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  1. §16-8 互补对称功率放大器 一. 对功率放大器的基本要求 1. 功放的任务: 输出足够大的功率供给负载。 根据信号频率的不同, 图16-87 扩音机方框图 功率放大器分 (功放应用实例) 低频(音频)功放 本节是讲低频功率放大器。根据用途不同,它的负载也不同,如扬声器 ,电动机 ,继电器 等 ,功率放大器往往是整个放大系统的最后一级,故常称末级或输出级。 高频(射频)功放

  2. 负载获得的交流信号功率(P0) 电源提供的直流功率(PE) 集电极功率损耗 PC=PE - PO 2.基本要求 包含三个方面: ①. 在不失真条件下输出尽可能大的功率。 ②. 效率高。功率放大器往往是整个电子设备 功率的主要消耗者,为了减小功耗,功放效率应尽量的高。 定义: 功放效率 = (16-72) 图16-88 功率放大器效率

  3. ③.安全工作 末级放大器交流信号电压(电流)都很大,相应的直流电压(电流)也大,管子容易损坏。为了保证安全 工作,管子动态范围不应超出由极限参数(PCM ,U(BR)CE0 ,ICM)限定的安全工作区。 3.工作状态的选择 放大管的工作状态 分为甲类,甲乙类,乙类等,如图16-89所示。 第(62)页

  4. 甲类: 在交流信号的一个周期内,管子均有电流, 而且处于放大区,电流通角=360 ,小信号电压放大器就属于此类工作状态。 乙类: 交流信号半个周期管子导通,另半个周期管子截止, 电流通角只有一半,即=180 。 甲乙类:介于甲类于乙类之间,180<  <360 。 功放如选甲类工作状态,放大器效率较低,这是因为甲类时, ,电源供给的直流功率不论有无交流输入信号,直流电源均需提供这一功率,甲类工作点取得很高,ICQ 很大,所以 PE 也大。

  5. 而乙类工作状态,ICQ = 0,静态时电源不需要消耗功率,仅当激励信号加入,集电极出现脉冲电流,直流电源才需提供直流功率 (式中,IC 是集电极脉冲电流的直流分量),从而节省了电源功率,提高了效率,可以证明甲类功放的最高效率只能达到50% ,要提高效率,功放应采取乙类工作状态,但是乙类工作需要解决波形失真问题。 小信号电压放大器由于工作点电流很小,功耗很小,不需 要考虑效率问题,故采用甲类工作。

  6. 二. 互补对称功率放大电路 1.工作原理 ①.结构特点:上下对称,但T1,T2管子类型不同: T1,NPN,正电源供电 T2,PNP ,负电源供电 发射极共用负载RL,对于扬声器 RL=4 ,8  ,16  ②.静态分析 静态时ui= 0,B点电位UB= 0;扬声器RL直流电阻很小,可认为短路,故A点电位UA=0,因而 T1 , T2的UBEQ=0,两管均属乙类工作状态,静态无电流。

  7. ③.动态分析 假定T1,T2具有图16-91所示理想特性,在交流正弦信号激励下,正半周,T1导通,T2截止;负半周,T2导通,T1截止,正负半周的等效电路分别如 图16-92(a)及(b)所示。 第(63)页

  8. 图16-93是电压电流波形图。 结论:互补对称功率放大器实质上是两个 共集电极放大器(射极输出器)的组合, 这两个共集放大器所用放大管的类型不 同,所以在同一信号激励下,可以轮流 交替导通,实现互补,在负载RL上获得 完整的正弦波,解决了乙类工作波形失 真问题。 需要说明:共集放大器虽然没有电压放大作用,但有电流放大,因而存在功率放大,共集放大器很低的输出电阻使它便于和负载RL匹配。

  9. 在不失真条件下,放大器加入最大激励信号时,放大管的工作状态,如图16-94所示,由图可见,最大输出电压幅值:在不失真条件下,放大器加入最大激励信号时,放大管的工作状态,如图16-94所示,由图可见,最大输出电压幅值: 式中,UCES是三极管饱和压降,约0.3伏左右,一般可以忽 略,故 (16-73) 最大输出电流幅值 (16-74) 于是互补对称功率放大器的最大不失真输出功率(理想值)为: (16-75)

  10. 半个正弦波的集电极脉冲电流,其直流分量由频谱分析求得为:半个正弦波的集电极脉冲电流,其直流分量由频谱分析求得为: 两个电源供给的直流功率 (16-76) 放大器效率 (16-77)

  11. 2.单电源供电互补对称功率放大器 图16-90是正负电源供电的放大电路,负载RL与放大器之间直接耦合。为简化电源,可实施单电源供电, 如图16-95所示。单电源供电时,A点直流电位 (称为中点电位)。 为防止短路,RL与放大器之间必须采用电容耦合,CL对音频信号视为短路,其上直流压降就是UA。 信号输入端的直流电位UB应等于UA,使T1,T2仍为乙类工作状态。 单电源供电的互补对称功放一般称为OTL电路,双电源供电的,称为OCL。 第(64)页

  12. (16-78) (16-79) (16-80) 图16-96是在不失真条件下,输入端加上最大激励信号时,OTL电路的电压电流波形。 由图可见,最大输出电压幅值 最大输出电流幅值 最大不失真输出功率(理想值) 图16-96 最大不失真输出状态下 单电源供电互补对称功率放大器的电流电压波形

  13. 集电极半正弦波脉冲电流的直流分量(即直流电源电源电流的平均分量):集电极半正弦波脉冲电流的直流分量(即直流电源电源电流的平均分量): 电源供给的直流功率 放大器效率

  14. 带有推动级的OTL电路示于图16-98,推动级T3工作于甲类状态,基极偏压来自中点电位(A点)经偏置电阻R1送至基极。调节R1使T3集电极静态电位近于 ,R1产生交直流负反馈,使电路稳定。在最大不失真输出时,图16-98电路各点交流电压波形如图16-99所示。

  15. 在t1时刻,激励信号ui瞬时值最大,T3 瞬时电流ic3也最大,T3充分饱和,CE之间近于短路,因而其集电极(B点)电位降至零,导致T1截止,T2充分饱和,T2管CE之间近于短路,于是A点电位也降至零;输出电容CL上的电压 瞬 间加在负载RL上,使输出电压瞬时值等于 第(65)页

  16. 在t3时刻,激励信号瞬时值达到负的峰值,T3截止,B点瞬时电位升至接近UCC(如果忽略基极电流IB1在R3上的电压降),T1充分饱和导通,T2完全截止,电源电压UCC经T1加在A点上,于是输出电压u0瞬时值等于在t3时刻,激励信号瞬时值达到负的峰值,T3截止,B点瞬时电位升至接近UCC(如果忽略基极电流IB1在R3上的电压降),T1充分饱和导通,T2完全截止,电源电压UCC经T1加在A点上,于是输出电压u0瞬时值等于 。

  17. 3.OTL电路的改进 ①.改善输出波形 以上交流波形的分析是假定三极管具有理想的折线特性(图16-91),但实际的输入特性存在死区电压UBE,如图16-100所示。 互补对称功放如果工作在乙类状态,当输入电压瞬时值小于死区电压时,晶体管基本上截止,因此在这段区域内输出为零。致使两管的集电极电流均小于半个周期的正弦波,在RL中的合成电流将为正负半周期不能相互衔接的失真波形, 通常将这种失真称为交越失真。

  18. 为了改善波形,可采用甲乙类工作状态,给互补对称放大管加一小的正向偏压,使静态工作点稍高于截止点(避开死区段),如图16-101所示。为了改善波形,可采用甲乙类工作状态,给互补对称放大管加一小的正向偏压,使静态工作点稍高于截止点(避开死区段),如图16-101所示。 图16-102则是具体电路,T3集电极静态电流流经R4所产生的电压降为T1 .T2两管提供稍大于(UBE1+UBE2)的偏置电压。电阻R4亦可由两个二极管或三极管代替。 图102 甲乙类工作的互补 对称功放及推动级

  19. P0ma= ②.增加输出功率 根据式(16-75)及式(16-80)互补对称功率放大器的最大不失真 输出功率 (OCL) (OTL) 由上式可见,要提高Pomax,必须提高电源电压或者降低负载阻抗,若提高UCC势必使电源复杂,整机重量增加,因此在晶体管设备中,常采用降低负载(扬声器) 阻抗的办法。但是负载电流的峰值等于 采用低阻抗负载,势必要求晶体管输出更大电流。 第(66)页

  20. (2) (3) 倍 例16-19 已知:OTL电路UCC=20伏,RL=4, 求: (1) Pomax (2) 输出电流峰值Iom (3) 若基极激励电流幅值Ibm=2.5mA, 求输出互补管应具有的电流放大倍数 解: (1) 瓦 目前大功率三极管≤(200~300)倍,互补输出管T1或T2靠一个管子无法满足上述要求,必须采用图16-103所示复合管。

  21. (16-81) 复合管的电流放大倍数 图中T1是小功率管,T2是大功率管,NPN-NPN的复合是等效NPN管,PNP-NPN的复合是等效PNP管,复合管可以看成一个大电流放大倍数的三极管,其等效集电极电流(以NPN-NPN复合为例):

  22. 采用复合管不仅提高了电流放大倍数,而且解决了大功率管的配对问题。采用复合管不仅提高了电流放大倍数,而且解决了大功率管的配对问题。 图16-104是由复合管构成的0TL电路,T3和T4是同类型(均为NPN大功率)的管子,参数容易一致。 CO , RO是“自举电路”它 可以减少R3对OTL输入 激励信号的分流作用, 增加OTL电路的输出. 第(67)页

  23. 各元件作用如下: R4,D1,D2 ——给复合管提供小的正向偏压,使其工作 于甲乙类状态,克服交越失真。 R8,R9 —— 电流负反馈,改善波形,但使输出功率降 低,故数值不能大,一般零点几个欧姆。 R6,R7 —— 将复合管的第一管子(T1,T2)穿透电流 分流,提高工作点热稳定性。 R1 * —— T5上偏置电阻,交直流负反馈,调节中点 电位,使静态时 CL—— 输出耦合电容,隔直流。该电容容量尽可 能大,以免产生低频失。

  24. §.16-10 场效应管(Field Effect Transistor) 及其放大电路 到目前为至,我们讨论的三极管是属于双极型晶体管(Bipolar Junction transistor),这种电子器件的缺点是:Ri太低,动态范围小,温度系数大。 场效应管(FET)的优点则是:Ri高,动态范围大,热稳定性好,噪声低,抗辐射能力强,制造工艺简单。但易损坏,跨导gm小。 场效应管分为两大类:结型场效应管(Junction FET)和绝缘栅场效应管(Metal Oxide Semiconductor FET)。

  25. 一. 结型场效应管(JFET) 又分为N沟道JFET和P沟道JFET两种。 1.偏置特点

  26. 图16-103 BJT 与 JFET 偏置的对照 2.JFET工作原理 我们以N沟道JFET为例说明工作原理。 JFET仍是一种以PN结为基础构成的特殊半导体器件。它利用反向偏置电压UGS使空间电荷区厚度改变,引起基区有效宽度W跟着改变,结果导致基区纵向半导体体电阻RDS变化,控制漏极电流ID,实现放大作用。 第(68)页

  27. 3.JFET的特性 ①.转移特性 表示以UDS为参变量的ID~UGS的关系。可以证明: 式中,UGS(off)称为夹断电压,IDSS称为漏极饱和电流。 图16-106 N沟道JFET转移特性

  28. 增强型 N沟 耗尽型 MOSFET 增强型 P沟 耗尽型 图16-106 N沟道JFET输出特性 ②.输出特性 表示ID~UDS的关系,以UGS为参变量。 二. MOSFET MOSFET管 有四种类型:

  29. 图16-107 1.结构及工作原理 以N沟道增强型MOSFET为例,说明其结构原理,如图16-107所示。 当UGS=0,即使加有UDS,漏极不会有电流;加上栅极电压UGS后,栅极绝缘层下面空穴将减少,而电子增多。如果UGS足够大,一旦电子浓度超过空穴浓度,表面区域的P型半导体就转变为N型半导体(称为反型层),反型层的出现相当于在n+之间,架起了一座导电的“桥”(称为导电沟道),于是就出现了电流ID。

  30. 图16-108 N沟道增强型MOSFET的符号 显然,UGS 越大,反型层中电子越多,N沟道越厚,导电能力越强,ID越大。实现了栅极电压UGS对漏极电流ID的控制作用,开始形成反型层所需之UGS值称为开启电压UGS(th)。 图16-108是N沟道增强型MOSFET的符号。 除了增强型以外,还有一种是耗尽型N沟道MOSFET,它的特点是:即使不加UGS,仍存在反型层,这时,UGS对反型层厚度的影响,仍可实现控制ID的目的。图16-109是N沟道耗尽型MOSFET的符号。 第(69)页

  31. 图16-109 N沟道耗尽型MOSFET的符号 P沟道增强型MOS管和 P沟道耗尽型MOS管其结构与原理,与N沟道类似。 2.MOS管特性(以N沟道增强型为例) ①.转移特性 图16-110N沟道增强型MOS管转移特性

  32. ②.输出特性 图16-111 N沟道增强型MOS管输出特性

  33. 三. FET放大电路 1.直流偏置方法 图16-112

  34. 2.FET微变等效电路 FET是电压控制的电流源器件,其微变等效电路,如图16-113所示。 是FET管跨导 其中 图16-113 是FET管交流输出电阻 第(70)页

  35. 3.FET放大器交流分析 图16-114是FET共源放大器交流等效电路。 式中, 由于 故 图16-114共源放大器交流等效电路