《电子系统设计与工程实践1》第五章课件

1
2
+ N2 N1
T1
VCC -
N3 N4 N3 RL
N2 (-) (+) T2
变压器耦合功率放大器的特点是输 入、输出阻抗容易匹配，但体积庞大， 效率较低，低频和高频特性均较差。 图5.7
变压器耦合乙类推挽功率放大器
三种工作状态
设晶体管b-e间的开启电压可忽略不计，T1和T2管的特性完全相同， 输入电压为正弦波。 当输入电压为零时，由于T1和T2的发射结电压为零，均处于截止状 态，因而电源提供的功率为零，负载上的电压也为零，两只管子的管压 降均为VCC。 当输入信号使变压器副边电压极性为上“+”下“-”时，T1管导通， T2管截止，电流如图中实线所示； 当输入信号使变压器副边电压极性为上“-”下“+”时，T2管导通， T1管截止，电流如图中虚线所示。因此，负载RL上可获得正弦波电压， 从而获得交流功率。
为了充分利用功率管，放置大 信号工作时集电极电流在负半周 期截止，单管功率放大器都工作 在甲类状态，一般静态工作电流 ICQ 取得较大，损耗在集电极上的 功率为
图5.2
单管甲类功率放大电路
PC VCEQ I CQ VCC I CQ
(5.2)
注意： 1. 变压器耦合提高了电源电压的利用率， 使输出动态范围变大，但是体积大，较笨 重。 2. 由于 ICQ 比较大，为了避免 Re 上产生太 大的压降，Re的值不能取得太大，一般只 有几欧姆至几十欧姆。
电路形式
图5.2中Tr1为输入变压器，Tr2 为输出变压器，它们起到“隔直 流通交流及阻抗变换”的作用。 Rb1 、 Rb2 和 Re 组成分压式电 流反馈偏置电路电容 Cb 和 Ce 为信 号提供通路，减小信号在Rb2和Re 上的损失。静态工作电路表达式 如下：
I CQ Rb 2 1 ( VCC VBE ) (5.1) Re Rb1 Rb 2
甲类：放大电路中输入信号为正弦波时，晶体管在信号的整个周期内均导通； 乙类：若晶体管仅在信号的正半周期或负半周期导通; 甲乙类：若晶体管的导通时间大于半个信号周期且小于一个信号周期。
除此之外，为进一步提高功率放大器的效率，减小功放管的功耗，又产 生了丙类和丁类功率放大器。
丙类：若晶体管的导通时间小于信号半个周期； 丁类：功率放大器的功放管工作在开关状态，管子仅在饱和和导通时 消耗功率;而且管压降很小，故无论电流大小，管子的瞬时功率都不 大，因此管子的平均功耗也就不大，电路的效率较高。 但是，当功放中的功率管工作在丙类或丁类状态时，集电极电流 将严重失真，因此必须采取措施消除失真，如采用谐振功率放大电路， 从而使负载获得基本不失真的信号功率。
图5.3
乙类功率放大器工作状态
互补推挽输出电路形式
图5.4中VT1和VT2分别是NPN和PNP管，两 管的基极和发射极分别连在一起，信号从基 极输入，发射极输出，RL为输出电阻。 设三极管为理想器件：输入信号正半期， VT1导通VT2截至，电流流过负载，产生输出 信号的正半期；负半期，VT1截止VT2导通， 电流流过负载，产生输出信号的负半期。 实现静态不消耗电流，有信号时两管轮流 导通，组成推挽式电路。 实际上，这种互补推挽电路输出信号并不 能很好地反映输入电压的变化。 如图5.5交越失真现象：由于没有直流偏置， 三极管的ib必须在|VBE|大于某个数值时才会有 显著变化。这样就会导致当输入信号低于这个 值时两管同时截止，负载上没有电流通过，出 现一段死区。
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5.1，静态工作点Q 基 本处于交流负载线的中点附 近，晶体管在输入信号的整 个周期内均导通，有着较大 的不失真电源输出幅度。 该类功放电路简单，调试方 便；但晶体管功耗大，效率 较低，可以证明，甲类放大 器的最大效率为50%。 图5.1 甲类功率放大器工作状态
2、乙类功率放大器
工作状态
如图 5.3 ，放大器的静态点在横 轴上，晶体管在输入信号的一个周 期内只有一半的时间工作，当没有 信号输入时，输出端几乎不消耗功 率。 由于工作在零偏状态，减少了 静态功耗，效率较高。但是存在严 重的失真，使得输出信号的半周期 削掉了。 利用 NPN 、 PNP 管的互补作用， 使它们都工作在乙类工作状态，其 中一管工作在信号的正半周，另一 管工作在信号的负半周，两管子的 输出波形都能加到负载上，这样负 载就能得到一个完整的波形，也解 决了效率和失真之间的矛盾。
图5.6
准互补推挽输出电路
5.1.2 功率放大器的技术参数
六个技术参数：
1)最大输出功率Pomax 2)转换效率η 3)非线性失真和噪声(THD ) 4)通频带 5)电源纹波抑制比PSRR 6)互调和交调失真
需要注意的四个核心问题：
1）要求输出功率尽可能的大。 2）高效率。 3）功率器件的散热问题。 4）非线性失真。
电子系统设计与工程实践1
第5章 功率放大电路
目录
5.1 功率放大器的分类及技术参数 5.2 常见功率放大电路及特点 5.3 丁类（D类）功率放大电路 5.4 集成功率放大器 5.5 设计实例—音响放大器的设计
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5.1 功率放大器的分类及技术参数
5.1.1 功率放大器的分类
常见的低频功率放大器按工作状态不同主要分为甲类、乙类和甲乙类。
5.2 常见功率放大电路及特点
5.2.1 变压器耦合功率放大电路
变压器耦合式电路
图5.7中电路采用变压器进行输 入信号和输出信号的耦合，单电源供 + 电，晶体管仅在信号的正半周期或负 半周期导通，工作在乙类状态。 ui 在输入信号为零时，管子 VT1 和 VT2 处于截止状态，电源不提供功率 。输入信号越大，负载获得的功率也 越大，电源提供的功率也随之增大， A 从而提高效率。
图5.4
乙类推挽电路
图5.5
交越失真原理图
工作状态
3、甲乙类放大器
晶体管的导通时间稍大于半周期。 用两管推挽工作：可避免交越失真。具 有效率较高、晶体管功耗较小的特点。
准互补推挽输出电路形式
图5.6中VT4基极的电流远小于R1、R2的电 流，VCE4=VBE4(R1+R2)/R2。VT4的基极电流 基本为一固定值，只要调节R1、R2的比值， 就可调节VT1和VT2的偏压值。 VT1和VT2都工作在甲乙类工作状态，两 管导通的时间都≥ 50% ，在两管都导通时信 号有重叠的部分，避免了交越失真的产生。 功放电路的特性：输出电路需要向负载 提供尽可能大的信号功率，即电路的输出电 压和输出电流都比较大，三极管一般处于极 限工作的状态。