(二十四)【模电】(第八章 功率放大电路)

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(二十四)【模电】(第八章 功率放大电路)

2024-07-15 19:45:10| 来源: 网络整理| 查看: 265

文章目录 A 概述A.a 功率放大电路研究的问题A.b 对功率放大电路的要求A.c 晶体管的工作方式A.d 功率放大电路的种类A.d.a 变压器耦合功率放大电路A.d.b OTL(无输出变压器)电路A.d.c OCL(无输出电容)电路A.d.d BTL电路 B 互补输出级的分析计算

A 概述 A.a 功率放大电路研究的问题

1 性能指标: 最大输出功率和转换效率。 若已知 U o m U_{om} Uom​,则可得 P o m P_{om} Pom​, P o m = U o m 2 R L P_{om}=\frac{U_{om}^2}{R_L} Pom​=RL​Uom2​​ U o m U_{om} Uom​称为最大不失真输出电压有效值。 最大输出功率与电源损耗的平均功率之比为效率。 转换效率eta: η = P o m P V × 100 % \eta=\frac{P_{om}}{P_V}\times 100\% η=PV​Pom​​×100%

P V P_V PV​为直流功率

2 分析方法:因大信号作用,故应采用图解法。 3 晶体管选用:根据极限参数选择晶体管。 在功放中,晶体管集电极或发射极电流最大值接近最大集电极电流 I C M I_{CM} ICM​,管压降的最大值接近c-e反向击穿电压 U ( B R ) C E O U_{(BR)CEO} U(BR)CEO​,集电极消耗功率的最大值接近集电极最大耗散功率 P C M P_{CM} PCM​。称为工作在尽限状态。

A.b 对功率放大电路的要求

1 输出功率尽可能大:即在电源电压一定的情况下,最大不失真输出电压 U o m U_{om} Uom​(有效值)最大。 2 效率尽可能高:即电路损耗的直流功率尽可能小,静态时功放管的集电极电流近似为0。

A.c 晶体管的工作方式

1 甲类方式:晶体管在信号的整个周期内均处于导通状态。 θ = 2 π \theta=2\pi θ=2π 2 乙类方式:晶体管仅在信号的半个周期处于导通状态 θ = π \theta=\pi θ=π 3 甲乙类方式:晶体管在信号的多半个周期处于导通状态。

A.d 功率放大电路的种类 A.d.a 变压器耦合功率放大电路

在这里插入图片描述 静态下: I B Q = U C C − U B E Q R b I_{BQ}=\frac{U_{CC-U_{BEQ}}}{R_b} IBQ​=Rb​UCC−UBEQ​​​

I C Q = β I B Q I_{CQ}=\beta I_{BQ} ICQ​=βIBQ​

U C E Q = V C C U_{CEQ}=V_{CC} UCEQ​=VCC​

在这里插入图片描述 动态下: R L ′ = ( N 1 N 2 ) 2 R L R_L'=(\frac{N_1}{N_2})^2R_L RL′​=(N2​N1​​)2RL​ U C E = − i C R L ′ U_{CE}=-i_CR_L' UCE​=−iC​RL′​

管压降是静态电压和动态电压叠加,所以会大于电源电压。 2 V C C 2V_{CC} 2VCC​:交流电压最大值大于 V C C V_{CC} VCC​那么图中左边就会失真。

输入信号增大,输出功率将增大输入信号增大,管子的平均电流不变,等于 I C Q I_{CQ} ICQ​(交流部分平均为0)。输入信号增大,电源提供的功率不变( P V = V C C I C Q P_V=V_{CC}I_{CQ} PV​=VCC​ICQ​),效率增大( P o m P_{om} Pom​增大)。

输入信号为零时,效率为0,但是电源提供的功率不为零。

在这里插入图片描述 结构:

(1) T 1 、 T 2 T_1、T_2 T1​、T2​的管型,输入输出特性完全相同。(2)采用共射输出方式。(3)一个直流电源,采用单电源供电。(4)与负载的耦合方式:变压器耦合。

静态:

U B = U E = 0 U_B=U_E=0 UB​=UE​=0,管子处于截止状态。

动态

信号的正半周 T 1 T_1 T1​导通、 T 2 T_2 T2​截止(故为乙类);负半周 T 2 T_2 T2​导通、 T 1 T_1 T1​截止。两只管子交替工作,称为“推挽”。设 β \beta β为常量,则负载上可获得正弦波。输入信号越大,电源提供的功率也越大。 在这里插入图片描述 A.d.b OTL(无输出变压器)电路

因变压器耦合功放笨重、自身损耗大,故选用OTL电路。 在这里插入图片描述

(1)看管子: T 1 T_1 T1​采用NPN型; T 2 T_2 T2​采用PNP型。(2)看输出方式:共集输出(3)看供电:单电源供电(4)静态: u I = U B = U E = + V C C 2 u_I=U_B=U_E=+\frac{V_{CC}}{2} uI​=UB​=UE​=+2VCC​​ 输入电压的正半周: + V C C → T 1 → C → R L → 地 +V_{CC}\rightarrow T_1\rightarrow C\rightarrow R_L\rightarrow 地 +VCC​→T1​→C→RL​→地。此时C充电。 输入电压负半周: C 的 “ + ” → T 2 → 地 → R L → C 的 “ − ” C的“+”\rightarrow T_2\rightarrow 地\rightarrow R_L\rightarrow C的“-” C的“+”→T2​→地→RL​→C的“−”。此时C放电。 在这里插入图片描述 V C C = U C E + 1 2 V C C + U o V_{CC}=U_{CE}+\frac{1}{2}V_{CC}+U_o VCC​=UCE​+21​VCC​+Uo​

U o m = 1 2 V C C − U C E S 2 U_{om}=\frac{\frac{1}{2}V_{CC}-U_{CES}}{\sqrt{2}} Uom​=2 ​21​VCC​−UCES​​

P o m = U o m 2 R L P_{om}=\frac{U_{om}^2}{R_L} Pom​=RL​Uom2​​

C要足够大才能认为其对交流信号相当于短路。 OTL电路低频特性差。

A.d.c OCL(无输出电容)电路

直接耦合 在这里插入图片描述 静态时, U E Q = U B Q = 0 U_EQ=U_{BQ}=0 UE​Q=UBQ​=0。 输入电压的正半周: + V C C → T 1 → R L → 地 +V_{CC}\rightarrow T_1\rightarrow R_L\rightarrow 地 +VCC​→T1​→RL​→地 输入电压的负半周: 地 → R L → T 2 → − V C C 地\rightarrow R_L\rightarrow T_2 \rightarrow -V_{CC} 地→RL​→T2​→−VCC​

U o m = V C C − U C E S 2 U_{om}=\frac{V_{CC}-U_{CES}}{\sqrt{2}} Uom​=2 ​VCC​−UCES​​ P o m a x = U o m 2 R L P_{omax}=\frac{U_{om}^2}{R_L} Pomax​=RL​Uom2​​ 两只管子交替导通,两路电源交替供电,双向跟随。

A.d.d BTL电路

特点:

双端输入、双端输出形式,输入信号、负载电阻均无接地点。管子多,损耗大,使效率低。

在这里插入图片描述 输入电压的正半周: + V C C → T 1 → R L → T 4 → 地 +V_{CC}\rightarrow T_1\rightarrow R_L\rightarrow T_4\rightarrow 地 +VCC​→T1​→RL​→T4​→地 输入电压的负半周: + V C C → T 2 → R L → T 3 → 地 +V_{CC}\rightarrow T_2 \rightarrow R_L\rightarrow T_3\rightarrow 地 +VCC​→T2​→RL​→T3​→地

U o m = V C C − 2 U C E S 2 U_{om}=\frac{V_{CC}-2U_{CES}}{\sqrt{2}} Uom​=2 ​VCC​−2UCES​​

P o m = U o m 2 R L P_{om}=\frac{U_{om}^2}{R_L} Pom​=RL​Uom2​​

几种电路的比较 变压器耦合乙类推挽:单电源供电,笨重,效率低,低频特性差。 OTL电路:单电源供电,低频特性差。 OCL电路:双电源供电,效率高,低频特性好。 BTL电路:单电源供电,低频特性好;双端输入双端输出。

B 互补输出级的分析计算

以OCL电路为例 求解输出功率和效率的方法 在已知 R L R_L RL​的情况下,先求出 U o m U_{om} Uom​,则 P o m = U o m 2 R L P_{om}=\frac{U_{om}^2}{R_L} Pom​=RL​Uom2​​ 然后求出电源的平均功率, P V = I C ( A V ) ⋅ V C C P_V=I_{C(AV)} \cdot V_{CC} PV​=IC(AV)​⋅VCC​ 效率 η = P o m / P V \eta=P_{om}/P_V η=Pom​/PV​

乙类:交越失真。 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 输出功率 U o m = V C C − U C E S 2 U_{om}=\frac{V_{CC}-U_{CES}}{\sqrt{2}} Uom​=2 ​VCC​−UCES​​ 大功率管的 U C E S U_{CES} UCES​常为2~3V。

P o m = ( V C C − U C E S ) 2 2 R l P_{om}=\frac{(V_{CC}-U_{CES})^2}{2R_l} Pom​=2Rl​(VCC​−UCES​)2​

效率 在这里插入图片描述

η ≤ 78.5 % \eta\le 78.5\% η≤78.5%

晶体管的极限参数 在这里插入图片描述 在输出功率最大时,因管压降最小,故管子损耗不大;输出功率最小时,因集电极电流最小,故管子损耗也不大。 管子功耗与输出电压峰值关系为: 在这里插入图片描述 P T P_T PT​对 U o m U_{om} Uom​求导,并令其为0,可得 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述

因此,选择晶体管时,其极限参数满足: 在这里插入图片描述



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