子任务5学习引导文推挽互补功率放大电路的测试和应用.docx
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子任务5学习引导文推挽互补功率放大电路的测试和应用
子任务5学习引导文:
推挽互补功率放大电路的测试和应用
▲学习目标与要求
1、理解推挽互补功率放大电路静态工作点设置
2、会计算输出功率
3、会选择功率器件
4、会测试功率放大电路,区分OCL和OTL功放
5、用仿真技术验证分析结果
6、编写文档记录工作原理分析过程(一组交一份)并相互交流和学习
▲重点内容
4.1基础知识
功率放大电路:
用于向负载提供功率的放大电路。
§4-1.1功率放大电路的一般问题
一、特点及主要研究对象:
1、电压放大电路主要要求:
2、功率放大电路主要要求:
获得一定的不失真(或失真较小)的输出功率,通常是在大信号状态下工作。
具体要求是:
1)输出功率尽可能大;2)效率要高;3)非线性失真要小;4)要解决BJT的散热问题;5)功率管的保护;6)管子承受的电压高,流过的电流大。
3、分析方法:
采用图解法。
二、提高效率的主要途径:
1、甲类放大:
输入信号在整个周期内都有电流流过放大器件的工作方式。
2、甲类功放工作原理:
理想情况下,甲类功放最高也只能达到50%,静态电流是造成管耗的主要因素。
§4-1.2乙类双电源互补对称功率放大电路
一、电路组成:
互补对称电路
二、分析计算:
1、输出功率:
2、管耗PT:
两管情况完全一样。
3、直流电源供给的功率PV:
4、效率:
三、功率BJT的选择:
1、最大管耗和最大输出功率的关系:
最大输出功率:
PO=VCC2/2RL则:
PT1M=1/p2·VCC2/RL=PO2/∏≈0.2PO常作乙类互补对称电路选择管子的依据。
2、功率BJT的选择:
§4-1.3甲乙类互补对称功率放大电路
一、甲乙类双电源互补对称电路:
T3组成前置放大,偏置电路未画出,T1和T2组成互补输出级。
由于电路对称,静态时:
ic1=ic2,iL=0,Uo=0。
其缺点是:
偏置电压不易调整,电路改进后,调节R1和R2的比值,就可改变T1和T2的偏压值。
VCE4=VBE4(R1+R2)/R2。
二、甲乙类单电源互补对称电路:
1、基本电路:
1)无输入信号时Ui=0,造反适当的R1,R2值,可使IC3,Vb2和Vb1达到所需值,从而使K点电位VK=VC=VCC/2。
2)当有信号Ui时:
正、负半周考虑。
3)采用单电源以后,输出功率PO管耗PT直流电源供给功率PV和最大管耗PTM。
公式中的VCC用VCC/2代入即可。
图5.3.1工作在乙类的双电源互补对称电路
图5.3.2利用二极管进行偏置的互补对称电路
图5.3.3利用Vbe扩大电路进行偏置的互补对称电路
4)R1、R2引入负反馈,电压并联负反馈。
2、图5.3.4电路存在的问题:
当Ui为负半周时,T1导通,它输送给负载的电流随T1的基极电流增加而增加,由于RC3和Vbe的存在,VCC=IC3RC3+Ube1+VK,当K点电位向+VCC接近时,T1的基极电流将常驻限制而不能增加很多,因而也就限制了T1输向负载的电流使香负载两端得不到足够的电压变化量,因而Vom远小于UCC/2。
1)矛盾:
RL两端得不到足够的电压变化量,致时Vom明显小于VCC/2。
2)解决:
提高D点电位,VD由另一电源(电容、电阻)供给。
即引入自举电路。
3、自举电路的作用:
采用一个电源的互补对称电路的偏置电路
带自举的单电源互补对称电路
§4-4.5功率器件
通常BJT有一个大面积的集电结,集电极衬底与它的金属外壳保持良好的接触。
一、功率BJT的散热是重要问题:
1、散热:
1)当结温升高到一定程度(Ge:
90oc,Si:
150oc)以后,就会使管子损坏,因而输出功率受到管子允许的最大集电极损耗的限制。
2、表征散热能力的重要参数:
1)定义:
热路:
热的传导路径。
热阻:
阻碍热传导的阻力。
oC/w,oC/mw,NoC/w表示的是集电极损耗功率每增加1w(F2)结温升高NoC。
2)BJT的散热:
BJT的热阻小。
图5.5.1图5.5.2功率BJT装在散热片上的散热情况
3、功率BJT的散热等效热路:
总的热阻:
RT=RTj+RTC+RTf:
RTj---由手册查出集电结到管壳的热阻,RTC---BJT和散热片管壳与散热片之间的热阻(BJT和散热片之间是否垫绝缘层),RTf---散热片与周围空气的热阻。
由散热片的形式,材料和面积(面积按一面算)。
4、功率BJT的散热计算:
Tj-Ta=RTPCM,Ti---最高允许结瘟,Ta---环境温度,PCM---功率BJT的耗散功率,RT---总的热阻。
二、器件工作不应进入二次击穿区:
1、二次击穿现象:
2、二次击穿是怎样产生的:
原因尚不清楚。
二次击穿是一种与电流、电压、功率和结温都有关系的效应。
图5.5.3BJT二次击穿现象
3、功率BJT的安全工作区:
功率管的安全工作区,不仅受集电极允许的最大电流ICM、集电极允许的最大电压V(BR)CE和集电极允许的最大功耗PCM板书限制,而且还受二次击穿临界曲线限制。
三、提高功率BJT可靠性的主要途径是使用时要降低额定值。
四、为保证器件正常运行,可采取适当保护措施。
图5.5.4由Icm、Pcm、V(br)ceo和二次击穿临界曲线限制的安全工作区
3.2技能训练
3.2.1分析和仿真OCL功率放大电路
2.2.3能用万用表、示波器测试多级放大负反馈电路
实验十OCL功率放大器
1.进一步理解OTL、OCL功率放大器的工作原理。
2.学会OTL、OCL电路的调试及主要性能指标的测试方法。
图10-1
图10-2
二、实验原理
图10-1所示为OTL低频功放放大电路。
其中V1为推动级(也称前置放大级),V2、V3是一对参数对称的NPN和PNP型晶体三极管,它们组成互补推挽OTL功放电路。
由于每一个管子都接成射极输出器形式,因此具有输出电阻低、负载能力强等优点,适合于作功率输出级。
V1工作于甲类工作状态,它的集电极电流IC1由电位器Rf2进行调节。
IC1的一部分流经电位器Rf2及二极管D1,给V2、V3提供偏压。
调节Rf2,可以使V2、V3得到合适的静态电流而工作于甲、乙类状态,以克服交越失真。
需注意的是,若Rf2阻值调节过大,则从+VCC经电阻R4、V2管发射结、V3管发射结、V1管、R5到地形成一个通路,有较大的基极电流IB2、IB3流过,从而导致V2管和V3管有很大的集电极直流电流,以至于V2管和V3管可能因功耗过大而损坏。
因此在实验过程中若是散热器过热,则应及时减小Rf2的阻值。
静态时要求输出端中点A的电位
,可以通过调节Rf1来实现,由于Rf1的一端接在A点,因此在电路中引入交、直流电压并联负反馈,一方面能够稳定放大器的静态工作点,同时也改善了非线性失真。
当输入正弦交流信号Ui时,经V1放大、倒相后同时作用V2、V3的基极,Ui的负半周使V2管导通(V3管截止),有电流通过负载RL,同时向电容CO充电,在ui的正半周,V3导通(V2截止),则已充好电的电容CO起着电源的作用,通过负载RL放电,这样在RL上就得到完整的正弦波。
C2和R构成自举电路,用于提高输出电压正半周的幅度,以得到大的动态范围。
图10-2所示为OCL低频功放电路,其工作原理与OTL低频功放电路大致相同,静态时要求输出端中点A的电位为零,可以通过调节Rf3来实现。
当输入正弦交流信号Ui时,经V4放大、倒相后同时作用于V5、V6的基极,Ui的负半周使V5管导通(V6管截止),此时为负电源供电。
Ui的正半周使V6管导通(V5管截止),此时为正电源供电,这样在RL上就得到完整的正弦波。
主要性能指标
1.最大不失真输出功率POm
理想情况下,POm
,在实验中可通过测量RL两端的电压有效值,来求得实际的POm
2.效率
Pm——直流电源供给的平均功率
理想情况下,max=78.5%。
在实验中,可测量电源供给的平均电流Idc,从而求得PE=UCC•Idc,负载上的交流功率已用上述方法求出,因而也就可以计算实际效率了。
3.频率响应:
详见实验三有关部分内容。
4.输入灵敏度:
输入灵敏度是指输出最大不失真功率时,输入信号Ui之值。
三、实验设备及所用组件箱
名称
数量
备注
模拟(综合)电子技术实验
1
信号源及数字频率计
1
双踪示波器
1
电子管毫伏表
1
直流电压表、毫安表
1
数字万用表
1
四、实验步骤
在整个测试过程中,电路不应有自激现象。
1.OTL功放电路实验
(1)静态工作点的测试
按图10-1连接实验电路,电源进线中串入直流毫安表,电位器Rf2置最小值,Rf1置中间位置。
接通+12V电源,观察毫安表指示,同时用手触摸输出级管子,若电流过大,或管子温升显著,应立即断开电源检查原因(如Rf2开路,电路自激,或输出管性能不好等)。
如无异常现象,可开始调试。
a.调节输出端中点电位VA
调节电位器Rf1,用数字直流电压表测量A点电位,使UA
。
b.调整输出级静态电流及测试各级静态工作点
使Rf2=0,在输入端接入f=1kHz的正弦信号Ui。
逐渐加大输入信号的幅值,此时,输出波形应出现较严重的交越失真(注意:
没有饱和截止失真),然后缓慢增大Rf2,当交越失真刚好消失时,停止调节Rf2,恢复Ui=0。
此时直流毫安表读数即为输出级静态电流。
输出级电流调好以后,测量各级静态工作点,记入表10-1中。
表10-1IC2=IC3=mAUA=6V
V1
V2
V3
UB(V)
UC(V)
UE(V)
注意:
在调整Rf2时,一定要注意旋转方向,不要调得过大,更不能开路,以免损坏输出管。
若散热器发烫,则应及时减小Rf2的阻值。
输出管静态电流调好,如无特殊情况,不得随意旋动Rf2的位置。
(2)最大输出功率POm和效率的测试
a.测量POm
输入端接f=1kHz的正弦信号Ui,输出端用示波器观察输出电压Uo波形。
逐渐增大Ui,使输出电压达到最大不失真输出,用交流毫伏表测出负载RL上的电压UOm,则
b.测量效率
当输出电压为最大不失真输出时,读出数字直流毫安表中的电流值,此电流即为直流电源供给的平均电流Idc(有一定误差),由此可近似求得PE=UCC•Idc,再根据上面测得的POm,则可求出
。
(3)输入灵敏度测试
根据输入灵敏度的定义,只要测出输出功率PO=POm时的输入电压值U1即可。
(4)频率响应的测试
测试方法同实验三。
记入表10-2中。
表10-2Ui=mV
fLfofH
f(Hz)
1000
U0(V)
Av
在测试时,为保证电路的安全,应在较低电压下进行,通常取输入信号为输入灵敏度的50%。
在整个测试过程中,应保持Ui为恒定值,且输出波形不得失真。
(5)研究自举电路的作用
a.测量有自举电路,且PO=Pomax时的电压增益
b.将C2开路,R6短路(无自举),再测量PO=POmax的Av。
用示波器观察a、b两种情况下的输出电压波形,并将以上两项测量结果进行比较,分析研究自举电路的作用。
(6)噪声电压的测试
测量时将输入端短路(ui=0),观察输出噪声波形,并用交流毫伏表测量输出电压,即为噪声电压UN,本电路若UN<15mV,满足要求。
(7)试听
输入信号改为音频信号,输出端接试听音箱及示波器,接通电源试听,并观察语言和音乐信号的输出波形。
2.OCL功放电路实验
实验步骤同OTL电路实验步骤的
(1)、
(2)、(3)、(4)、(6)、(7),所得数据记于表10-3、10-4中。
表10-3IC5=IC6=mAUA=6V
V4
V5
V6
UB(V)
UC(V)
UE(V)
表10-4Ui=mV
fLfofH
f(Hz)
1000
U0(V)
Av
五、实验报告
1.整理实验数据,计算静态工作点、最大不失真输出功率POm、效率等,并与理论值进行比较。
画频率响应曲线。
2.分析自举电路的作用。
3.分析实验中出现的异常现象。
六、预习思考
1.复习有关OTL、OCL工作原理的内容。
2.为什么引入自举电路能够扩大输出电压的动态范围?
3.交越失真产生的原因是什么?
怎样克服交越失真?
4.电路中电位器Rf2或Rf4如果开路或短路,对电路工作有何影响?
5.为了不损坏输出管,调试中应注意什么问题?
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- 任务 学习 引导 文推挽 互补 功率 放大 电路 测试 应用