1
晶体管的大信号应用
-功率放大电路电子电路基础
2
§ 1 功放电路的特点和分类例 扩音系统功率放大器的作用,用作放大电路的 输出级,以 驱动 执行机构。如使扬声器发声、继电器动作,仪表指针偏转等。
功率放大电压放大信号提取
3
特点 (1) 要求输出功率尽可能大,工作于极限状态。电流、电压要求都比较大,但电路参数不能超过晶体管的极限值,ICM,
UCEM,PCM 。
ICM
PCM
UCEM
Ic
uce
4
(2) 电流、电压信号比较大,必须注意防止波形失真,即非线性失真要小,用图解法分析。
(3) 电源提供的能量尽可能转换给负载,减少晶体管及线路上的损失。即电路的效率(?)要高。
Po,负载上得到的交流信号功率。
PE,电源提供的直流功率。
%1 0 0
E
o
P
P
COE PPP
5
根据晶体管导通时间可分为如下四类甲类 -------三极管 360° 导电;
甲乙类 ----三极管 180° ~ 360° 导电乙类 -------三极管 180° 导电丙类 -------三极管 <180° 导电分 类
6
甲乙类 180° ~ 360° 导电乙类 180° 导电 丙类 <180° 导电甲类 360° 导电
7
uo
tuo
ib
Rb
uo
USC
ui RE
Q
ic
uceU
SC
E
SC
R
U
§ 2 简单甲类功率放大电路
8
为使输出信号的幅值尽可能大 (要保证不失真 ),静态工作点( Q)设置较高(靠近负载线的中部)。
若忽略晶体管的饱和压降和截止区,输出信号 uo的峰值最大只能为:uo的取值范围
Q
Ic
uCE
USC
E
SC
R
U 直流负载线交流负 载线
UCEQ = 0.5USC
静态工作点:
E
SC
CQ R
U
I
5.0
SCom UU 5.0m a x?
9
T CSCE dtiUTP 0
1
E
SC
E
om
O R
U
R
UP
82
22
m ax
m ax
)s i n( tIIiIi cmCQcCQC
E
SC
CQSC
T
C
SCT
CSCE R
UIUdti
T
UdtiU
TP 2
1 2
00
1,直流电源输出的功率
2,输出功率
E
omomom
ooo R
UIUIUP 2
2
1
22

10
%25m a xm a x
E
O PP?
放大电路的输出没有失真的工作方式称为 甲类放大 。
3,效率
2
2
SC
om
E
O
U
U
P
P
11
如何解决效率低的问题?
办法,降低 Q点。
既降低 Q点又不会引起截止失真的办法,采用推挽输出电路,或 互补对称射极输出器。
缺点,但又会引起截止失真。
12
§ 3 互补对称功率放大电路互补对称功放的类型无输出变压器形式
( OTL电路)
无输出电容形式
( OCL电路)
OTL,Output TransformerLess
OCL,Output CapacitorLess
互补对称,电路中采用两支晶体管,NPN、
PNP各一支;两管特性一致。
类型:
13
§ 3,1 无输出电容的( OCL)
互补对称功放电路一、工作原理(设 ui为正弦波)
电路的结构特点:
ui
-USC
T1
T2
uo
+USC
RL
iL
1,由 NPN型,PNP型三极管构成两个对称的射极输出器对接而成。
2,双电源供电。
3,输入输出端不加隔直电容。
14
ic1
ic2
动态分析:
ui? 0V T1截止,T2导通
ui > 0V T1导通,T2截止
iL= ic1 ;
ui
-USC
T1
T2
uo
+USC
RL
iL
iL=ic2
T1,T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方式,称为 乙类放大 。
因此,不需要隔直电容。
静态分析:
ui = 0V? T1,T2均不工作
uo = 0V
15
(1) 静态电流 ICQ,IBQ等于零;
(2) 每管导通时间等于半个周期 ;
乙类放大的特点:
SCom UU?m ax
L
SC
om R
UI?
m a x
Uomax
iL
-USC
RL
ui
T1
T2
Uo
+USC
16
二、分析计算最大功率:
L
SC
L
SCSC
o R
U
R
UUP
2
1
22
2
m a x
E
omomom
ooo R
UIUIUP 2
2
1
22

1,输出功率 Po
17
2,管耗 PC






4
1
s i n
s i n
2
1
2
1
2
1
2
0
0
0
111
omomSC
L
L
om
OmSC
L
o
OSC
CCEC
UUU
R
td
R
tU
tUU
td
R
u
uU
iuP



4
22 2
1
omomSC
L
CC
UUU
R
PP
18
最大管耗与输出功率的关系
m axm ax22
2
m ax1
2.0
2
2
0
2
2
oo
L
SC
C
SC
om
omSC
Lom
C
PP
R
U
P
U
U
UU
RdU
dP





时功放管具有最大管耗此式为选管依据
19
3 直流电源供给的功率
L
omSC
omomSC
LL
om
COE
R
UU
UUU
RR
U
PPP
2
4
2
2
1
2


EP
20
4 效率?
%5.78
4
42
2
1
m a x
2


SC
om
L
omSC
L
om
E
O
U
U
R
UU
R
U
P
P
21
三、晶体管的选择
1 流过晶体管的最大集电极电流应小于 ICM ;
2 PCM>0.2POmax ;
3 U(BR)CEO>2USC,
22
三、乙类推挽功放电路的交越失真
ui
-USC
T1
T2
uo
+USC
RL
iL
交越失真死区电压
ui
uo
u"o
u′o′
t
t
t
t
交越失真,输入信号 ui在过零前后,输出信号出现的失真便为交越失真。
23
交越失真产生的原因,在于晶体管特性存在非线性,ui <uT时晶体管截止。
iBiB
uBE t
ui
t UT
24
克服交越失真的措施
(a)利用二极管提供偏置电压 (b)利用三极管恒压源提供偏置甲乙类互补功率放大电路
25
§ 3,2 利用复合管的 互补对称功放电路四种类型的复合管
26
增加复合管的目的是,扩大电流的驱动能力。
复合管的构成方式:
c
b
e
T1
T2
ib
ic b
e
c
ib
ic方式一:

bccc
bc
bebbc
iiii
ii
iiiii
)1(
,
,)1(,
12121
222
11211




27
b
e
c
ib
ic
1?2
晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。
方式二:
c
b
e
T1
T2
ib
ic
复合管构成方式很多。不论哪种等效方式,等效后晶体管的性能确定均如下:
28
改进后的 OCL准互补输出功放电路:
T1,电压推动级
T1,R1,R2:
UBE倍增电路
T3,T4,T5,T6:
复合管构成的输出级准互补输出级中的 T4,T6均为 NPN
型晶体管,两者特性容易对称。
+USC
-USC
R1
R2
RL
ui
T1
T2
T3
T4
T5
T6
29
§ 3,3 无输出变压器的( OTL)
互补对称功放电路
0.5USC
RL
ui
T1
T2
+USC
CA
UL
+ -UC
当电路对称时,输出端的静态电位等于 USC /2。
为了使负载上仅获得交流信号,用一个电容器串联在负载与输出端之间 。
电容器的容量由放大电路的下限频率确定,即
CR
f
L
L 2 π
1=
LLπ2
1
fR
C?
30
设输入端在 0.5USC 直流电平 基础上加入正弦信号。
若输出电容足够大,UC基本保持在 0.5USC,负载上得到的交流信号正负半周对称,但存在交越失真。
ic1
ic2
交越失真
RL
ui
T1
T2
+USC
CA
UL
+ -
时,T1导通,T2截止;
2
SC
i
Uu?
时,
2
SC
i
Uu?
T1截止,T2导通。
0.5USC
ui
t
31
实用 OTL互补输出功放电路调节 R,使静态
UAQ=0.5USC
D1,D2使 b1和 b2之间的电位差等于 2个二极管正向压降,克服交越失真。
Re1,Re2:电阻值 1~2?,
射极负反馈电阻,也起限流保护作用。
D1
D2
ui
+USC
RL
T1
T2
T3
CR B Re1
Re2
b1
b2
A
32
§ 3.4 实际功放电路这里介绍一个实用的 OCL准互补功放电路。其中主要环节有,
(1) 恒流源式差动放大输入级( T1,T2,T3);
(2) 偏置电路( R1,D1,D2);
(3) 恒流源负载( T5);
(4) OCL准互补功放输出级( T7,T8,T9,T10);
(5) 负反馈电路( Rf,C1,Rb2构成交流电压串联负反馈);
(6) 共射放大级( T4);
(7) 校正环节( C5,R4);
(8) UBE倍增电路( T6,R2,R3);
(9) 调整 输出级工作点元件 ( Re7,Rc8,Re9,Re10)。
33
+24V
ui
RL
T7
T8
RC8 -24V
R2
R3
T6
Rc1
T1 T2
Rb1 Rb2 C1
Rf
R1
D1
D2
T3
Re3
T4
Re4
C2
T5
Re5
C3
C4
T9
T10
Re10
Re7 Re9
C5
R4
BX
差动放大级反馈级偏置电路共射放大级
UBE
倍增电路恒流源负载准互补功放级保险管负载实用的 OCL准互补功放电路:
34
输出功率的估算:
输出电压的最大值约为 19.7V,设负载 RL= 8?
则最大输出功率为:
实际输出功率约为 20W。
注,该实用功放电路的详细分析计算请参考
,模拟电子技术基础,(童诗白主编)。
W3.24
8
1
2
7.19
2
m a x

P
35
§ 3.5 集成功率放大器特点,工作可靠、使用方便。只需在器件外部适当连线,即可向负载提供一定的功率。
集成功放 LM384:
生产厂家,美国半导体器件公司电路形式,OTL
输出功率,8?负载上可得到 5W功率电源电压,最大为 28V
36
集成功放 LM384管脚说明,
14 -- 电源端( Vcc)
3,4,5,7 -- 接地端( GND)
10,11,12 -- 接地端( GND)
2,6 -- 输入端
(一般 2脚接地)
8 -- 输出端
(经 500?电容接负载)
1 -- 接旁路电容( 5?)
9,13 -- 空脚( NC)
37
集成功放 LM384 外部电路典型接法:
500?-
+
0.1?
2.7?
8
146
2 1
5?
Vcc
ui
8?调节音量电源滤波电容外接旁路电容 低通滤波,去除高频噪声输入信号输出耦合大电容
38
利用变压器的阻抗变换功能,可实现功放电路和负载间的匹配,以弥补其它类型功放电路的不足。
一、特点例,OCL电路中,若 RL=80?,需要输出功率 PO=50W。
根据公式
L
SC
o R
UP
2
2
m a x?
得电源电压:
V9025080SCU
90V的电压 对电子电路显然不合适。
利用变压器阻抗变换关系 ( RL′= K2 RL),把阻抗变小,便可解决以上问题。
§ 3.6 变压器耦合式功放电路
39
(变阻抗)
1i
1u
2u
2i
LR
1N 2N
变压器原、副边阻抗关系
LL RKR
2
2
2
I
UR
L?
从原边等效:
22
2
2
2
2
1
1 KRK
I
U
K
I
KU
I
U
R LL
结论,变压器原边的等效负载,为副边所带负载乘以变比的平方。
40
二、乙类变压器耦合式推挽功率放大器
1.原理电路
ui
T2
T1
RL+-
USC
iL
N2
N1
N1
放大器,由两个共射极放大器组成,两个三极管的射极接在一起。
41
输入变压器,将输入信号分成两个大小相等相位相反的信号,分别送两个放大器的基极,使 T1,T2
轮流导通。
输出变压器,将两个集电极输出信号合为一个信号,
耦合到副边输出给负载。
ui
T2
T1
RL+-
USC
iL
N2
N1
N1
42
ui
T2
T1
RL+-
USC
iL
N2
N1
N1
2,动、静态分析静态分析:
ui = 0,T1,T2 均截止,iL = 0 。
变压器线圈对于直流相当于短路。
43
ui
T2
T1
RL+-
USC
iL
N2
N1
N1
动态分析:
ui > 0 时,T1导通,T2 截止,ic1 经变压器耦合给负载,iL的方向由 ic1决定。
若 ui 为正弦信号,则 iL近似为正弦波。
ui < 0 时,T2导通,T1截止,ic2 经变压器耦合给负载,iL的方向由 ic2决定。
ic2
ic1
T1,T2都只在半个周期内工作,存在 交越失真 。
44
3,输出功率及效率分析方法和前述互补对称功放电路类似,请自行分析。这里的负载为变压器原边等效负载 RL'。
ui
T2
T1
RL+-
USC
iL
N2
N1
N1
LL RN
N
'R
2
2
1
45
三、甲乙类变压器耦合式推挽功率放大器
Rb1,Rb2,Re 的作用,克服交越失真。
USC
T1
T2
RL
iL
ui
Re
Rb2
Rb1
46
两个三极管都构成静态工作点稳定的共射极放大器。其静态工作点都设在刚刚超过截止区,IB很小,IC 也很小,从而降低了直流功耗。
直流通道变压器线圈对于直流相当于短路:
USC
T1
T2
Re
Rb2
Rb1