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功率放大器_图

2019-08-04 23:56 来源: 震仪

  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) 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 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。 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°); (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。 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 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 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、直流负载线章 iC 功率电路及系统 iC 直流负载线 iB IC ICQ ICQ 0 ICQ Q 交流负载线 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 ? 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 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 (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: (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 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 -UEE 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 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 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)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 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) ? 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 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 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 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 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 (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 (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 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 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? 2?f 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 ?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。 第9章 功率电路及系统 c + Ic Ib b Ie c + b e - (a) e - 图9—6复合管的组成 (a)等效为NPN管;(b)等效为PNP管; (c)等效为PNP管;(d)等效为NPN管 第9章 功率电路及系统 c - Ic b Ib Ie c - b e + (b) 图9—6复合管的组成 (a)等效为NPN管;(b)等效为PNP管; (c)等效为PNP管;(d)等效为NPN管 + e 第9章 功率电路及系统 e + Ie Ib b Ic e + b c - (c) 图9—6复合管的组成 c - (a)等效为NPN管;(b)等效为PNP管; (c)等效为PNP管;(d)等效为NPN管 第9章 功率电路及系统 e - Ie Ib b Ic e - b c + (d) 图9—6复合管的组成 c + (a)等效为NPN管;(b)等效为PNP管; (c)等效为PNP管;(d)等效为NPN管 第9章 功率电路及系统 互补乙类功率放大器要求输出管V1(NPN)和 V2(PNP)性能对称匹配。所以,用复合管构成V1和V2管 时,希望输出管都用NPN管,因为NPN管的性能一般 比PNP管好。用复合管组成的互补跟随乙类功放如图 9—7所示,其中NPN管采用图9—6(a)电路,PNP管采用 图9—6(c)电路。这样,承受大电流的管子均用大功率 NPN管,此类电路称之为准互补乙类功率放大器,简 称OCL电路。图中R 1 和R 2 是为了分流反向饱和电流而 加的电阻,目的是提高功放的温度稳定性。 第9章 功率电路及系统 +UCC ICO V1 R1 uo V2 ui V0 R2 -UEE 图9—7 准互补乙类功率放大器电路 V3 V4 RL 第9章 功率电路及系统 9—1—4集成功率放大器 一、集成功率放大器 1.SHM1150Ⅱ型双极晶体管与MOS管混合的音频集 成功率放大器 集成化是功率放大器的发展必然,目前集成功率放 大器大都工作在音频段。集成功率放大器的型号很多, 在此仅举例说明之。 图9—8(a)给出集成音频功率放大器SHM1150Ⅱ型的 内部简化电路图。这是一个由双极型晶体管和VMOS组 成的功率放大器,允许电源电压为±12V~±50V,电路 最大输出功率可达150W,使用十分方便,其外部接线 c2 V4 V5 R11 8 + uo - +UCC 1 ui + 3 6 SHM1150Ⅱ 10 -UEE 10 (a) (b) RL 8 uo R8 V7 C R9 +UCC V9 1 + ui - R1 R4 V1 e1 I1 I2 3 V2 e2 R2 R10 V6 R13 V8 R12 V10 -UEE 图9—8SHM1150Ⅱ型BiMOS集成功率放大器 (a)内部电路;(b)外部接线章 功率电路及系统 由图9—8(a)可见,输入级为带恒流源的双极型晶 体管差分放大器(V1、V2),双端输出。第二级为单端输 出的差分电路(由PNP管V4、V5组成),恒流源I2为其有 源负载电流。 第9章 功率电路及系统 2. 桥式功率放大器 由两个功率放大器构成的桥式功放可以增大输出 功率。如图9—9所示.负载(扬声器)RL跨接在A1和A2的输 出端,故负载得到的交流输出功率PL为 1 (U o1 ? U o1 ) 1 ( 2U o1 ) PL ? ? 2 RL 2 RL 2 2 (9—26) 可见,桥式功放使输出功率增大到单个功放的四倍。A1和A2的同 相端都加2.5V的偏压,以保证A1 、 A2正常工作。 第9章 功率电路及系统 R2 20k RL(负载) R1 ui 10k - + A1 u o1 R3 40k R4 40k - + A2 30k u o2 LM4860 0.1μ 30k UCC +5V 0.1μ 图9—9 桥式集成功放LM4860及其外部电路

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