模擬電路網(wǎng)絡課件 第二十三節(jié):乙類雙電源互補對稱功率放大電路

5.2.1 電路的組成

詳細說明:

工作在乙類的放大電路，雖然管耗小，有利于提高效率，但存在嚴重的失真，使得輸入信號的半個波形被消掉了。怎樣解決上述矛盾呢？

圖1

下面來研究一下圖1所示的互補對稱電路。T1和T2分別為NPN型管和PNP型管，兩管的基極和發(fā)射極相互連接在一起，信號從基極輸入，從射極輸出，RL為負載。由于該電路無基極偏置，所以vBE1 = vBE1 = vi 。當vi =0時，T1、T2均處于截止狀態(tài)，所以該電路為乙類放大電路。

考慮到BJT發(fā)射結處于正向偏置時才導電，因此當信號處于正半周時，vBE1 = vBE2 >0 ，則T2截止，T1承擔放大任務，有電流通過負載RL；

而當信號處于負半周時，vBE1 = vBE2 < 0 ，則T1截止，T2承擔放大任務，仍有電流通過負載RL；這樣，一個在正半周工作，而另一個在負半周工作，兩個管子互補對方的不足，從而在負載上得到一個完整的波形，稱為互補電路。

這個電路可以看成是兩個射極輸出器結合而成。

互補電路解決了乙類放大電路中效率與失真的矛盾。為了使負載上得到的波形正、負半周大小相同，還要求兩個管子的特性必須完全一致，即工作性能對稱。所以圖1所示電路通常稱為乙類互補對稱電路。

雙電源乙類互補對稱電路又稱為OCL電路。

5.2.2 分析計算

一、圖解法分析電路的原理

功率放大電路的分析任務是求解最大輸出功率、最高效率及功率三極管的安全工作參數(shù)等性能參數(shù)。分析的關鍵是vo的變化范圍。在分析方法上，通常采用圖解法，這是因為BJT處于大信號下工作，且乙類互補對稱電路的BJT只有半個周期導通。

圖1

圖2表示圖1電路在vi為正半周時T1的工作情況（點擊播放按鈕播放）。假定，只要vBE1= vi >0，T1就開始導電，則在一周期內T1導電時間約為半周期。隨著vi的增大，工作點沿著負載線上移，則io = iC1增大，vo 也增大，當工作點上移到圖中A點時，vCE1 =VCES ，已到輸出特性的飽和區(qū)，此時輸出電壓達到最大不失真幅值。

根據(jù)上述圖解分析，可得輸出電壓的幅值為Vom = IomRL = VCC - VCE1 ，其最大值為Vommax= VCC - VCES 。

圖1中T2的工作情況和T1相似，只是在信號的負半周導電。為了便于分析，將T2的特性曲線倒置在T1的右下方，并令二者在Q 點，即vCE = VCC處重合，形成T1和T2的所謂合成曲線，如圖2所示。這時負載線通過VCC點形成一條斜線，其斜率為 -1/RL。顯然，允許的io的最大變化范圍為2Iom，vo的變化范圍為2Vom=2IomRL=2（VCC-VCES）。若忽略管子的飽和壓降VCES ，則Vommax ? VCC 。

根據(jù)以上分析，不難求出工作在乙類的互補對稱電路的輸出功率、管耗、直流電源供給的功率和效率。

二、輸出功率

輸出功率是輸出電壓有效值Vo和輸出電流有效值Io的乘積（也常用管子中變化電壓、變化電流有效值的乘積表示）。所以

乙類互補對稱電路中的T1、T2可以看成共集狀態(tài)（射極輸出器），即AV ?1。所以當輸入信號足夠大，使Vim = Vommax = VCC- VCES ? VCC時，可獲得最大輸出功率，即

三、管耗

考慮到T1和T2在一個信號周期內各導電約180°，且通過兩管的電流和兩管兩端的電壓vCE在數(shù)值上都分別相等（只是在時間上錯開了半個周期）。因此，為求出總管耗，只需先求出單管的損耗就行了。設輸出電壓為vo = Vomsinwt ，則T1的管耗為

而兩管的管耗為

四、效率

效率就是負載得到的有用信號功率和電源供給的直流功率的比值。為了計算效率，必須先分析直流電源供給的功率PV ，它包括負載得到的信號功率和T1、T2消耗的功率兩部分，即

?

當輸出電壓幅值達到最大，即Vom = VCC時，則得電源供給的最大功率為

所以，一般情況下效率為

當Vom ? VCC時，則

這個結論是假定互補對稱電路工作在乙類、負載電阻為理想值，忽略管子的飽和壓降VCES和輸入信號足夠大（Vim ?Vom ? VCC）情況下得來的，實際效率比這個數(shù)值要低些。

五、最大管耗與最大功率的關系

工作在乙類的基本互補對稱電路，在靜態(tài)時，管子幾乎不取電流，管耗接近于零，因此，當輸入信號較小時，輸出功率較小，管耗也小，這是容易理解的；但能否認為，當輸入信號愈大，輸出功率也愈大，管耗就愈大呢？答案是否定的。那么，最大管耗發(fā)生在什么情況下呢？

由管耗表達式??????

可知管耗PT1是輸出電壓幅值Vom的函數(shù)，因此，可以用求極值的方法來求解。

有:???????????????

令，則

故???????????????? Vom = 2VCC /p? ? 0.6 VCC

此時最大管耗為

為了便于選擇功放管，常將最大管耗與功放電路的最大輸出功率聯(lián)系起來。

由最大輸出功率表達式

可得每管的最大管耗和最大輸出功率之間具有如下的關系

???????????????????

上式常用來作為乙類互補對稱電路選擇管子的依據(jù)，它說明，如果要求輸出功率為10W，則只要用兩個額定管耗大于2W的管子就可以了。當然，在實際選管子時，還應留有充分的安全余量，因為上面的計算是在理想情況下進行的。

為了加深印象，可以通過Po、PT1和PV與Vom/VCC的關系曲線（如圖1所示）觀察它們的變化規(guī)律。圖中用Vom / VCC表示的自變量作為橫坐標，縱坐標分別用相對值表示。

圖1

六、功率BJT的選擇

在功率放大電路中，為了輸出較大的信號功率，管子承受的電壓要高，通過的電流要大，功率管損壞的可能性也就比較大，所以功率管的參數(shù)選擇不容忽視。選擇時一般應考慮BJT的三個極限參數(shù)，即集電極最大允許功率損耗PCM ，集電極最大允許電流ICM和集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓V(BR)CEO 。

由前面知識點的分析可知，若想得到最大輸出功率，又要使功率BJT安全工作，BJT的參數(shù)必須滿足下列條件：

（1）每只BJT的最大管耗PT1max ?0.2 Pomax 必須小于BJT的最大允許管耗PCM ；

（2）通過BJT的最大集電極電流為iC1max =Vommax / RL ? VCC / RL，所選BJT的ICM一般不應低于此值。

（3）考慮到當T2導通且輸出電壓達到負向最大值時，-vCE2 =VCES ? 0 ，此時vCE1具有最大值，且等于2VCC ，因此，應選用反向擊穿電壓| V(BR)CEO | > 2VCC的管子。

注意，在實際選擇管子時，其極限參數(shù)還要留有充分的余地。