第七章低频功率放大电路

第七章低频功率放大电路延安大学西安创新学院

第七章低频功率放大电路

7.1 低频功率放大电路概述

7.2 互补对称功率放大电路

7.3 集成功率放大器


7.1 低频功率放大电路概述

7.1.1 分类

(a ) ¼×Àà (b ) ÒÒÀà (c ) ¼×ÒÒÀà

iBO

O

O

O O

O

iCiC iC iC

iCiC

iB

iB

iB

iBiB

t

t t

t

t

t

O

O O

图 7 – 1 甲类、乙类、甲乙类功率放大电路的工作状态示意图


7.1.2 功率放大器的特点

1. 输出功率要足够大

如输入信号是某一频率的正弦信号 , 则输出功率表达式为

ooo UIP （ 7-1 ）

式中 , Io 、 Uo 均为有效值。如用振幅值表示 ,

代入公式 (7 - 1), 则

omomo UIP2

1

2/

2/

omo

omo

UU

II


2. 效率要高

放大器实质上是一个能量转换器 , 它是将电源供给的直流能量转换成交流信号的能量输送给负载 , 因此 , 要求转换效率高。为定量反映放大电路效率的高低 , 引入参数η, 它的定义为

式中 , Po 为信号输出功率 , PE 是直流电源向电路提供的

功率。在直流电源提供相同直流功率的条件下 , 输出信号功率愈大 , 电路的效率愈高。

%100E

o

P

P (7-3)


3. 非线性失真要小

为使输出功率大 , 由式 (7 - 2) 可知 Iom 、 Uom 也应大 ,

故功率放大器采用的三极管均应工作在大信号状态下。由

于三极管是非线性器件 , 在大信号工作状态下 , 器件本身

的非线性问题十分突出 , 因此 , 输出信号不可避免地会产

生一定的非线性失真。当输入是单一频率的正弦信号时 ,

输出将会存在一定数量的谐波。谐波成分愈大 , 表明非线

性失真愈大 , 通常用非线性失真系数 γ 表示 , 它等于谐波

总量和基波成分之比通常情况下 , 输出功率愈大 , 非线

性失真就愈严重。


7.1.3 提高输出功率的方法

1. 提高电源电压

maxceCEO UBU

maxccm II

maxccm PP

选用耐压高、容许工作电流和耗散功率大的器件。


2. 改善器件的散热条件

普通功率三极管的外壳较小 , 散热效果差 , 所以允许的耗散功率低。当加上散热片 , 使得器件的热量及时散热后 , 则输出功率可以提高很多。例如低频大功率管3AD6 在不加散热片时 , 允许的最大功耗 Pcm 仅为 1W, 加

了 120mm×120 mm×4 mm 的散热片后 , 其 Pcm 可达到 10

W 。在实际功率放大电路中 , 为了提高输出信号功率 ,

在功放管一般加有散热片。


7.1.4 提高效率的方法

Q

M ¡ä

O

A

M

N

U CEQ U CC

U cem

u CE

B

iC

Icm

ICQ

图 7 –2 功放的图解法 ( 甲类放大状态 )

功率放大器的效率主要取决于功放管的工作状态。下面用图解法进行分析。


CCCQo UIP2

1

即为△ M′MQ 的面积。

电源提供的直流功率为

CQCCE IUP

即为 OMBA 的面积值 , 故效率

放大电路输出功率为

面积OMBA

MQM

P

P

E

o'


1. 改变功放管的工作状态

Q

U cem

u CE

iC

Icm

O

图 7 – 3 乙类放大状态


2. 选择最佳负载

C

A

B

O M

U CC u CE

iC

P cm

图 7 – 4 最佳负载的确定


7.2 互补对称功率放大电路 7.2.1 双电源互补对称电路 (OCL 电路 )

£«U CC

O t

u i

£ U EE

V1

V2

u iu o

RL

t

O

u o

t

tO

(a ) µçÂ·Í¼

RL

u i

u o

£«U CC

V1RL

V2

u i

u o

£ U EE

(b ) Õý°ëÖÜ (c ) ¸º°ëÖÜ

O1ci

2ci

2ci

1ci

1ci

2ci

图 7 – 5 双电源互补对称电路


设两管的门限电压均等于零。当输入信号 ui=0, 则

ICQ=0, 两管均处于截止状态 , 故输出 uo=0 。当输入端加

一正弦信号 , 在正半周时 , 由于 ui>0, 因此 V1 导通、 V2

截止 , ic1流过负载电阻 RL; 在负半周时 , 由于 ui<0, 因此

V1 截止、 V2 导通 , 电流 ic2通过负载电阻 RL, 但方向与正

半周相反。

即 V1 、 V2 管交替工作 , 流过 RL 的电流为一完整的

正弦波信号 , 波形如图 7 - 2 所示。由于该电路中两个管子导电特性互为补充 , 电路对称 , 因此该电路称为互补对称功率放大电路。


2. 指标计算

O

²¨ÐÎ

Q U CC

U cem

uCE

Icm

U ces

U C E ²¨ÐÎ

²¨ÐÎ

Icm

2IcmO U ces

U cem

2U cem

A

B

O

uCEU cesQ

iB

L

1

R

(a ) (b )

1ci

2ci

1ci1ci

1Bi 1Bi

图 7 – 6 双电源互补对称电路的图解分析


(1) 输出功率Po:

L

cemcemcm

cmcemo R

UUI

IUP

2

2

1

2

1

22

当考虑饱和压降 Uces 时 , 输出的最大电压幅值为

cescccem UUU

一般情况下 , 输出电压的幅值 Ucem 总是小于电源电压

UCC 值 , 故引入电源利用系数 ξ

CC

cem

U

U (7-6)

(7-4)


L

CCom R

UP

2

2

1

L

CC

L

cemo R

U

R

UP

222

2

1

2

1

将 (7 - 6) 式代入 (7 - 4) 式得

当忽略饱和压降 Uces 时 , 即 ξ=1, 输出功率 Pom 可按下式估算 :


O 1

Pom

Po

图 7 - 7Po 与 ξ 关系曲线


(2) 效率 η: η 由 (7 - 3) 式确定。为此应先求出电源供

给功 PE 。

Icm

t

ic

O

图 7 – 8 集电极电流 ic 波形


cmcmcav IttdItdiI

1)(sin

2

1)(

2

101

201

因此 , 直流电源 UCC 供给的功率为

L

CCCC

L

cem

CCcmCCavE

R

UU

R

U

UIUIP

2

11

1

1

L

CCEE R

UPP

2

1

22

因考虑是正负两组直流电源 , 故总的直流电源的供给功率为


O 1

PEm

PE

42

21

2

22

L

CC

L

CC

E

o

RURU

P

P

当 ξ=1 时 , 效率 η 最高 , 即 %5.78

4max

图 7 – 7 PE 与 ξ 的关系曲线


(3) 集电极功率损耗Pc:

2

2

2

12 L

CCoEc R

UPPP

O 1

P c max

P c

π

2

图 7 - 10Pc 与 ξ 的关系曲线

(7-14)


022

L

CCc

R

U

d

dP

636.02

L

CCc R

UP

2

2max

2

omomc PPP 4.04

2max


omcc PPP 2.02

1maxmax1

omcm

CCceo

omcm

II

UBU

PP

2

2.0


3. 存在问题

(1) 交越失真。

O

uBE

O

t

t

ui

io , uo

½»Ô½Ê§ Õæ

O

11 CB ,ii

22 CB ,ii

图 7 – 11 互补对称功率放大电路的交越失真


(a )

£«U CC

C 1R1

R c

Rb

V3

V2

V1

u i

u o

RL

£ U EE

(b )

£«U CCR c

R b

V2

V1

u i

u o

RL

£ U EE

(c )

£«U CCR c

Rb

V2

V1

u i

u o

RL

£ U EE

VD1

VD2

V3

R1

R 2

V3 V4

图 7 – 12 克服交越失真的几种电路

1321RIUU QCEBBE

图 7-12(a) 是利用 V3 管的静态电流 IC3Q 在电阻 R1 上的

压降来提供 V1 、 V2 管所需的偏压 , 即


图 7-12(b) 是利用二极管的正向压降为 V1 、 V2 提

供所需的偏压 , 即2121 DDEBBE UUUU

图 7-12(c) 是利用 UBE 倍压电路向 V1 、 V2 管提供所需的偏压 , 其关系推导如下 :

)(21

'3

21

2

21

2EBBEBBBE UU

RR

RU

RR

RU

所以

3321)1(

2

1

2

21BEBEEBBE U

R

RU

R

RRUU


(2) 用复合管组成互补对称电路

1bI1bI

1b21 Ib

c

e

£½12

(a )

1bI

1b1I 1b21 Ib

c

e

£½12

(b )

1bI1bI

1b21 Ib

c

e

£½12

(c )

1bI

1b1I1b21 I b

c

e

(d )

£½12

图 7 – 13 复合管的几种接法

21

1

2 b

c

I

I


V1

V3

V2

V4

V5

£«U CC

R c

Rb

u i

u o

RL

£ U EE

R1

VD1

VD2

图 7 – 14 复合管互补对称级


V1

V3

V2

V5

£«U CC

R c

Rb

u i

u o

RL

£ U EE

R 1

VD1

VD2

V4

图 7 – 15 准互补对称电路


7.2.2 单电源互补对称电路 (OTL 电路 )

V1

V3

£«U CC

u i

u o

RL

R

VD1

VD2

V4

V2

£«

1bR

1eR

2bR

C 2

V1

A

2cR

图7 – 16

单电源互补对称电

路


7.2.3 实际功率放大电路举例

3DG45¡Á2

V1

V3

V2

V5

V4

V6

V8 V10

V6

V7 V9

U o

3eR

C 1

C 2

C 3C 4

U i

1bR*

3DG45

2CP10¡Á23DG45

3CG7

3DD15

3DD15

3DG12

3CG5

3DG6

680 150 220

10eR

0.5

5cR

330

4cR *

220 0.5

150 2.2 k 10 k

R f

R1

R2

10

R L

8 2bR

620

C 5

47 F

120

F12

0 p

F

120 p F

0.033 F

BX2A

£«24 V

£ 24 V

22.7 V

9eR7eR

VD1

VD2

5eR

1cR 4eR

8eR

0V£«

图 7 – 17 OCL 准互补对称功率放大电路


¡÷

¡Þ£«

£«

£

£«12 ~ £«18 V£«

£«

£ 12 ~ £ 18 V

V1

V3

V2

V4

82 k

R 3

22 k R1

82 k R2

10 k

R5

240

R 9

0.5

R11

0.5

R10240 R 7

22

R 8

22 R 6

10 k

R4

VD1

VD2

VD3

12 F / 25 V

5 F / 25 Vu i

图 7-18 集成运放作为前置级的 OCL 电路


7.3 集成功率放大器

7.3.1 内部电路组成简介

图 7-19 中虚线框内为 DG4100 系列单片集成功放内部电路。它由三级直接耦合放大电路和一级互补对称放大电路构成 ,并由单电源供电 , 输入及输出均通过耦合电容与信号源和负载相连 , 是 OTL 互补对称功率放大电路。


V1

V3

V2

V5

V4

V6

£«

£«

£«

V7

V8

V9

V11

V10

V12 V13

V14

£«

£«

R1

R f

R3

R 2

R4

R5

R6

R11

R7 R12

R12R9 R10

R8

C 1

C 2

C 3

C 4

C 7

C f

C 8

C 6

C 9

u o

u i

6

8

9

10

12

13

14

1

2

345

C 4

C 5

£«U CC

图 7-19 DG4100 集成功放与外接元件总电路图


因为反馈由输出端直接引至输入端 , 且放大器的开环增益很高 ( 三级电压放大 ), 整个放大电路为深度负反馈放大器 ,

所以 , 放大器的闭环电压增益约为 1/F, 即

当信号 ui 正半周输入时 , V2 输出也为正半周 , 经两级中

间放大后 , V7 输出仍为正半周 , 因此 V12 、 V13 复合管导通 ,

V8 、 V14 管截止 , 在负载 RL 上获得正半周输出信号；当 ui 负

半周输入时 , 经过相应的放大过程 , 在 RL 上取得负半周输

出信号。

f

fuf R

RRA 11


7.3.2 DG4100 集成功放的典型接线法

14

9

2

3

12 10 6 4 5

1

13

£«

£«

£«

£«

£«

£«

£«U CC

u i

4.7 FC 1

200 FC 6

0.15 FC 7

220 FC 8

470 FC 9

RL

4 C 5

560 pF51 FC 4

R f

100

C f

33 F£«

C 2200 F

C 3100 F

图 7-20D

G4100

集成功放的典型接线

法

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