模拟电子技术教材五.docx
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模拟电子技术教材五
第六节功率放大电路
一、功率放大电路的基本概念
功率放大电路是多级放大电路的最后一级,其任务是输出足够的功率,推动负载工作,例如扬声器发声、继电器动作、电动机旋转等。
功率放大电路和电压放大电路都是利用三极管的放大作用将信号放大,不同的是功率放大电路以输出足够的功率为目的,工作在大信号状态,而电压放大电路的目的是输出足够大的电压,工作在小信号状态。
功率放大电路应满足以下要求:
1.输出功率足够大为了获得较大的输出信号电压和电流,往往要求三极管工作在极限状态。
实际应用时,应考虑到三极管的极限参数PCM、ICM和U(BR)CEO。
2.效率高所谓效率是指功率放大电路向负载输出的信号功率与直流电源提供的功率之比。
功率放大电路在输出信号功率的同时,晶体管本身也发热损耗功率,称为管耗。
显然,为了提高效率,应尽量减小管耗。
3.非线性失真小功率放大电路在大信号的工作状态,很容易产生非线性失真,因此需要采取措施,减小非线性失真。
功率放大电路的电路形式很多,按工作状态的不同,可以分为甲类、乙类和甲乙类功放三种类型,如图2-41所示。
甲类功放的静态工作点位于放大区,三极管在信号的整个周期内都处于导通状态,其静态功耗大,效率低,但失真较小;乙类功放的静态工作点位于截止区,三极管只在半个信号周期内导通,其静态功耗接近于零,效率高,但存在严重的失真;甲乙类功放的静态工作点接近截止区,三极管导通时间超过半个信号周期,它可以改善乙类功放的失真问题,且静态功耗小,效率高,因而获得广泛使用。
二、互补对称功率放大电路
1.双电源互补对称功率放大电路
(1)基本电路双电源互补对称功率放大电路简称OCL电路,图2-42所示是它的基本电路组成。
图中,正、负电源的绝对值相同。
V1管和V2管为参数特性对称一致的NPN和PNP管,它们的基极连在一起作为输入端,发射极连在一起直接接负载RL。
显然,V1管和V2管均为射极输出器接法。
(2)工作原理
1)静态工作分析由于V1管和V2管的基极都未加偏置电压,因此静态时,两管都不导通,静态电流为零,管子工作在截止区,电源不供给功率,属于乙类工作状态。
由于电路对称,因此发射极电位为零,负载上无电流。
2)动态工作分析设输入信号为正弦电压ui,如图2-42a所示。
在正半周时,V1管发射结正偏导通,V2管发射结反偏截止,由+VCC提供的电流ic1经V1管流向负载,在负载RL上获得正半周输出电压uo。
同理,在负半周时,V1管发射结反偏截止,V2管发射结正偏导通,由-VCC提供的电流ic2从-VCC端经负载流向V2管,在RL上获得负半周输出电压uo。
可见,在ui的整个周期内,V1管和V2管轮流导通,相互补充,从而在RL上得到完整的输出电压uo,故称为补对称功率放大电路。
由于V1管和V2管均为射极输出器接法,因此uo≈ui,如图2-42c所示。
根据功率的定义,输出功率为
(2-40)
式中,Uom为输出电压uo的峰值。
理想条件(不计三极管饱和压降和穿透电流)下,负载获得最大输出电压时,其峰值接近电源电压+VCC,故负载获得的最大输出功率Pom为
(2-41)
此时,功率放大电路的效率达到最大,约为78.5%。
可以证明,功率三极管的最大管耗与最大输出功率Pom的关系为
(2-42)
因此,在选择功率三极管时,应满足以下条件:
(3)消除交越失真的互补对称电路在上述乙类互补对称电路中,V1管和V2管的基极都未加偏置电压,静态时UBE=0。
由于三极管有一死区电压,当ui小于死区电压时,两管均不导通,输出为零,只有当ui增加到大于死区电压时,管子才导通,因此,当输入正弦电压ui时,在输出电压uo的正负半周交接处出现失真,如图2-43a所示,这种失真称为交越失真。
为了消除交越失真,必须在V1管和V2管的基极设置偏置电压。
图2-43b所示电路中,利用两个二极管VD1和VD2的直流电压降,作为V1管和V2管的基极偏置电压,使V1管和V2管工作在微导通的甲乙类工作状态,既可消除交越失真,又不会产生过多的管耗。
(4)准互补对称电路为了使输出信号不失真,要求功率管V1和V2的特性参数对称,但不同类型的大功率管很难做到对称,因此实际应用中,常采用复合管(又称达林顿管)作为大功率管,如图2-44所示,称为准互补对称功率放大电路。
所谓复合管,就是把两个三极管按照一定的方式连接起来,作为一个三极管使用。
可以证明,复合管的电流放大系数为两个三极管电流放大系数的乘积,其管型则取决于推动管。
图2-44中,推动管V1和V3为不同类型的小功率管,其特性容易对称;大功率管V2和V4为同类型的晶体管,其特性也容易对称,因此由它们复合成的NPN和PNP管也能对称。
电阻R1和R2是为减小复合管的穿透电流而设置的。
如果没有R1和R2,则推动管V1和V3的穿透电流将分别全部流入V2和V4的基极,并被放大β倍(β为功率管V2、V4的电流放大系数),使复合管的穿透电流较大,从而降低温度稳定性。
接入R1和R2后,V1和V3的穿透电流被分流,则复合管穿透电流减小,温度稳定性相应提高。
图2-44中,V5管组成电压放大电路,作为功率输出级的推动级。
静态时,利用二极管的VD1和VD2的正向导通电压,给复合管提供正向偏置电压,消除交越失真。
2.单电源互补对称功率放大电路单电源互补对称功率放大电路简称OTL电路,如图2-45所示。
与OCL电路不同的是,OTL电路为单电源供电,并且在它的发射极输出端接有一几百微法的大电容C。
V3管组成共射电压放大电路,作为功率输出级的推动级。
静态时,由于V1和V2对称,因此发射极电位,电容C被充电,充电电压。
这样,V1管的集电极与发射极之间的直流电压,V2管的集电极与发射极之间的直流电压,因此单电源互补对称功率放大电路实质上是具有±电源的双电源互补对称功率放大电路。
动态时,在ui的负半周,V3管输出为正半周,V1导通,V2截止,由+VCC提供的电流ic1经V1管、C流向负载,电容C被充电。
在ui的正半周,V3管输出为负半周,V1截止, V2导通,电容C放电,其放电电流ic2从C经V2管流向负载。
这样,在负载RL上就得到一个完整的输出电压uo。
从以上分析可以看出,电容C上的电压起着直流负电源的作用,作为V2管的直流供电电源。
当V1导通时,+VCC对C充电;当V2导通时,C放电。
为使充、放电过程中,电容电压保持不变,要求有足够大的电容量,否则将使输出电压uo的正、负半周不对称,产生失真。
可以证明,OTL电路的最大输出功率为
(2-46)
三、集成功率放大电路
集成功率放大电路是将功率放大电路中的各个元件及其联线,制作在一块半导体芯片上的整体。
它具有体积小、重量轻、可靠性高、使用方便等优点,因此在收录机、电视机及伺服放大电路中获得广泛应用。
现以音频集成功率放大器LM386为例,介绍其典型用法。
1.LM386的主要参数
电源电压范围:
4~12V;
静态电流:
4~8mA;
输出功率(VCC=6V,RL=8Ω):
325mW;
频带宽度:
300kHz。
2.LM386的引脚排列该器件为八引脚双列直插封装,如图2-46a所示,各引脚功能如图上所标。
3.典型应用实例图2-46b是LM386的典型应用电路之一。
引脚6接正电源,输出端5接250μF的电容C1和负载RL,构成OTL功率放大电路。
输入信号ui经电位器RP接到同相输入端3进行放大,反相输入端2接地。
由于扬声器为感性负载,容易产生高频自激振荡和过电压,因此在输出端5并接R2、C2串联校正电路,使整个负载接近电阻性。
引脚1和8是电压增益设定端,当1、8之间开路时,电压增益为26dB(电压放大倍数20);若1、8之间接10μF的电容,电压增益可达46dB(电压放大倍数200);若1、8之间接阻容串联元件,则电压增益可在26dB~46dB之间任意选取,电阻越小,则增益越高。
引脚7所接电容C4为纹波旁路电容,用以消除直流电源中的纹波分量。
C5为退耦电容,用以减少电源内阻对交流信号的影响。
第七节基本放大电路技能训练
训练1 分压式基本工作点稳定电路的安装调试
一、训练目的
1.了解静态工作点漂移的原因及稳定措施。
2.掌握静态工作点的测量与调整方法。
3.了解小信号放大电路的放大倍数、动态范围与静态工作点的关系。
二、所需仪器
实验板1块、示波器1台、信号发生器1台、万用表1块、电流表1只。
三、训练内容与步骤
1.按图2-47所示实验测试电路选择电阻和电源,接通电路后记录UB的数值。
2.用电压表分别测出晶体管三个电极的对地电位,计算静态工作点IBQ、ICQ和UCEQ,或用电压表和电流表直接测量。
3.在电路输入端加入频率为1kHz的正弦信号,用示波器观察输出波形的变化。
增大输入信号,并调整静态工作点,使输出波形达到最大而不失真,计算电压放大倍数。
4.分别改变电位器RP、RC、Re和电源值(每次改变一个参数),重复上面的实验,将实验数据记录在自己设计的表格中。
5.用电烙铁烘烤晶体管,使晶体管温度升高,观察静态工作点的变化。
6.将NPN型三极管换成PNP型三极管,调整电源极性,再做上面的实验。
四、思考题
1.静态工作点稳定的原理是什么?
2.三极管由NPN型换成PNP型,输出电压的饱和失真和截止失真的波形是否相同?
训练2集成功率放大电路的调整与测试
一、实验目的
1.学习功率放大电路性能指标的测试方法。
2.了解集成功率放大器件的应用。
3.熟悉OTL功率放大电路的组成与性能。
二、实验仪器
实验板1块;示波器1台;信号发生器1台;电流表1只;万用表1只。
三、实验内容与步骤
1.实验测试电路如图2-48所示,按图联结电路,
2.按照要求的电源电压接通电源,进行静态测试。
(1)用示波器观察是否存在自激振荡。
(2)测量输出端电压。
3.在输入端加入频率为1kHz的正弦波,逐渐增大输入信号,用示波器观察输出波形是否对称、有无交越失真。
4.调整输入信号的大小,使输出波形达到最大而不失真,计算并记录电压放大倍数和最大不失真输出功率。
5.用8Ω扬声器替代8Ω电阻,输入一定幅度的正弦信号(输出不失真,且音量合适)。
改变输入信号的频率(261.6Hz~523.1Hz),聆听扬声器的发音,注意音调是否变化。
四、思考题
1.如果观察到自激振荡,应如何消除?
2.静态测试正常,但输入信号后却无输出,电路中可能存在的故障是什么?
复习思考题
2-1放大电路如图2-49所示,试回答:
(1)基极串联电位器RP的作用是什么?
(2)若要求减小IC,则RP怎样变化?
要求增加UCE,则RP又怎样变化?
2-2图2-49所示电路中,输入电压ui为正弦波。
示波器测得输出电压uo的波形正半周削平。
试问这是什么失真?
如何消除?
2-3图2-49所示电路的输入电压为100mV,不失真输出电压为5V。
求
(1)电压放大倍数;
(2)当输出端接上负载RL时,输出电压有何变化?
2-4某放大电路不带负载RL时,测得输出端开路电压为3V,接上负载RL=5.1kΩ时,测得输出电压为1.5V,求放大电路输出电阻Ro。
2-5影响静态工作点稳定的主要外部因素是什么?
为稳定静态工作点,通常采取什么电路?
2-6试画出图2-50所示放大电路的直流和交流通路。
2-7放大电路如图2-51所示。
已知VCC=12V,Rb1=30kΩ,Rb2=10kΩ,Rc=4kΩ,Re=2.2kΩ,C1=C2=20μF,Ce=100μF,晶体管β=50。
试计算:
(1)静态工作点;
(2)Au、Ri和Ro;(3)若电容Ce断开,对Au、Ri和Ro有何影响?
2-8指出图2-52所示电路的名称,说明uo和ui的大小关系和相位关系,为什么常将它用作输入级和输出级?
2-9多级放大电路的耦合方式有几种?
各有什么特点?
2-10两级放大电路在中间频率处的电压放大倍数分别为Au1=-50,Au2=-20,则总的电压放大倍数为多大?
增益为多少分贝?
在上限和下限频率处的电压放大倍数又为多大?
2-11如图2-56所示电路,试分别说明:
(1)电路的名称;
(2)静态时负载两端的电压应为多少?
调整哪个电阻可以做到?
(3)VD1和VD2的作用是什么?
(4)若发生交越失真,调整哪个电阻可以改善?
(5)若RL等于8Ω,要求最大输出功率9W,确定电源电压VCC并选择功放管的参数PCM、ICM、U(BR)CEO。
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