耗为12coRc即图中矩形QBCD的面积 晶体管集电极耗散功率为 ICQ CeO即图中矩形AQDO的面积 2在输入信号为正弦波时,若集电极电流也为正弦波:直流电源提供的直流功率不变 Rn(=Rc/Ru)上获得的最大交流功率P/om为 P=(RI 即图9.1.1中三角形QDE的面积 负载电阻R1上所获得的功率Po仅为Pom的一部分。 3结论:共射放大电路输出功率小,效率低(25%),不宜作功放。二、变压器耦合功 率放大电路 1.电路 直流负就线 交流负就线 图912单管变压器辆合功率放大电路 (a)电路(b)图解分析 2工作原理: 变压器原边线圈电阻可忽略不计,直流负载线垂直于横轴且过(cc,0)。 电源提供的功率为Py=(occ,全部消耗在管子上。R1等效到原边的电阻为 R=(1)2R 则可作出交流负载线在理想变压器的情况下,最大输出功率为 2√22 在输入信号为正弦波时,若集电极电流也为正弦波直流电源提供的功率不变:Pv=ovC
1.无输入信号作用时：直流电源提供的直流功率为 ICQ VCC， 即图中矩形 ABCO 的面积。 集电极电阻 RC 的功率损耗为 I 2 CQRC 即图中矩形 QBCD 的面积。 晶体管集电极耗散功率为 ICQ UCEQ 即图中矩形 AQDO 的面积。 2.在输入信号为正弦波时，若集电极电流也为正弦波：直流电源提供的直流功率不变 R/L(=RC//RL)上获得的最大交流功率 P/Om为 即图 9.1.1 中三角形 QDE 的面积 负载电阻 RL 上所获得的功率 PO 仅为 POm的一部分。 3.结论：共射放大电路输出功率小，效率低（25℅），不宜作功放。二、变压器耦合功 率放大电路 1.电路 2.工作原理： 变压器原边线圈电阻可忽略不计，直流负载线 垂直于横轴且过(VCC ，0)。 电源提供的功率为 PV＝ICQ VCC ，全部消耗在管子上。RL 等效到原边的电阻为 则可作出交流负载线在理想变压器的情况下，最大输出功率为 在输入信号为正弦波时，若集电极电流也为正弦波直流电源提供的功率不变：PV＝ICQ VCC 图 9.1.1 小功率共射放大电路的输出功率和效率分析 ( ) 2 1 ) 2 ( 2 0 L CQ CQ L CQ m R I I R I P = = L RL N N R 2 2 1 = ( ) CQ CC CQ CC m I V I V P 2 1 2 2 0 = =
电路的最大效率为Pom/Py=50% 3实用的变压器功率放大电路 希望输入信号为零时,电源不提供功率,输入信号愈大,负载获得的功率也愈大,电源提供 的功率也随之增大,从而提高效率 变压器耦合乙类推挽功率放大电路 电路分析: 无输入信号,二管截止有输入信号,二管交替导 重要概念:推挽 图9.1.3 同类型管子在电路中交替导通的方式称为“推挽”工作方式 重要概念:功率放大电路的分类 在放大电路中,若输入信号为正弦波时,根据晶体管在信号整个周期内导通情况分类 三极管根据导通时间可分为如下四个状态,如图所示。 甲类,三极 电 乙类,三极管180°导 甲季动极管 丙类,三极管导电小于18 三、无输出变压器的功率电路Ouφ put Transformerless(OTL电路) 用一个大容量电容取代了变压器电容:几百几千微法的电解电容器),如图914 2 图9.14OTL电路
电路的最大效率为: Pom / PV =50 ℅ 3.实用的变压器功率放大电路 希望输入信号为零时，电源不提供功率，输入信号愈大，负载获得的功率也愈大，电源提供 的功率也随之增大，从而提高效率。 变压器耦合乙类推挽功率放大电路 电路分析： 无输入信号，二管截止有输入信号，二管交替导通 重要概念：推挽 同类型管子在电路中交替导通的方式称为“推挽”工作方式。 重要概念：功率放大电路的分类 在放大电路中，若输入信号为正弦波时，根据晶体管在信号整个周期内导通情况分类 三极管根据导通时间可分为如下四个状态，如图所示。 三、无输出变压器的功率电路 Output Transformerless（OTL 电路） 用一个大容量电容取代了变压器(电容：几百~几千微法的电解电容器)，如图 9.1.4。 图 9.1.4 OTL 电路 图 9.1.3
1电路结构特点:单电源供电。T和12特性对称 2工作原理分析: 静态时:前级电路应使基极电位为Ⅴ2,发射结电位为Vcc2,故电容上的电压也Ⅴcc2 工作时:T1和T2轮流导通,电路为射极跟随状态。3OTL乙类功放电路存在的问题 OL工作在乙类工作状态,会出现交越失真 4问题:如何消除?(921解决) 四、无输出电容的功率放大电路 Output Capacitorless(OCL电路) 1电路图 图9.1.5OCL电路 2.电路结构特点:双电源供电1和T2特性对称3.工作原理分析: 静态时:T1和T2均截止,输出电压为零 工作时:T1和T2交替工作,正、负电源交替供电,输出与输入之间双向跟随。重要概念 互补 不同类型的二只晶体管交替工作,且均组成射极输出形式的电路称为“互补”电路 二只管子的这种交替工作方式称为“互补”工作方式 五、桥式推挽功率放大电路 Balanced transformerless(BTL电路) 1电路结构特点: 单电源供电,四只管子特性对称 T1 2工作原理分析: 图9.16BTL电路 静态时,四只晶体管均截止,输出电压为零。工作时,当u>0时,T1和T4导通,T2和T3 截止,负载上获得正半周电压;当u0时,T2和T3导通,T1和T4截止,负载上获得负 半周电压。因而负载上获得交流功率小结: 1功率放大电路是在电源电压确定的情况下,以输出最大不失真的信号功率各具有尽可能高 的转换效率为组成原则,功放管常常工作在尽限应用状态
1.电路结构特点：单电源供电。T1 和 T2 特性对称 2.工作原理分析： 静态时：前级电路应使基极电位为 VCC/2，发射结电位为 VCC/2 ，故电容上的电压也 VCC/2。 工作时：T1 和 T2 轮流导通，电路为射极跟随状态。3.OTL 乙类功放电路存在的问题： OTL 工作在乙类工作状态，会出现交越失真。 4.问题：如何消除？ （9.2.1 解决） 四、无输出电容的功率放大电路 Output Capacitorless（OCL 电路） 1.电路图 图 9.1.5 OCL 电路 2. 电路结构特点：双电源供电,T1 和 T2 特性对称 3.工作原理分析： 静态时: T1 和 T2 均截止，输出电压为零。 工作时: T1 和 T2 交替工作，正、负电源交替供电，输出与输入之间双向跟随。重要概念： 互补 不同类型的二只晶体管交替工作，且均组成射极输出形式的电路称为“互补”电路； 二只管子的这种交替工作方式称为“互补”工作方式。 五、桥式推挽功率放大电路 Balanced Transformerless（BTL 电路） 1.电路结构特点： 单电源供电，四只管子特性对称 2.工作原理分析： 静态时，四只晶体管均截止，输出电压为零。工作时，当 ui>0 时 ，T1 和 T4 导通，T2 和 T3 截止，负载上获得正半周电压；当 ui<0 时 ，T2 和 T3 导通，T1 和 T4 截止，负载上获得负 半周电压。因而负载上获得交流功率小结： 1.功率放大电路是在电源电压确定的情况下，以输出最大不失真的信号功率各具有尽可能高 的转换效率为组成原则，功放管常常工作在尽限应用状态。 图 9.1.6 BTL 电路
2低频功放电路有变压器耦合乙类推换电路、OTL电路、OCL电路和BTL电路。 复习: 1功放电路的性能指标:最大输出电压、最大输出功率和效率 2功放电路的分类:甲类、乙类、甲乙类、丙类和丁类 变压器耦合、OTL、OCL和BTL 92互补功率放大电路(90分钟) 目前使用最广泛的功放是OTL电路和OCL电路 本节主要掌握:功放电路的组成原则 掌握OCL的工作原理、特点。 921OCL电路的组成及工作原理一、电路组成 1电路结构特点: 乙类互补功率放大电路如图921所示。它由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组 成。这种电路也称为OCL互补功率放大电路。 RL VO RL 图921乙类互补功率放大电路 2工作原理分析 当输入信号处于正半周时,且幅度远大于三极管的开启电压,此时NPN型三极管导电, 有电流通过负载R1,按图中方向由上到下,与假设正方向相同 当输入信号处于负半周时,且幅度远大于三极管的开启电压,此时PNP型三极管导电, 有电流通过负载RL,按图中方向由下到上,与假设正方向相反。 于是两个三极管一个正半周、一个负半周轮流导电,在负载上将正半周和负半周合成在 起,得到一个完整的不失真波形。如图922所示。 交越失真 (a)波形图(动画17-1) (b)交越失真(动画17-2)
2.低频功放电路有变压器耦合乙类推换电路、OTL 电路、OCL 电路和 BTL 电路。 复习： 1.功放电路的性能指标：最大输出电压、最大输出功率和效率 2.功放电路的分类：甲类、乙类、甲乙类、丙类和丁类 变压器耦合、OTL、OCL 和 BTL 9.2 互补功率放大电路（90 分钟） 目前使用最广泛的功放是 OTL 电路和 OCL 电路 本节主要掌握：功放电路的组成原则 掌握 OCL 的工作原理、特点。 9.2.1OCL 电路的组成及工作原理一、电路组成 1.电路结构特点： 乙类互补功率放大电路如图 9.2.1 所示。它由一对 NPN、PNP 特性相同的互补三极管组 成。这种电路也称为 OCL 互补功率放大电路。 图 9.2.1 乙类互补功率放大电路 2.工作原理分析： 当输入信号处于正半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时 NPN 型三极管导电， 有电流通过负载 RL，按图中方向由上到下，与假设正方向相同。 当输入信号处于负半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时 PNP 型三极管导电， 有电流通过负载 RL，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。 于是两个三极管一个正半周、一个负半周轮流导电，在负载上将正半周和负半周合成在 一起，得到一个完整的不失真波形。如图 9.2.2 所示。 (a) 波形图(动画 17-1) (b) 交越失真(动画 17-2)