晶体管的大信号应用 －功率放大电路
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晶体管的大信号应用 －功率放大电路. 信号获取. 电压放大. 功率放大. §1 功放电路的特点和分类. 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。. 例 扩音系统. I c. I CM. P CM. u ce. U CEM. 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 : I CM 、 U CEM 、 P CM 。 散热问题. 特点. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
1
晶体管的大信号应用 －功率放大电路
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
信号获取
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 。 散热问题
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。 大信号，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。Pc ：管耗
%100E
o
P
P
COE PPP
5
根据晶体管导通时间（集电极电流的导通角）可分为：
甲类 ------- 三极管 360° 导通； 甲乙类 ---- 三极管 180° ～ 360° 导通 乙类 ------- 三极管 180° 导通 丙类 ------- 三极管 <180° 导通
分 类
6
甲乙类 180° ～ 360° 导通
乙类 180° 导通
丙类 <180° 导通
甲类 360° 导通
7
uo
tuo
ibRb
uo
USC
ui RE
Q
ic
uceUSC
E
SC
R
U
§2 简单甲类功率放大电路
•静态电流较大•功率管
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
SCCQ R
UI 5.0
SCom UU 5.0max
9
T
CSCE dtiUT
P 0
1
E
SC
E
omO R
UR
UP 82
22
maxmax
)sin( tIIiIi cmCQcCQC
E
SCCQSC
T
CSCT
CSCE RUIUdti
T
UdtiU
TP 2
1 2
00
1. 直流电源输出的功率
2. 输出功率
E
omomomooo R
UIUIUP
2
2
1
22
10
%25maxmax
E
OP
P
3. 效率2
2
SC
om
E
O
U
U
P
P
•效率很低：静态时，晶体管和电阻也消耗
•失真
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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：引起截止失真。
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§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：
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§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 > 0VT1 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
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(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 max
L
SCom R
UI max
Uomax
iL
-USC
RL
ui
T1
T2
Uo
+USC
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二、分析计算
最大功率：
L
SC
L
SCSCo R
U
R
UUP
2
1
22
2
max
E
omomomooo R
UIUIUP
2
2
1
22
1. 输出功率 Po
17
2. 管耗 PC
4
1
sinsin
2
1
2
1
2
1
2
0
0
0111
omomSC
L
L
omOmSC
L
oOSC
CCEC
UUU
R
tdR
tUtUU
tdR
uuU
iuP
4
22
2
1omomSC
L
CC
UUU
RPP
18
最大管耗与输出功率的关系
maxmax22
2
max1 2.02
2
02
2
oo
L
SCC
SCom
omSC
Lom
C
PPR
UP
UU
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 22
EP
20
4 效率
%5.784
4221
max
2
SC
om
L
omSC
L
om
E
O
U
U
RUURU
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。
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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
tUT
24
25
克服交越失真的措施
利用二极管提供偏置电压 利用三极管恒压源提供偏置
)1(2
144 R
RUU BECE
26
作业
6-16-2
27
课堂作业 -2
1 ，功放电路和小信号放大电路有什么异同？
2 ，画出乙类互补对称功放原理电路。
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§3 .2 利用复合管的互补对称功放电路
四种类型的复合管
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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
30
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：
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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
R2RL
uiT1
T2
T3
T4
T5
T6
32
§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
CRf
LL 2π
1=
LLπ2
1
fRC
33
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；2SC
i
Uu
时，2SC
i
Uu
T1 截止、 T2 导通。0.5USC
ui
t
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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
BRe1
Re2
b1
b2
A
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§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 ）。
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+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：
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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）。
W3.248
1
2
7.192
max
P
38
§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
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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
2
3
4
5
6
7 8
9
10
11
12
13
14
1 -- 接旁路电容（ 5 ）9 、 13 -- 空脚（ NC ）
40
集成功放 LM384 外部电路典型接法：
500-
+
0.1
2.7
8
146
21
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
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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
SCo R
UP 2
2
max
得电源电压： V9025080 SCU
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
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（变阻抗）
1i1u 2u
2i
LR
1N 2N
变压器原、副边阻抗关系
LL RKR 2
2
2
I
URL
从原边等效： 22
2
2
2
2
1
1 KRKI
U
KIKU
I
UR 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。
43
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。
44
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
45
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。
46
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。
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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' 。
uiT2
T1
RL+-
USC
iL
N2
N1
N1
LL RN
N'R
2
2
1
48
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
49
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