§ 3.4 乙类推挽输出级电路与功率放大器 休息 1 休息 2
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3.4.1 概述
3.4.2 乙类推挽输出级的工作原理
3.4.3 输出功率,管耗和效率的分析计算
3.4.4 达林顿组态
3.4.1 概述
功率放大器的任务是向额定的负载 R L 输出额定的, 不失真” 信号功率 。功率放大器的主要指标,最大输出功率
效率
额定功率下的失真度
1 功率放大器的最大输出功率一般决定晶体管的极限参数和电源电压。
但当电源电压和晶体管确定以后,对一个实际负载输出功率的大小
决定于负载的大小 。
Ucm
EC
C
CRE
ceu
ci
由右图可以看出:
当 ????? 0cmC PIR
当 ????? 0m0C PVR
只有当 R C 为最佳电阻时,输出电压和电流
摆动范围最大,输出功率最大。
Ic m·
QIc
Q
UCEQ
·Q’ ·Q’’
休息 1 休息 2
IBQ
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饱和区
放大区
信号在整个周期内晶体管始终工
作在线性放大区域。
3.4.1 概述
2 电源提供的功率 P E,
输出功率 P 0
晶体管耗散功率
电路损耗功率
P E = P 0 + P T
― P T
功率放大器的效率,η = P 0 / P E
3 晶体管的工作状态 ·
Q
截止区
特点,静态工作点 Q 设置在放大区中部,
输出信号电流正负半周均无失真。
ci
BEu
( 1 ) 甲 (A) 类工作状态:
休息 1 休息 2
返回
3 晶体管的工作状态
( 2) 乙 (B) 类工作状态:
·Q
饱和区
ci
BEu
静态工作点设置在截至区边缘,只有信
号正半周晶体管导通,输出信号电流 i c 为半
波脉动波形,晶体管 导通角 θ = 1 80 0
( 3 ) 甲乙 (AB) 类工作状态
·Q
饱和区
ci
BEu
静态工作点设置在放大区内,但接
近截至区,在信号的大半周期内三极
管导通,导通角 θ > 180 0
( 4 ) 丙 (C ) 类工作状态
饱和区
静态工作点设置在截至区内,晶体管只
有在信号正半周的一部分时间内导通,输
出信号电流波形只有一个尖顶,导通角
θ < 180
0

BEu
截止区
截止区
截止区 ·Q
ci
返回
EC
us
4.甲类放大器的功率输出
若设静态工作点正好设置在直流负载线的中点上,
( 1 ) 电源提供的直流功率,
P E = 电源端电压 E C × 流过电源的直流 I C Q
= E C, I CQ
( 2) 负载上的输出功率:
P O = 输出电流 × 输出电压 (有效值)
cemcm
cemcm
0 UI2
1
2
U
2
IP
×=×=max
而 ( ) csatceCcem E21UE21U ?-=
CQ0CEcQcm IIII ?-= CQc0 IE4
1P =\
max
( 3 ) 放大器效率 η
η =P 0 / P E
最大效率,η m a x =P 0 m a x / P E = 2 5 %
( 4 ) 晶体管的管耗 P T P T = P E - P O
最大集电极功耗, P T m a x =P E - P o m i n
当输入信号 v s =0 时,P O = 0,所以有 P T = P E
Icm
Ucem
EC
C
CRE
ceu
ci
Ic Q
UCEQ
·Q
+
uce
_
电路仿真
Uce(sat)
返回
ui
EC
-Ee
uo
3.4.2 乙类推挽输出级的工作原理
1,互补输出级电路及工作原理
( 1 ) 电路结构
T 1, NP N 与 R L →射随器
T 2, P NP 与 R L →射随器
E C =- E e, u BE1 = u BE2
静态时 u 0 = 0
( 2) 工作原理分析:
当输入信号 u i 为正弦波时,
u i ( 正半周)> 0,→ T 1 导通,T 2 截至
→ u 0 =i c1 R L ≈ u i
u i < 0,→ T 1 截至, T 2 导通 → u 0 = - i c2 R L ≈ u i
T 1 和 T 2 交替工作 → 推挽
u i 正弦波 → u 0 正弦波 → 不同极性的 T 1
和 T 2 互相补偿 → 互补
ui
iC1
iC2
io
io=ic1 -ic2uBE1
uBE2
ic1
ic2
电路仿真
休息 2休息 1 返回
ui
EC
-Ee
uo
1 互补输出级电路及工作原理
( 3) 传输特点:
死 区



i,死区,u i = 0,± 0, 5 V 范围
产生非线性失真 → 交越失真
i i, 跟随区,
斜率 ≈ 1 (因为 u i≈ u 0 ),射随器特性
u i >U on 1 → 正跟随区
u i < - U on 2,→ 负跟随区
线性区域
i i i, 饱合区,T 1 和 T 2 轮流饱合
正饱合区电压, u o =E c - U C E 1( s at )
负饱合区电压, u 0 = - E e +U C E 2( s at )
产生非线性失真 → 消波失真 饱和区
饱和区



ou
iu
io=ic1 -ic2uBE1
uBE2
ic1
ic2
电路仿真
Uon1Uon2
返回
EC
-Ee
ui
1 互补输出级电路及工作原理
(4) 减少交越失真的方法
方法,为 T 1 和 T 2 提供一定量的静态
偏置,使其工作在甲乙类工作状态。
电路结构,D 1 和 D 2 构成偏置电压,
U D1 = U BE1
U D2 = U BE2
T
1
和 T
2
在 u i =0 时有一个初始的
偏置电压,这种电路称为甲乙类互
补推挽放大器,由于静态偏置电流
较小,与乙类相似,分析方法也与
乙类相同。
+
UD1
_
+
UBE1
-
+
UD
2
_
+
UBE
2
-
电路仿真 2
休息 2休息 1
电路仿真 1
返回
EC
ui
ui1
ui2
u1
u2
uL
(5)变压器耦合推挽功放
i,电路结构:
T 1, N PN
T 2, NP N 同极性管
R b1,R b2, 基极偏置电阻,
减少交越失真
T r2, 输出变压器,具有阻抗变换作用设变压器 T r2 的初级
绕组匝数为 2N 1,次级绕组匝数为 N 2,
T 1, T 2 工作在甲乙状态。
T r1, 输入变压器,中心抽头,
使 u i1 = - u i2
则有,u 1 / u L =N 1 / N 2 L211 uNNu =?
i c 1 / i L = N 2 / N 1, L
1
2
1c iN
Ni =
\ u 1 / i c1 = ( N 1 / N 2 )
2
u L / i L
而 u 1 / i c1 =R L
’; u L / i L = R L
\ R L

= ( N 1 / N 2 )
2
R L
(负载折合到初级绕组上
半部分的等效电阻)
返回
电路仿真
EC
uL
i i, 工作原理
ui
ui1
ui2
iC1
iC2
iL
(5)变压器耦合推挽功放
+
ui1
-
+
ui2
-
ui
iC1
iC2
iL
休息 2休息 1 返回
·
ce
u
A
D
3.4.3 输出功率,管耗和效率的分析计算
ic1
ic2
omI
omU
Q
如果忽略交越区,且 T 1 和 T 2 特性相同,
E C = E e, 由于 T 1 和 T 2 互补推挽,
特性曲线倒置
静态工作点 Q, I C1 = 0, U CE1 = E C
I C2 = 0, U CE2 = E e
交流负载线:点斜式 Q 点,E C = E e
过 Q 点,斜率为 – 1/R L 的直线,
1 输出功率:
P 0 = I 0 U 0 ( 有效值 ) m0m0m0m0 UI2
1
22
UI ==
最大不失真输出电压,
(U om ) m a x =E CC – U C E ( s a t )
最大不失真输出电流,
(I om ) m ax =( U om ) m ax /R L
所以 最大不失真输出功率,
( ) ( )
m a xm0m a xm0m a x0
UI
2
1
P ?=
( )
L
2
c
L
m a x
2
m0
R2
E
R2
U
?=
? A D Q 的面积 = P 0 m a x
休息 2休息 1
电路仿真
Ec
1/ RL
Uces
ui
EC
-Ee
uo
io=ic1 -ic2uBE1
uBE2
ic1
ic2
返回
所以:一个周期的平均功率(管耗)
( )? ?=
?
?
? 0
1c1CE1T tdiu
2
1
P
2 单管最大平均管耗 PT1max
对 T 1 管来说,在输入信号的一个周期内,只有正半周导通,
而 T 1 管的瞬时管压降,u CE1 =E C - u 0
流过 T 1 管的瞬时电流, i c1 = u 0 / R L
若设 u 0 =U 0m s i n ω t 则有,
) ( )ttds i n
R
U
ts i nUE
2
1
P
0
L
m0
m0c1T
???
?
?
? ?
?
?
?
-=
) ( )tdts i n
R
U
ts i n
R
UE
2
1
2
L
2
m0
0
2
m0c
???
?
?
-
?
?
?
? ?
=
?
)
L
2
m0m0
c
2
m0m0C
L
RI
4
1
I
E
4
UUE
R
1
?-=-?
?
?
=
??
可见管耗 P T1 与 I om 是非线性关系,
如果令 dP T / dI om =0
可求出:当 I om = 2 E c / π R L, 时,
或 V 0m = 2 E c / π ≈ 0, 6 3 E c 时
L
2
c
L
2
2
c
L
2
2
c
L
2
2
c
m a x1T
R
E
1.0
R
E
R
E
R
E2
P
?=
-=
?
??
(这是选用功放管的依据之一)
休息 2休息 1
A
D
·
ce
u
ic1
ic2
omI
omU
Q
EcUces
返回
3 直流电源供给的功率 PE
电源 E C (或 E e )供给电流的平均值
( )
??
m0
L
m0
T
0
c
I
R
U1
dtti
T
1
I === ?
而两个电源供给的总平均电流为 I2
Io m
ic
I
所以 电源供给的最大功率为,Cm a xm a xE EI2P ?=
而,
( )
L
2
c
m axE
L
c
L
m axm0
m ax
R
E
2P
R
E1
R
U1
I
?
??
?\
?=
另外, P E m a x =P o m a x + 2 P T 1 m a x
4 效 率 η
最大效率,
0
05.78
4
R
E2
R2
E
P
P
2
c
L
2
c
m a xE
m a x0
m a x
==?=
?
?
?
>实际效率
休息 2休息 1 返回
5 最大平均管耗与最大输出功率的关系
因为 P o m a x =E c 2 /2R L,P T 1 m a x =0, 1 V E c 2 /R L
所以 P T1 m a x = 0,2 ( E c 2 /2R L ) =0,2 P o m a x
可见如果 P o m a x =1 0 W,P T 1 m a x =2 W,则 P CM >2 W 的 T 1 和 T 2 管 。
6 最大可能管耗
以上的结论是传统观点,只对一切非直接耦合功放都适合,但
对于含有低频的直接耦合功放 (或集成功放)来说,还存在着更
大的管耗,把它叫最大功耗 P c m a x 。
由于单管 T
1
的瞬时功耗为,
P
c
=u
CE
i
c
= ( E
c
- i
c
R
L
)i
c
=E
c
i
c
- i
c
2
R
L
令 d P
c
/ di
c
=0,可求得, i
c
=E
c
/ 2R
L
所以 P
c m ax
=E
c
2
/ 2R
L
- E
c
2
/ 4R
L
=E
c
2
/ 4R
L
所以有, P
c m ax
= 0.5P
om ax
休息 2休息 1返回
3.4.4 达林顿组态
(1 ) 达林顿组态的基本电路结构
在集成功率放大电路中,经常采用达林顿连接方式复合成 B J T 。
休息 2休息 1返回
复合管的错误连接方式
3.4.4 达林顿组态
( 2 ) 复合管的构成条件和特点,
A, 两管的电流方向必须相统一
B, 第二只管的发射极必须单独接出
C,复合管的导电类型由第一只
管的导电类型决定
D,复合管 β = β 1 β 2
休息 2休息 1返回
( 3) 复合管的应用:
常用于输出级,下图为用达林顿管构成的 CC - CC 放大电路。
ⅰ,
'))(()(
L2fe1fe2ie1fe1iei Rh1h1hh1hR ?????=
其中 LeL RRR //=
?
ⅱ, 1R)h1)(h1(h)h1(h
R)h1)(h1(A
'
L2fe1fe2ie1fe1ie
'
L2fe1fe
u ??????
??=
ⅲ,
1b
2e
Le
e
2e
0
1b
2e
1b
0
i
i
i
RR
R
i
i
i
i
i
i
A ?
?
=?==
而 21
1e
2e
1b
1e
1b
2e
i
i
i
i
i
i
?? ???=
ⅳ,
'
//
oe0
RRR =

2fe
1fe
1ie
2ie
0
h1
h1
h
h
R
?
?
?
=
?
(忽略 r ce1, r ce2 )
+
iu
_
+
ou
_
ie2
ie1=ib2
ib1
iO
Ri
继续
休息 2
休息 1
电路仿真 1
电路仿真 2
返回