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
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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
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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
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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)
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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。
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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。
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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。
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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。
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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'
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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
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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
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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 ) µç·ͼ
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
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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。
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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
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(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)
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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 :
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O 1
Pom
Po
图 7 - 7Po 与 ξ 关系曲线
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(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
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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
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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
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(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)
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022
L
CCc
R
U
d
dP
636.02
L
CCc R
UP
2
2max
2
omomc PPP 4.04
2max
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omcc PPP 2.02
1maxmax1
omcm
CCceo
omcm
II
UBU
PP
2
2.0
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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
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(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
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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
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(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
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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
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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
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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
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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
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¡÷
¡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
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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。
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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
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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
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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