电子科技大学光电信息学院模拟电路基础课件第六章 模拟集成单元电路6.7.7.ppt

1 第六章  模拟集成单元电路 6.7 功率放大器 在实际电子电路中： 电压型负载--有些负载需要有足够的电压范围才能保证其应用效果，如模－数转换器就要有一定的电压范围才能保证它的精度。 电流型负载--有的负载需要有足够的电流驱动才能正常工作，如发光二极管只有在一定的电流流过时才会发光， 功率型负载--而有些负载既需要足够的电压，也需要有足够的电流，即需要有足够的功率才能正常工作，如音频喇叭。 在本书前面讲述的是电压和电流信号的放大问题，本节主要讲述功率放大问题。 功率放大既要求处于大信号放大状态，但仍然要求晶体管工作在放大区，否则会引起严重失真。 即使工作在放大区，因为信号幅度较大，线性近似与元件实际特性仍有差别。 一般地，功率放大器的这种非线性失真，如BJT的输入特性是指数关系，通过台劳级数展开就可表示成直流、基波分量和各次谐波分量。其中各次谐波是由元件的非线性引起的，在放大电路中我们所不期望得到的。 通常用总谐波失真（THD）来度量非线性失真的大小。 因为 与 是对称的，所以它消耗的平均功率与 的完全相同。 每个晶体管消耗的平均功率与输出电压的振幅之间的关系如图6.64所示。 图6.64 每个晶体管消耗的平均功率与输出电压的振幅之间的关系 由图6.64可知，输出电压较小时，晶体管消耗的功率随Vp的增加 而增大，达到某个值Vp=2VCC/π，时，晶体管消耗的功率随Vp的增大 而减小。 式(6.193)两端对 求导数，并令它等于零，可得 当 时，晶体管消耗的最大平均功率为 (6.194) 传送给负载的平均功率为 (6.195) 由于每个直流电压源提供的电流为半个周期的正弦波，因此 平均电流为 每个直流电压源提供的平均功率为 (6.196) 两个电压源提供的总平均功率为 (6.197) 转换效率为 (6.198) 当 时，可获得最大效率，即 (6.199) 由此可见，互补推挽功率放大器的效率比甲类功率放大器的 效率要高得多。 为了将失真限制在某个允许的范围内，输出电压的振幅值必须 比Vcc小几伏。 晶体管消耗的功率在 此时的转换效率由式(6.198)可求得 时达到最大， 故，乙类互补推挽功率放大器的转换效率在50％～78.5％之间。 3. 甲乙类功率放大器 为了消除交越失真，需要在静态时给每个晶体管加上一个很小的直流偏置，以使输入交流电压在整个周期内的所有值上都在负载上产生输出。这样的功率放大器称为甲乙类功率放大器。 图6.65 采用二极管偏置 的甲乙类功率放大器 [例6.26]目的：设计二极管偏置的甲乙类功率放大器，使其 满足指定的要求。 电路如图6.65所示，已知二极管 和 的反向饱和电流 和 的反向饱和电流 令 ，传送给负载的平均功率为5W。 不大于 的80％，流过二极管的电流 不小于5mA。 输出电压振幅值 解：由式(6.195)可得 电压源电压为 输出电压最大时， 的射极电流为 基极电流 当流过二极管的电流 时，选择 当输入电压为零时，若忽略基极电流，可得两个二极管上的电压降为 集电极静态电流为 输出电压最大时，流过二极管的电流为 此时的两个基极之间的电压为 的发射结电压为 的发射结电压为 的集电极电流为 说明：当输出为正时， 的集电极电流很小， 此时 电流比 的高3个数量级。 的集电极 图6.66是一种采用 倍增器提供偏量的甲乙类功率放大器。 6.7.1 功率管的极限参数 最大集射电压（ BVCEO）--避免反偏的集电结击穿； 最大集电极电流（ICmax）--避免连接PN结至封装引脚之间的导线融化； 最大功率（PTmax）--避免功率过大而导致的热烧坏。 PTmax≠BVCEOICmax 6.7.2 功率放大器的分类 功率放大器是根据功率管在电路中工作时在一个正弦信号周期内的导通时间的多少来分类的。 主要有四种基本类型：甲类、乙类、甲乙类和丙类。图6.56是输入为正弦信号时各类功率放大器的输出情况。 下面分析各类功率放大器的直流偏量、负载线和效率。 图6.56 输入为正弦信号时各类功率放大器集电极电流的输出情况： （a）甲类功率放大器 （b）乙类功率放大器 （c）甲乙类功率放大器 （d）丙类功率放大器 1.甲类功率放大器 前面讨论的BJT和MOSFET小信号放大器都偏置于甲类状态。 图6.57(a)是一个基本的共射放大电路（基极直流偏置电路）。 图6.5