模拟电路第四章 低频功率放大电路.docx
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模拟电路第四章低频功率放大电路
第4章低频功率放大器
§4.1教学要求
1、熟悉功率放大器的特点和主要研究对象。
2、熟悉功率放大器的分类,掌握甲类、乙类、甲乙类的概念。
3、熟练掌握OCL电路的工作原理及其性能分析,熟悉交越失真的概念及克服交越失真的方法;区别OTL与OCL电路的特点。
4、正确估算功率放大电路的输出功率和效率,了解功放管的选择方法。
5、了解集成功率放大器的性能特点及其应用。
4.2基本概念和内容要点
4.2.1功率放大器的特点和主要研究对象
功率放大器的主要功能是在保证信号不失真(或失真较小)的前提下获得尽可能大的信号输出功率。
由于通常工作在大信号状态下,所以常用图解法进行分析。
在功率放大器研究中需要关注的主要问题有:
1、要求输出功率Po尽可能大
Po=VoIo(4—1)
为了获得大的功率输出,要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度,因此,功放管往往在接近极限状态下工作。
2、效率η要高
3、正确处理输出功率与非线性失真之间的矛盾
同一功放管随着输出功率增大,非线性失真往往越严重,因此,应根据不同的应用场合,合理考虑对非线性失真的要求。
4、功放管的散热与保护问题
在功率放大器中,有相当大的功率消耗在管子的集电结上,使结温和管壳温度升高。
为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率,功放管的散热是一个很重要的问题。
此外,在功率放大器中,为了输出大的信号功率,管子承受的电压要高,通过的电流要大,功放管损坏的可能性也就比较大,所以,功放管的保护问题也不容忽视。
4.2.2低频功率放大器的分类
通常在加入输入信号后,按照输出级晶体管集电极电流的导通情况,低频功率放大器可分为三类:
甲类、乙类、甲乙类。
如图4.1所示。
甲类;在信号的一个周期内,功放管始终导通,其导电角θ=360o。
该类电路的主要优点是输出信号的非线性失真较小。
主要缺点是;直流电源在静态时的功耗较大,效率η较低,在理想情况下,甲类功放的最高效率只能达到50%。
乙类;在信号的一个周期内,功放管只有半个周期导通,其导电角θ=180o。
该类电路的主要优点是直流电源的静态功耗为零,效率η较高,在理想情况下,最高效率可达78.5%。
主要缺点是;输出信号中会产生交越失真。
甲乙类;在信号的一个周期内,功放管导通的时间略大于半个周期,其导电角180o<θ<360o。
功放管的静态电流大于零,但非常小。
这类电路保留了乙类功放的优点,且克服了乙类功放的交越失真,是最常用的低频功率放大器类型。
4.2.3乙类双电源(OCL)互补对称功率放大电路
1、电路组成
如图4.2所示。
由两射极输出器组成基本的互补对称电路。
OCL为OutputCapacitorless(无输出电容
器)的缩写。
2、工作原理
在输入信号vi的整个周期内,T1、T2轮流导电半个周期,使输出vo的iL是一个完整的信号波形,如图4.3所示。
3、电路的性能分析
(1)输出功率Po
最大输出功率为:
(2)晶体管管耗PT
当Vom≈0.6VCC时,具有最大管耗,最大管耗PT1M为:
PT1M≈0.2Pom(4—6)
(3)直流电源供给的功率PV
电源供给的最大输出功率为:
(4)效率η
当Vom≈VCC时,效率最高,最大效率为:
4、功率管的选择
(1)PCM≥0.2Pom(4—11)
(2)V(BR)CEO≥2VCC(4—12)
(3)ICM≥VCC/RL(4—13)
5、存在的问题
由于电路没有直流偏置,而功率
三极管的输入特性又存在死区,所以,
输出信号在零点附近会产生交越失真
图4.4交越失真
现象,如图4.4所示。
4.2.4甲乙类双电源(OCL)互补对称功率放大电路
1、引入思想
为了克服交越失真,在静态时,为输出管T1、T2提供适当的偏置电压,使之处于微导通,从而使电路工作在甲乙类状态。
2、甲乙类OCL电路静态点的设置方案
如图4.5所示。
图4.5甲乙类OCL电路的静态偏置
图4.5(b)所示的偏置方法在集成电路中常用到。
可以证明:
适当调节R1、R2的比值,即可改变T1、T2的偏压值。
3、电路的性能指标
上述电路的静态工作电流虽不为零,但仍然很小,因此,其性能指标仍可用乙类互补对称电路的公式近似进行计算。
4.2.5单电源(OTL)互补对称功率放大电路
1、电路原理图
如图4.6(a)所示,图4.6(b)是其等效电路。
OTL是OutputTransformerless(无输出变压器)的缩写。
图4.6(a)与图4.2的最大区别在于输出端接有大容量的电容C。
当vi=0时,由于T1、T2特性相同,即有VK=VCC/2,电容C被充电到VCC/2。
设RLC远大于输入信号vi的周期,则C上的电压可视为固定不变,电容C对交流信号而言可看作短路。
因此,用单电源和C就可代替OCL电路的双电源。
2、电路的性能指标
OTL电路的工作情况与OCL电路完全相同,偏置电路也可采用类似的方法处理。
估算其性能指标时,用VCC/2代替OCL电路计算公式中的VCC即可。
4.2.6集成功率放大器
随着线性集成电路的发展,集成功率放大器的应用也日益广泛。
OTL、OCL电路均有各种不同输出功率和不同电压增益的多种型号的集成电路。
应当注意,在使用OTL集成电路时,需
外接输出电容。
4.3典型习题详解
【4-1】在题图4.1(a)所示电路中,设BJT的β=100,VBE=0.7V,VCES=0.5V,ICEO=0,
电容C对交流可视为短路。
输入信号vi为正弦波。
(1)计算电路可能达到的最大不失真输出功率Pom;
(2)此时RB应调节到什么数值?
(3)此时电路的效率η=?
【解】本题用来熟悉甲类放大电路的分析方法及特点。
(1)先求输出信号的最大不失真幅值。
由题图4.1(b)可知:
vO=VOQ+Vomsinωt
VOQ+Vom≤VCC
VOQ-Vom≥VCES
因此,最大不失真输出功率Pom为:
(2)静态时,
所以
(3)
甲类功率放大电路的效率很低.
【4-2】一双电源互补对称(OCL)电路如题图4.2
所示,已知VCC=12V,RL=16Ω,vi为正弦波。
求:
(1)在BJT的饱和压降VCES可以忽略不计的
条件下,负载上可能得到的最大输出功率Pom。
(2)每个管子允许的管耗PCM至少应为多少?
(3)每个管子的耐压│V(BR)CEO│至少应大于
多少?
题图4.2
【解】本题用来熟悉乙类放大电路的分析方法及特点。
(1)对乙类放大电路,静态时,VO=0。
若忽略BJT的饱和压降VCES,则有:
Vom=VCC,因此,
(2)每管允许的管耗PCM≥0.2Pom=0.2×4.5=0.9W
(3)每个管子承受的最大电压为2VCC,故每管的耐压│V(BR)CEO│≥2VCC。
【4-3】电路如题图4.2所示,设vi为正弦波,RL=8Ω,要求最大输出功率Pom=9W。
在BJT的饱和压降VCES可以忽略不计的条件下,试求出下列各值:
(1)正、负电源VCC的最小值;
(2)根据所求的VCC的最小值,确定三极管的ICM、│V(BR)CEO│及PCM的最小值;
(3)当输出功率最大时,电源供给的功率PV;
(4)当输出功率最大时的输入电压有效值。
【解】本题用来熟悉乙类放大电路的分析方法及特点。
(1)
故VCCmin=12V。
(2)当vo=Vom=VCC时,输出电流的幅值为:
Iom=Vom/RL=12/8=1.5A
ICM≥Iom=1.5A,故ICMmin=1.5A。
│V(BR)CEO│≥2VCC=2×12=24V,故│V(BR)CEO│min=24V。
PCM≥0.2Pom=0.2×9=1.8W,故PCMmin=1.8W。
(3)当输出功率最大时,电源供给的功率为
(4)由于互补对称乙类功放无电压放大作用,所以,当输出功率最大时的输入电压有
效值为:
【4-4】电路如题图4.2所示,管子在输入信号vi作用下,在一个周期内T1和T2轮流导电约180o,电源电压VCC=20V,RL=8Ω,试计算:
(1)在输入信号Vi=10V(有效值)时,电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率和效率;
(2)当输入信号vi的幅值为Vim=VCC=20V时,电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率和效率。
【解】本题用来熟悉乙类放大电路的分析方法及特点。
(1)由于输入信号的有效值Vi=10V,所以输出信号的有效值Vo=10V。
因此,电路的输出功率为:
直流电源供给的功率为;
总的管耗为:
PT=PV-Po=22.5-12.5=10W,每管的管耗为:
PT1=PT2=PT/2=5W
效率为:
(2)当输入信号vi的幅值为Vim=VCC=20V时,输出电压的幅值Vom=20V,此时,电路的输出功率为:
直流电源供给的功率为;
总的管耗为:
PT=PV-Po=31.85-25=6.85W,每管的管耗为:
PT1=PT2=PT/2=3.425W
效率为:
乙类功率放大电路的最高效率可达78.5%。
【4-5】一单电源互补对称(OTL)电路如题图4.3
所示,设vi为正弦波,RL=8Ω,管子的饱和压降
VCES可以忽略不计。
当最大不失真输出功率Pom
(不考虑交越失真)为9W时,电源电压VCC至少
应为多少?
【解】本题用来熟悉单电源乙类放大电路(OTL)
的分析方法及特点。
对单电源乙类放大电路,
因此
即VCCmin=24V。
【4-6】互补对称功放电路如题图4.4所示,图中VCC=20V,RL=8Ω,T1和T2管的VCES=2V。
(1)当T3管输出信号Vo3=10V(有效值)时,计算电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率和效率;
(2)计算该电路的最大不失真输出功率、效率和所需的Vo3的有效值。
【解】本题用来熟悉双电源甲乙类放大电路(OTL)的分析方法及特点。
(1)该电路由两级放大电路组成,其中
T3管电路为推动级,T1与T2管组成互补
对称功放电路。
T3管的输出信号Vo3就是
功放电路的输入信号电压。
故当Vo3=10V
(有效值)时,电路的输出功率为:
直流电源供给的功率为:
管耗为:
PT=PV-Po=22.5-12.5=10W,PT1=PT2=5W
效率为:
(2)该电路的最大不失真输出功率为:
直流电源供给的功率为:
效率为:
所需的Vo3的有效值为:
功放电路的输出功率、效率,除与电路类型、电源电压等有关外,还与激励信号的大小有关。
【4-7】一单电源互补对称电路如题图4.5所示,设T1和T2的特性完全对称,vi为正
弦波,VCC=12V,RL=8Ω。
试回答下列问题:
(1)静态时,电容C2两端的电压应是多
少?
调整哪个元件,可以改变VC2的值?
(2)若T1和T2管的饱和压降VCES可以
忽略不计。
该电路的最大不失真输出功率
Pom应为多少?
(3)动态时,若输出波形产生交越失真,
应调整哪一个电阻?
如何调?
(4)若R1=R3=1.1kΩ,T1和T2管的β=40,
│VBE│=0.7V,PCM=400mW,假设D1、D2
题图4.5
和R2中的任何一个开路,将会产生什么后果?
【解】本题用来熟悉;
(1)OTL电路的分析方法及特点;
(2)交越失真的概念及其消除方法。
(1)静态时,电容C2两端的电压VC2应为:
R1、R3为偏置电路,故调整R1、R3可以改变VC2的值。
(2)
(3)当产生交越失真时,说明T1和T2两管基极间的电压小于│VBE1│+│VBE2│,因
此要增大T1和T2两管基极间的电压,故可调节电阻R2,使其增大。
(4)若D1、D2和R2中的任何一个开路,R1上的电流全部注入T1管的基极。
此时,
而
所以PT1=PT2=VCEIC=6×192=1152mW>400mW,故会烧坏功放管。
【4-8】某集成电路的输出级如题图4.6所示,试说明:
(1)R1、R2和T3组成什么电路?
在电路中起何作用?
(2)恒流源I在电路中起何作用?
(3)电路中引入D1、D2作
为过载保护,说明理由。
题图4.6
【解】本题用来熟悉;
(1)交越失真的概念及其消除方法;
(2)功率放大电路的过载保护措施。
(1)R1、R2和T3组成“VBE倍增电路”,用以消除交越失真。
由图可知:
调节R1/R2的值,可以改变VCE3的值。
若电路出现交越失真,增大R1/R2(VCE3)的值,使输出管在静态时处于微导通,便可消除信号在零点附近的交越失真现象。
(2)恒流源I在电路中作为电压放大级T1、T2的有源负载,用以提高电压增益。
(3)当电路输出电流过大时,D1、D2可起到过载保护作用。
其工作原理如下:
IE4↑→VR3↑→VO↓→D1√→IB4↓→IE4↓;
IE5↑→VR4↑→VO↑→D2√→IB5↓→IE5↓。
【4-9】电路如题图4.7所示,当vi=0时,由VBB将甲乙类互补对称功放的静态值设置
如下:
IC1=I1=2mA,IC2=IC3=ICQ2=3mA,IC4=IC5=ICQ4=10mA,O点电位为零(即vo=0)
并设β1=β2=β3=200,β4=β5=50。
(1)说明D1、D2、RP和C的作用;
(2)说明
R1、R2的作用;(3)若VCES2=1.2V,VBE4=0.8V,计算电路的最大不失真输出功率Pom;
(4)求在Pom下的实际效率η。
【解】本题用来熟悉甲乙类OCL电路的分析方法及特点。
(1)D1、D2和RP的作用是为输出互补功放管提供适当的直流偏置电压,使输出管在静态时处于微导通,从而消除输出信号在零点附近的交越失真现象。
电容C起交流旁路作用,保证T1管提供T2、T3管输入端大小相等的放大信号。
(2)电阻R1、R2的作用有两个:
一方面防止T2或T3管截止时T4或T5管基极开路的情况,有利于提高输出管T4、T5的集射间耐压参数;另一方面对T2、T3管的ICEO起分流作用,有利于提高输出级工作的温度稳定性。
(3)电路最大正向输出电压为:
所以
(4)直流电源供给的功率为:
效率η为:
【4-10】现有一半导体收音机,输出级采用题图4.8(a)所示电路。
试回答下列问题:
(1)有人说:
当电源接通后。
无信号输出(即喇叭不响)时,输出级BJT的损耗最小,
你认为这种说法对不对?
为什么?
(2)设输出变压器效率为80%,T的型号为3AX22,其输出特性如题图4.8(b)所示,试用图解法确定负载上的输出功率和效率。
(b)
题图4.8
【解】本题用来熟悉甲类功率放大电路的分析方法和特点。
(1)此种说法不对。
理由如下:
甲类功率放大电路中,IC基本不变,PV基本不变。
无信号时,PV=PT′
有信号时,PV=Po+PT
所以,无信号输出时,输出级BJT的损耗最大。
(2)RL等效到三极管集电极的阻值为;
之后,按普通放大器进行分析。
VCEQ=-(VCC-ICQRE)=-(-6-17.8×10-3×5.5)≈-6V
首先确定电路的静态工作点。
在输出特性曲线上过Q点作斜率为的交流负载线MN,如题图4.9所示。
由图可见:
交流输出电压和电流的幅值分别为:
Vcemax≈VCC=6V,Icmax≈ICQ=17.8mA
所以,输出功率为;
负载获得的功率为;
Po=Poc×80%=53.4×80%≈42.7mW
效率为;
题图4.9
【4-11】一个简易手提式小型扩音机的输出级如题图4.10所示。
(1)试计算负载上输
出功率和扩音机效率;
(2)验算功率BJT3AD1的定额是否超过。
提示:
(1)电路基本上工作在乙类,
Tr2内阻可忽略,变压器效率为0.8。
管子3AD1的│V(BR)CER│=30V,
ICM=1.5A,PCM=1W(加散热片
150×150×3mm3时为8W)。
(2)此题的等效交流负载电阻
(3)可参考双电源互补对称功放的有关
计算公式算出BJT集电极输出功率,再乘
以变压器就是负载RL上的输出功率。
【解】本题用来熟悉变压器耦合式乙类功率放大器的分析方法和特点。
(1)
Po=Poc·ηT=9×80%=7.2W
(2)最大集电极电流为:
每管的最大反压降为:
│VCEmax│=2VCC=24V
每管的功耗为:
由上述计算可知:
3AD1的定额未超过,可以使用。
【4-12】题图4.11为一输出功率大于18W的高传真扩音机复合管互补对称OCL电路。
(1)试说明该电路的结构;
(2)试说明下列元件在电路中起什么作用:
①R7、D1、D2;②C6、R9;③C5;④R5、R6、C3;
⑤R14、C4;⑥R10、R11;⑦R12、R13。
(3)如果输出端静态电位VO>0,应调整哪个元件?
调大还是调小?
:
(4)在调整输出端静态电位时,扬声器应如如何处理(接入电路还是脱开电路,或采取其他方法)?
(5)为消除交越失真应调整哪个电阻?
这个电阻应从小调大还是从大调小?
为什么?
(6)在消除交越失真时,对输出端静态电位有无影响?
怎样解决?
(7)假设电压输出最大时,T6、T7以及R12、R13总的电压损失为4V,试计算电路的最大不失真输出功率以及输出级的效率;
【解】本题用来熟悉甲乙类功率放大器的分析方法和特点。
(1)该电路主体由以下三级组成:
输入级:
由T1、T2组成的单端输入、单端输出的长尾式差分放大电路构成;
中间级:
由T3组成的共发射极放大电路构成,作为功放管的驱动级,R8为其集电极负载;
输出级:
由T4~T7组成的复合管甲乙类互补对称OCL功放电路组成。
(2)部分元件的作用分别为:
①R7、D1、D2为T4~T7设置静态工作点,消除交越失真。
此外,由于D1和D2选用了与T4和T5材料相同的硅二极管,可以获得较好的温度补偿作用;
②C6、R9组成自举电路,以提高该电路的负向输出幅度;
③C5用于频率补偿,以消除自激振荡;
④R5、R6、C3引入交流电压串联负反馈,改善放大器的动态性能,同时,R6还引入了直流负反馈,以稳定静态工作点;
⑤R14、C4与负载并联,使等效负载接近纯电阻性,以避免由于感性负载产生过电压而击穿输出功率管;
⑥R10和R11是泄露电阻,分别减少复合管总的穿透电流,并增加T6和T7的击穿电压值;
⑦R12和R13是负反馈电阻,用于提高电路的温度稳定性。
(3)若静态时VO>0,应将R2的阻值调小。
理由如下:
R2↓→VBE3↓→IB3↓→IC3↓→VC3↓→VO↓
(4)在调整过程中,为避免VO≠0时可能烧坏扬声器,宜用假负载代替扬声器。
(5)为了消除交越失真,应调整R7,并且R7应该从小调大,直到交越失真刚好消失为止,如果R7的阻值过大,有可能使T6、T7管的电流过大而烧坏。
(6)在VO=0时调整R7的阻值,会使VO≠0,因此,应将R2和R7交替反复调整,直至VO=0且刚好消除交越失真为止。
(7)电路的最大不失真电压幅值为:
最大不失真输出功率为:
直流电源提供的功率为:
输出级的效率为:
【4-13】一个用集成功放LM384组成的
功率放大电路如题图4.11所示。
已知电
路在通带内的电压增益为40dB,在RL=8Ω
时的最大输出电压(峰—峰值)可达18V,
当vi为正弦信号时,求:
(1)最大不失
真输出功率Pom;
(2)输出功率最大时
的输入电压有效值。
【解】本题用来熟悉集成功率放大器的
分析方法。
(1)
(2)由于Vom=18/2=9V,而20lgAv=40dB即Av=100,所以
【4-14】2030集成功率放大器的一
种应用电路如题图4.12所示,假定
其输出级BJT的饱和压降VCES可
以忽略不计,vi为正弦电压。
(1)指出该电路属于OTL还是
OCL电路;
(2)求理想情况下最大输出功
率Pom;
(3)求电路输出级的效率η。
【解】本题用来熟悉集成功率放
题图4.12
大器的分析方法。
(1)该电路属于OCL电路。
(2)
(3)
Pom14.06
η==×100%≈71.4%
PV17.9
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