模电第八章 功率放大电路

第八章 功率放大电路§ § § § § 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 功率放大电路的一般问题 甲类互补功放 乙类双电源互补功率放大器 甲乙类双电源互补功率放大器 集成功率放大器

8.1 功率放大电路的一般问题功率放大器的作用： 用作放大电路的输出级，以驱 动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、 仪表 指针偏转等。 例1: 扩音系统 信 号 提 取 电 压 放 大 功 率 放 大

例2:温度控制 R1 R1-R3:标准电阻 Va : 基准电压 Rt :热敏电阻 R3 b

Vsc

a

+ A+ vo1 -

功 放加 热 元 件

vo

A:电压放大器

R2

Rt

温控室

温度调节 过程

T T

Rt

Vb

VO1

VO

1.功率放大电路的定义 功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电 路。它一般直接驱动负载，带负载能力要强。 2.功率放大电路与电压放大电路的区别

(1).本质相同 电压放大电路或电流放大电路：主要用于增强电压幅度 或电流幅度。功率放大电路: 主要输出较大的功率。 但无论哪种放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电流 和功率，从能量控制的观点来看，放大电路实质上都是能量 转换电路。 因此，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。称呼 上的区别只不过是强调的输出量不同而已。

(2). 任务不同 电压放大电路：主要任务是使负载得到不失真的电压信号。 输出的功率并不一定大。在小信号状态下工作. 功率放大电路：主要任务是使负载得到不失真(或失真较小) 的输出功率。在大信号状态下工作。 (3).指标不同 电压放大电路：主要指标是电压增益、输入和输出阻抗. 功率放大电路：主要指标是功率、效率、非线性失真。 (4).研究方法不同 电压放大电路：图解法、等效电路法 功率放大电路：图解法

3.功率放大电路的特殊问题

(1).输出功率Po尽可能大要求Vo和Io都足够大 (2).效率 要高 Po大，电路的能量损耗也大 (3).非线性失真 要小 大信号工作状态， 与Po、 是一对矛盾 (4).功放管散热和保护问题

4.功率放大电路的分类

根据静态偏置或输出功放管导通角的不同， 功放电路可分为四种:甲类 乙类 甲乙类 丙类

功放电路分类比较表类别 甲类 工作点较高

波

形

导通角360

特点无失真 效率低

乙类

最低

180

失真大 效率最高

甲乙 类

较低

180 — 360

失真大 效率较高

8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路8.3.1 电路组成双管：NPN、PNP特性相同且互补 双共集电路 双电源供电 又称OCL互补功放 OCL (无输出电容)+ Vi -

+Vcc

T1+ vo -

RLT2 -Vcc

工作原理忽略三极管的开启电压:

+Vcc T1+ Vi -

iC1R iC2 L -Vcc + vo -

vi正半周时 vi负半周时合成

T1导电 T2导电

iC1通过RL iC2通过RL

T2

iC1 O iC2 O

完整、不失真波形

结论： 两个三极管，轮流导电 (正、负半周)互补不足

T 2

t

T

t

互补

推挽

iL O t

8.3.2 分析计算T1 Vi + T2

+Vcc iE1 + RL Vo iE2 -

-Vcc +Vcc + Vi RL T1 + Vo +

vo=-vce负载上的最大不失真电压为Vom=VCC -VCES

+ -

RL

Vce T1 + Vo -

+Vcc +Vcc

设：vo Vom sin wtVom: 峰值 1.输出功率Po 以正半周为例Vi

T1 + Vi T1

功率 三角形+

iE1

+- RL

+

R Vo T2 i L Vo E2 -Vcc

P o Vo I

2 2 Vcem Vcem Vom Vcem o 2 2 RL 2 RL 2 RL2

2 V ( V V ) om CC CES 最大不失真功率为： P omax 2R L 2R L 2 VCC 理想最大输出功率为： PoM (Vom VCC 略VCES ) 2R L

2.三极管的管耗PT

+VccT1 + Vi RL Vo -

1 π PT1 = vCE iCd( t ) 0 2π

+

1 π Vomsin t ( V V sin t ) d( t ) CC om 0 2π RL 2 1 VCCVom Vom ( ) RL 4

PT1 = PT2 PT 2P T1

2 VCCVom Vom ( ) RL 4

2

3.直流电源供给功率PV+Vcc

PV = VCC I CC VCC 2 π I omsin td( t ) 2π 0+ Vi -

T1 iE1 + T2 iE2 RL Vo -

2 π Vom VCC sin td( t ) 2π 0 RL 2 VCCVom π RL

-Vcc

PV = PO PT

4.效率η2

Vom Po π Vom 2RL PV 2VCCVom 4 VCC R L当Vom = VCC 时，ηmax=π

/4 =78.5%。

8.3.3 功率BJT的选择1.最大管耗和最大输出功率的关系

问：Vom=? PT1最大, PT1max=?用PT1对Vom求导得出： PT1max发生在Vom=2VCC/ =0. 64VCC处 将Vom=0.64VCC代入PT1表达式得:

1 VCCVom Vom PT 1 ( ) RL 4

2

VCC VCC PT1max 2 0.2 0.2 PoM RL 2 RL

2

2

2. 功率BJT的选择 (1)最大允许管耗PCM ≥0.2POM(2)|V(BR)CEO| ≥2VCC (3)最大集电极电流ICM VCC RL+ +Vcc

T1

iE1 + RL Vo -

Vi-

T2

iE2

-Vcc

散热与最大功耗PCM的关系电源供给的功率，一部分转换为负载的有用功率， 另一部分则消耗在功率管的集电结，变为热能而使 管芯的结温上升。如果晶体管管芯的温度超过管芯 材料的最大允许结温TjM(锗管TjM约为75℃~100℃,硅 管TjM约为150℃~200℃),则晶体管将永久损坏。这 个界限称为晶体管的最大允许功耗PCM。

描述热传导阻力大小的物理量称为热阻 RT 。

RT的量纲为℃/W,它表示每消耗1W功率结温上升的度数。为减小散热阻力，改善散热条件，通常采用加散热器的方法。图 (a)给出一种铝型材散热器的示意图。加散热器后，热传导阻 力等效通路如图 (b)所示。图中：

RTj——内热阻，表示管芯到管壳的热阻； RTfo——管壳到空间的热交换阻力； RTc——管壳到散热器之间的接触热阻，与管壳和散热器之间的接触状况有关；

RTf——散热器到空间的热交换阻力，与散热器的形状、材料以及面积有关。

散热器和热传导阻力等效通路 (a)铝型材散热器示意图； (b)热传导

阻力等效通路(热阻计算)

由图可见，不加散热器时，总热阻RTo为

RTo RTj RTfo 由于管壳散热面积很小，RTfo是很大的。 加散热器后，由于 (RTc+RTf)≤RTfo ,所以， 总热阻RT为

RT RTj RTc RTf

显然，RT<<RTo。 功率管的最大允许功耗 PCM 与总热阻 RT 、最 高允许结温TjM和环境温度To有关，其关系式为

PCM

T jM To RT

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