《模擬電子技術(shù)》PPT課件

模 擬 電 子 技 術(shù) 主講：王彥武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院二00六年五月 第 7章 低 頻 功 率 放 大 電 路 本 章 主 要 內(nèi) 容 :7.1 低 頻 功 率 放 大 電 路 概 述 7.2 互 補(bǔ) 對 稱 功 率 放 大 電 路7.3 集 成 功 率 放 大 電 路7.4 功 率 管 的 安 全 使 用 與 保 護(hù) 7.1 低 頻 功 率 放 大 電 路 概 述 概 述 : 功 率 放 大 電 路 與 電 壓 放 大 電 路 都 是利 用 放 大 器 件 的 控 制 作 用 ， 把 直 流 電 源的 能 量 轉(zhuǎn) 化 為 按 輸 入 信 號 規(guī) 律 變 化 的 交變 能 量 輸 出 給 負(fù) 載 . 但 功 率 放 大 電 路 輸 入 信 號 幅 度 較 大 ,它 的 主 要 任 務(wù) 是 使 負(fù) 載 得 到 盡 可 能 不 失真 信 號 功 率 。 7.1 低 頻 功 率 放 大 電 路 概 述 7.1.1 功 率 放 大 電 路 的 特 點(diǎn)7.1.2功 率 放 大 電 路 的 基 本 要 求7.1.3分 類 7.1.1 功 率 放 大 電 路 的 特 點(diǎn) 特 點(diǎn) : 1.由 于 功 率 放 大 電 路 的 主 要 任 務(wù) 是 向 負(fù)載 提 供 一 定 的 功 率 ， 因 而 輸 出 電 壓 和 電流 的 幅 度 足 夠 大 .2.由 于 要 求 輸 出 信 號 幅 度 大 ， 通 常 使 三極 管 工 作 在 極 限 應(yīng) 用 狀 態(tài) ， 即 三 極 管 工作 在 接 近 飽 和 區(qū) 與 截 止 區(qū) 的 工 作 狀 態(tài) ，因 此 輸 出 信 號 存 在 一 定 程 度 的 失 真 . 7.1.1 功 率 放 大 電 路 的 特 點(diǎn)3.功 率 放 大 電 路 在 輸 出 功 率 的 同 時(shí) ， 三極 管 消 耗 的 能 量 也 較 大 ， 因 此 三 極 管 的管 耗 不 能 忽 視 。4.由 于 功 率 放 大 電 路 工 作 在 大 信 號 運(yùn) 用狀 態(tài) ， 一 般 采 用 圖 解 法 分 析 近 似 估 算 。 7.1.2 功 率 放 大 電 路 基 本 要 求 功 率 放 大 電 路 通 常 是 在 大 信 號 狀 態(tài)下 工 作 ， 是 以 輸 出 較 大 功 率 為 目 的 的 放大 電 路 。 基 本 要 求 ： （ 1） 輸 出 功 率 足 夠 大 ； （ 2） 效 率 要 高 ； （ 3） 非 線 性 失 真 要 小 ； （ 4） 散 熱 條 件 要 好 。 7.1.3 分 類 分 類 ： 根 據(jù) 放 大 電 路 中 三 極 管 靜 態(tài) 工 作 點(diǎn) 設(shè) 置 的不 同 ， 可 以 分 成 甲 類 、 乙 類 和 甲 乙 類 3種 。 一 、 甲 類 放 大 器 該 電 路 的 Q點(diǎn) 設(shè) 置 在 放 大 區(qū) 的 中 間 . 優(yōu) 點(diǎn) 是 ： 三 極 管 在 輸 入 信 號 的 整 個(gè) 周 期 內(nèi)都 導(dǎo) 通 ， 輸 出 信 號 的 失 真 較 小 。 缺 點(diǎn) 是 ： 三 極 管 有 較 大 的 靜 態(tài) 電 流 ICQ，管 耗 P C大 ， 電 路 的 輸 出 功 率 和 效 率 均 較 低 ， 最高 轉(zhuǎn) 換 效 率 只 能 達(dá) 到 50%。 7.1.3 分 類 二 、 乙 類 放 大 器 該 電 路 的 Q點(diǎn) 設(shè) 置 在 截 止 區(qū) . 優(yōu) 點(diǎn) 是 ： 三 極 管 僅 在 輸 入 信 號 的 半 個(gè) 周 期內(nèi) 導(dǎo) 通 。 這 時(shí) ， 三 極 管 的 靜 態(tài) 電 流 ICQ=0， 管耗 PC小 ， 能 量 轉(zhuǎn) 換 效 率 高 ， 最 高 可 達(dá) 到 78% 。 缺 點(diǎn) 是 ： 只 能 對 半 個(gè) 周 期 的 輸 入 信 號 進(jìn) 行放 大 ， 非 線 性 失 真 大 。 7.1.3 分 類 三 、 甲 乙 類 放 大 器 該 電 路 的 Q點(diǎn) 設(shè) 置 在 放 大 區(qū) 靠 近 截 止 區(qū) 處 . 優(yōu) 點(diǎn) 是 ： 靜 態(tài) 時(shí) 三 極 管 處 于 微 導(dǎo) 通 狀 態(tài) 。三 極 管 的 導(dǎo) 通 時(shí) 間 大 于 信 號 的 半 個(gè) 周 期 而 小 于信 號 的 一 個(gè) 周 期 ， 這 樣 可 以 有 效 地 克 服 放 大 電路 的 失 真 問 題 ， 而 且 能 量 轉(zhuǎn) 換 效 率 也 較 高 。 7.2 互 補(bǔ) 對 稱 功 率 放 大 電 路 概 述 : 采 用 兩 個(gè) 導(dǎo) 電 特 性 相 反 的 管 子 （ NPN和 PNP） ， 讓 一 個(gè) 管 子 在 信 號 的 正 半 周 導(dǎo)通 ， 另 一 個(gè) 管 子 在 信 號 的 負(fù) 半 周 導(dǎo) 通 ，即 兩 個(gè) 管 子 在 信 號 周 期 內(nèi) 交 替 工 作 ， 各自 產(chǎn) 生 半 個(gè) 周 期 的 信 號 波 形 ， 在 負(fù) 載 上合 成 一 個(gè) 完 整 的 信 號 波 形 . 這 種 功 放 電 路 就 是 互 補(bǔ) 對 稱 的 推 挽功 率 放 大 電 路 。 7.2 互 補(bǔ) 對 稱 功 率 放 大 電 路 7.2.1 乙 類 互 補(bǔ) OCL功 率 放 大 電 路7.2.2甲 乙 類 互 補(bǔ) 對 稱 OCL功 率 放 大 器7.2.3甲 乙 類 互 補(bǔ) 對 稱 OTL功 率 放 大 器 7.2.1 乙 類 互 補(bǔ) 對 稱 OCL 功 率 放 大 電 路 一 .電 路 組 成NPN和 PNP管 互 補(bǔ) ,采 用 雙 電 源 供 電 7.2.1 乙 類 互 補(bǔ) 對 稱 OCL 功 率 放 大 電 路 二 .工 作 原 理 當(dāng) 輸 入 信 號 處 于 正 半 周 時(shí) ， T1管 導(dǎo) 電 ， 有 電流 通 過 負(fù) 載 RL， 方 向 由 上 到 下 ， 與 假 設(shè) 方 向 相同 。 7.2.1 乙 類 互 補(bǔ) 對 稱 OCL 功 率 放 大 電 路 二 .工 作 原 理 當(dāng) 輸 入 信 號 為 負(fù) 半 周 時(shí) ， T2管 導(dǎo) 電 ， 有 電流 通 過 負(fù) 載 RL， 方 向 由 下 到 上 ， 與 假 設(shè) 正 方 向相 反 。 7.2.1 乙 類 互 補(bǔ) 對 稱 OCL 功 率 放 大 電 路 三 .信 號 波 形 圖 解 電 路 在 有 信 號 時(shí) ，VT1和 VT2輪 流 導(dǎo) 電 ， 交替 工 作 ， 使 流 過 負(fù) 載 RL的 電 流 為 一 完 整 的 正 弦信 號 。 由 于 兩 個(gè) 不 同 極性 的 管 子 互 補(bǔ) 對 方 的 不足 ， 工 作 性 能 對 稱 ， 所以 這 種 電 路 通 常 稱 為 互補(bǔ) 對 稱 式 功 率 放 大 電 路 . 7.2.1 乙 類 互 補(bǔ) 對 稱 OCL 功 率 放 大 電 路 四 .主 要 性 能 指 標(biāo) 分 析 1.輸 出 功 率 Po: L2omomcmcmomo RU21UI212I2UP 最 大 輸 出 功 率 : L 2CESCCL2omom ax RUV21RU21P 2.直 流 電 源 提 供 的 功 率 PE PE=PE1+PE2= 提 供 的 最 大 功 率 CCLomCCcm VR2UVI2 L2CCCCL CESCCCCLom axEm ax RV2VRUV2VR2UP 7.2.1 乙 類 互 補(bǔ) 對 稱 OCL 功 率 放 大 電 路 3.效 率 理 想 情 況 下 的 最 高 效 率 : 100%VU4100%PP CComEo %5.78100%4100%V UV4 CC CESCCm ax 7.2.1 乙 類 互 補(bǔ) 對 稱 OCL 功 率 放 大 電 路 4.集 電 極 的 損 耗 功 率 Pc 最 大 損 耗 功 率 L2omCCLomoEc RU21VR2UPPP L2CC2cm ax RV2P 7.2.1 乙 類 互 補(bǔ) 對 稱 OCL 功 率 放 大 電 路 7.2.2 甲 乙 類 互 補(bǔ) 對 稱 OCL 功 率 放 大 電 路 一 .乙 類 功 放 的 交 越 失 真非 線 性 失 真交 越 失 真 7.2.2 甲 乙 類 互 補(bǔ) 對 稱 OCL 功 率 放 大 電 路 二 .克 服 交 越 失 真 的 實(shí) 際 應(yīng) 用 電 路 1.利 用 二 極 管 進(jìn) 行偏 置 的 甲 乙 類 互 補(bǔ)對 稱 功 放 電 路 7.2.2 甲 乙 類 互 補(bǔ) 對 稱 OCL 功 率 放 大 電 路 二 .克 服 交 越 失 真 的 實(shí) 際 應(yīng) 用 電 路 2.利 用 三 極 管 恒 壓 源 進(jìn) 行 偏 置 的 甲 乙類 互 補(bǔ) 對 稱 功 放 電路 7.2.3 甲 乙 類 互 補(bǔ) 對 稱 OTL 功 率 放 大 器 一 概 述 雙 電 源 互 補(bǔ) 對 稱 功 率 放 大 電 路 具 有 低 頻響 應(yīng) 好 、 輸 出 功 率 大 、 便 于 集 成 優(yōu) 點(diǎn) ， 但需 要 雙 電 源 供 電 ， 使 用 起 來 會 感 到 不 便 。 如 果 采 用 單 電 源 供 電 ， 只 需 在 兩 個(gè) 管子 的 發(fā) 射 極 與 負(fù) 載 之 間 接 入 一 個(gè) 大 容 量 的耦 合 電 容 C即 可 。 這 種 電 路 通 常 又 稱 為 無 輸出 變 壓 器 的 功 率 放 大 電 路 ， 簡 稱 : OTL（ Output Transformer Less） 功率 放 大 電 路 二 電 路 組 成 及 原 理 當(dāng) 電 路 對 稱 時(shí) ， 輸 出 端 的 靜 態(tài) 電 位 等 于 VCC /2。 為 了 使 負(fù) 載 上 僅 獲 得 交 流 信 號 ， 用 一 個(gè)串 聯(lián) 在 RL與 輸 出 端 之 間 。的 容 量 由 放 大 電 路 的 下 限 頻 率 決 定 )7.2.3 甲 乙 類 互 補(bǔ) 對 稱 OTL 功 率 放 大 器 7.2.3 甲 乙 類 互 補(bǔ) 對 稱 OTL 功 率 放 大 器 圖 中 ,該 電 容 C除 起 隔 直 流 通 交 流的 耦 合 作 用 外 ， 還 作 為 V3管 的 工 作 電源 。 R1構(gòu) 成 VT1管 的 偏 置 電 路 ， 保 證VT1管 工 作 在 甲 類 放 大 狀 態(tài) . R1的 上 端 接 向 輸 出 端 的 K點(diǎn) ， 交 直流 負(fù) 反 饋 ， 負(fù) 反 饋 的 引 入 穩(wěn) 定 了 靜 態(tài)工 作 點(diǎn) V K， 同 時(shí) 改 善 了 功 放 電 路 的 交流 性 能 指 標(biāo) 。 三 性 能 指 標(biāo) 估 算 7.2.3 甲 乙 類 互 補(bǔ) 對 稱 OTL 功 率 放 大 器 圖 中 :1.最 大 輸 出 功 率 Pomax2.電 源 提 供 的 最 大 功 率 PEmax L2CCL 2CESCCL2om axom ax RV81R UV2121RU21P L2CCCCL CESCCCCLom axEm ax RV21VR UV212VR2UP 7.2.3 甲 乙 類 互 補(bǔ) 對 稱 OTL 功 率 放 大 器 3.效 率 4.集 電 極 的 損 耗 功 率 Pc100%PP Eo L2omCCLomoEc RU21VR1UPPP 7.2.3 甲 乙 類 互 補(bǔ) 對 稱 OTL 功 率 放 大 器 四 .功 率 管 元 件 參 數(shù) 的 選 擇 PCM0.2Pomax U（BR）CEOVCC LCC2RV OMCM II7.2.3 甲 乙 類 互 補(bǔ) 對 稱 OTL 功 率 放 大 器 7.3 集 成 功 率 放 大 電 路 特 點(diǎn) : 集 成 功 率 放 大 電 路 具 有 輸 出 功 率大 、 外 圍 連 接 元 件 少 、 使 用 方 便 等 優(yōu)點(diǎn) ， 目 前 使 用 越 來 越 廣 泛 。 它 的 產(chǎn) 品種 類 很 多 ， 通 常 可 以 分 為 通 用 型 和 專用 型 兩 大 類 。 通 用 型 是 指 可 以 用 于 多種 場 合 的 電 路 ， 專 用 型 是 指 用 于 某 種特 定 場 合 。 7.3 集 成 功 率 放 大 電 路 7.3.1 內(nèi) 部 電 路 簡 介7.3.2集 成 功 放 的 應(yīng) 用 電 路 7.3.1 內(nèi) 部 電 路 簡 介一 .LM386的 外 形1,8腳 是 電 壓 增 益 設(shè) 定 端 ；2腳 是 反 向 輸 入 端 ；3腳 是 同 相 輸 入 端 ；4腳 是 接 地 端 ；5腳 是 輸 出 端 ；6腳 是 電 源 端 ；7腳 外 接 旁 路 電 容 端 ， 用 于 消除 電 路 可 能 產(chǎn) 生 的 自 激 振蕩 ， 一 般 接 10 F電 容 。 7.3.1 內(nèi) 部 電 路 簡 介二 .內(nèi) 部 電 路 及 工 作 原 理 7.3.2 集 成 功 放 的 應(yīng) 用 電 路 一 、 LM386組 成 的OTL功 放 電 路 W1調(diào) 增 益 ， R8、C3與 相 位 補(bǔ) 償 ， 防自 激 ； C2為 電 源 退耦 電 容 ； C4為 輸 出耦 合 電 容 ； W2控 制輸 入 信 號 的 大 小 。C1、 C2可 10 F。 7.3.2 集 成 功 放 的 應(yīng) 用 電 路 二 、 LM386組 成的 BTL音 頻 功 放 LM386(1)接 成 同 相放 大 ， LM386(2)接成 反 相 放 大 。 負(fù) 載 上 的 電 壓 為 單個(gè) OTL驅(qū) 動(dòng) 時(shí) 輸 出 電壓 信 號 的 兩 倍 ， 從而 使 最 大 輸 出 功 率增 大 到 單 個(gè) OTL驅(qū) 動(dòng)的 4倍 。 7.4 功 率 管 的 安 全 使 用 與 保 護(hù) 7.4.1 功 率 管 的 二 次 擊 穿 問 題7.4.2功 率 管 的 散 熱 問 題7.4.3功 率 管 的 保 護(hù) 措 施 7.4.1 功 率 管 的 二 次 擊 穿 問 題 擊 穿 現(xiàn) 象 對 于 晶 體 三 極 管 而 言 有 兩 種 ： 一 次擊 穿 和 二 次 擊 穿 。 在 介 紹 晶 體 三 極 管 的 極 限 參數(shù) 時(shí) 討 論 的 擊 穿 電 壓 是 一 次 擊 穿 。 如 果 一 次 擊 穿 出 現(xiàn) 后 ， 集 電 極 電 壓 繼 續(xù) 升高 ， 同 時(shí) 又 不 限 制 擊 穿 后 的 集 電 極 電 流 iC， 則 iC在 超 過 某 一 數(shù) 值 后 ， uCE的 電 壓 會 突 然 減 小 ， 而iC卻 會 急 劇 增 加 ， 直 至 受 到 外 電 路 限 制 為 止 ， 這種 現(xiàn) 象 稱 之 為 二 次 擊 穿 。 一 般 說 來 只 要 進(jìn) 入 二 次 擊 穿 區(qū) ， 晶 體 管 會在 很 短 的 時(shí) 間 內(nèi) 損 壞 ， 而 這 種 損 壞 是 不 能 再 恢復(fù) 的 ， 二 次 擊 穿 不 具 有 可 逆 性 。 7.4.2 功 率 管 的 散 熱 問 題 功 率 管 在 工 作 時(shí) ， 集 電 結(jié) 總 是 處 于 反 向 偏置 狀 態(tài) ， 所 以 管 子 的 耗 散 功 率 絕 大 部 分 集 中 在集 電 結(jié) 上 ， 結(jié) 溫 因 此 而 迅 速 升 高 ， 引 起 整 個(gè) 管子 的 溫 度 升 高 ， 當(dāng) 升 高 到 一 定 程 度 ， 就 會 致 使輸 出 功 率 下 降 ， 嚴(yán) 重 時(shí) 將 使 管 子 燒 毀 。 散 熱 條 件 越 好 ， 對 應(yīng) 于 相 同 結(jié) 溫 所 允 許 的管 耗 就 越 大 ， 輸 出 功 率 也 就 越 大 ， PCM值 與 管 子的 散 熱 條 件 有 關(guān) 。 因 為 當(dāng) 散 熱 條 件 好 ， 環(huán) 境 溫度 低 時(shí) ， 集 電 極 功 耗 產(chǎn) 生 的 熱 量 會 很 快 散 發(fā) 出去 ， 結(jié) 溫 升 高 就 會 小 一 些 ， 允 許 的 功 耗 PCM值 就可 以 大 些 。 7.4.3 功 率 管 的 保 護(hù) 措 施 一 過 熱 保 護(hù) 過 熱 是 指 管 子 產(chǎn) 生 的 熱 量 不 能 及 時(shí) 散發(fā) 出 去 ， 致 使 管 子 溫 度 過 高 ， 對 管 子 造 成損 害 ， 甚 至 燒 毀 管 子 。 實(shí) 施 過 熱 保 護(hù) 的 常 見 采 用 的 措 施 有 ：在 滿 足 所 需 輸 出 功 率 的 前 提 下 ， 盡 量 采 用低 電 源 電 壓 ； 另 外 ， 還 可 加 散 熱 裝 置 ， 改善 散 熱 外 部 環(huán) 境 ， 提 高 集 電 結(jié) 的 允 許 功 耗P CM。 7.4.3 功 率 管 的 保 護(hù) 措 施 二 過 壓 和 過 流 保 護(hù) 過 壓 、 過 流 是 指 晶 體 管 的 電 壓 、 電 流超 過 規(guī) 定 的 允 許 值 而 造 成 管 子 的 性 能 下 降或 損 壞 。 為 了 保 證 功 率 管 的 正 常 運(yùn) 行 ， 可 采 取適 當(dāng) 的 保 護(hù) 措 施 。 例 如 ， 為 了 防 止 由 于 感性 負(fù) 載 而 使 管 子 產(chǎn) 生 過 壓 或 過 流 ， 可 在 負(fù)載 兩 端 并 聯(lián) 二 極 管 和 電 容 （ 或 二 極 管 ） ，以 抵 消 感 性 負(fù) 載 的 不 利 影 響 . 7.5 本 章 小 結(jié) 1.電 壓 放 大 電 路 要 求 有 大 的 電 壓 放 大 倍數(shù) ， 而 功 率 放 大 電 路 要 求 輸 出 足 夠 大 的不 失 真 功 率 。 功 率 放 大 電 路 是 在 大 信 號 下 工 作 ，為 了 獲 得 最 大 的 不 失 真 的 輸 出 功 率 ， 功率 管 一 般 工 作 在 盡 限 運(yùn) 用 狀 態(tài) ， 通 常 采用 圖 解 法 進(jìn) 行 分 析 。 研 究 的 重 點(diǎn) 是 如 何在 允 許 的 失 真 情 況 下 ， 盡 可 能 提 高 輸 出功 率 和 效 率 7.5 本 章 小 結(jié) 2.與 甲 類 功 率 放 大 電 路 相 比 ， 乙 類 互 補(bǔ)對 稱 功 率 放 大 電 路 的 主 要 優(yōu) 點(diǎn) 是 效 率 高 ，在 理 想 情 況 下 ， 其 最 大 效 率 約 為 78.5%。 而 在 實(shí) 際 低 頻 功 率 放 大 電 路 中 ， 功 率管 一 般 工 作 在 甲 乙 類 狀 態(tài) ， 可 以 通 過 設(shè)置 適 當(dāng) 的 偏 置 電 路 克 服 乙 類 狀 態(tài) 下 產(chǎn) 生的 交 越 失 真 。 7.5 本 章 小 結(jié)3.甲 乙 類 狀 態(tài) 互 補(bǔ) 對 稱 功 率 放 大 電 路 有OCL電 路 和 OTL電 路 。 前 者 為 雙 電 源 供 電 ，后 者 為 單 電 源 供 電 。4.集 成 功 率 放 大 電 路 具 有 體 積 小 、 重 量 輕 、工 作 穩(wěn) 定 可 靠 、 性 能 指 標(biāo) 高 、 外 圍 電 路簡 單 、 安 裝 調(diào) 試 方 便 等 優(yōu) 點(diǎn) ， 因 而 使 其運(yùn) 用 日 趨 廣 泛 。