硬件基础07 功率放大器

一、功放理论

        在多级放大电路中,输出信号往往要送去驱动—定的装置。例如,这类装置包括收音机中扬声器的音圈、电动机的控制绕组等。多级放大电路除了应有电压放大级外,还要求有一个能输出一定信号功率的输出级。这类主要用于向负载提供功率的放大电路常称为功率放大电路。

二、功放的相关指标

1、输出功率

        为了获得大的功率输出,要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度,因此器件往往在接近极限运用状态下工作。

2、输出效率

        由于输出功率大,因此直流电源消耗的功率也大,这就存在一个效率问题。所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值 。 这个比值越大,意味着效率越高 。

3、非线性失真

        功率放大电路通常在大信号下工作,所以不可避免地会产生非线性失真,而且同一功放管输出功率越大,非线性失真往往越严重,这就使输出功率和非线性失真成为 一对主要矛盾 。

        但是,在不同场合下,对非线性失真的要求不同,例如,在测量系统和电声设备中,这个问题显得很重要,而在工业控制系统等场合中,则以输出功率为主要目的,对非线性失真的要求就降为次要问题了。

4、散热

        在 BJT 功率放大电路中,有相当大的功率消耗在管子的集电结上,使结温和管壳温度升高 。

        为了充分利用允许的管耗而使放大管输出足够大的功率,放大器件的散热就成为一个重要问题。此外,在功率放大电路中,为了输出较大的信号功率,器件承受的电压要高,通过的电流要大,功率管损坏的可能性也就比较大,所以功率管的损坏与保护问题也不容忽视 。

二、甲类放大-Class A放大器

1、共e级

(1)、Q点选择

        前文已基本阐述了,要保证Q在合理的位置,以防止截止或饱和失真。

(2)、输出功率

        Q点在AC负载线中,不产生截止于饱和失真,且此时能获得最大输出信号。

Pout=(0.707*ICQ)*(0.707*VCEQ)=0.5ICQ*VCEQ

PDC=ICQ*VCC=2*ICQ*VCEQ

因此可以看到效率η=Pout/PDC=25%

2、如何计算选型

        如需要放大器有500mW的输出功率,选择合适的三极管信号、计算放大器效率,并计算所需的R1、R2、RC、RE的阻值;已知VCC=+36V、负载RL=200Ω。

(1)输出阻抗与负载

        共e级放大器的输出阻抗Rout=Rc,为保证获得最大功率,要求Rout=RL,因此Rc=RL=200Ω。

(2)计算VCEQ、ICQ

Pout=500mW=0.5ICQ*VCEQ

VCEQ=ICQ*(RC||RL)

联合求解得到:VCEQ=10V、ICQ=100mA

(3)计算e级电阻RE

VCC=VCEQ+ICQ*(RC+RE),求得RE=60Ω

(4)计算VBQ与分压电阻

VBQ=VEQ+VBE=ICQ*RE+0.7V=6.7V

        因此分压电阻的比例即确定,一般选择10K以内的”有效电阻“进行分压,例如选择R1=4.7kΩ,可以分压计算得到R2≈1.1kΩ

(5)计算静态功耗

PDQ=ICQ*VCEQ=1w

(6)计算效率

η=Pout/PDC=0.5w/(100mA*36V)=13.9%。

        因此选择VCEO>10V、IC>100mA、PD>1W的NPN三极管,要求留出余量

三、乙类双电源互补对称——Class B放大器

        可以看到Class B放大器,天生就是截止失真或者饱和失真,那如何处理呢,聪明的人已经想到了,用两个三极管,一个截止一个饱和从而实现交替输出即可。

1、电路结构

        可以看到,默认没有输入的时候,Vout=0,当Vin>0.7V时,上边Q1导通,Vout=Vin-0.7V;同理,Vin<-0.7V时,下边Q2导通,Vout=Vin-0.7V,因此可以输出信号。

        但是由于三极管的管压降,导致输出间有部分间断,这种被称为较越失真,因此需要进行电路结构的改善,即增加静态点保证全程超过,因此引出甲乙类、Class AB。

四、甲乙类互补对称——Class AB放大器

1、单电源互补

        使得VA=VCC/2,VQ1B=VA+0.7V,VQ2B=VA-0.7V,而Vout=VA,因此,保证了Q1和Q2静态导通。当输入信号为正,直接通过Q1,输入信号为负,直接通过Q2。

Pout=(0.707Ic)*(0.707*VCEQ)=0.25Ic*VCC

PDC=IC*VCC/Π

η=Pout/PDC=79%

2、双电源互补

        本质上没有区别,就是把GND换成了-VCC即可。

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