甲乙類互補對稱功率放大電路
甲乙類互補對稱功率放大電路
乙類放大電路的失真:
前面討論了由兩個射極輸出器組成的乙類互補對稱電路(圖1),實際上這種電路并不能使輸出波形很好地反映輸入的變化,由于沒有直流偏置,管子的iB必須在|vBE|大于某一個數(shù)值(即門坎電壓,NPN硅管約為0.6V,PNP鍺管約為0.2V)時才有顯著變化。當(dāng)輸入信號vi低于這個數(shù)值時,T1和T2都截止,ic1和ic2基本為零,負(fù)載RL上無電流通過,出現(xiàn)一段死區(qū),如圖1所示。這種現(xiàn)象稱為交越失真。
5.3.1 甲乙類雙電源互補對稱電路
一、電路的結(jié)構(gòu)與原理
利用圖1所示的偏置電路是克服交越失真的一種方法。
由圖可見,T3組成前置放大級(注意,圖中未畫出T3的偏置電路),T1和T2組成互補輸出級。靜態(tài)時,在D1、D2上產(chǎn)生的壓降為T1、T2提供了一個適當(dāng)?shù)钠珘海怪幱谖?dǎo)通狀態(tài)。由于電路對稱,靜態(tài)時iC1= iC2 ,iL= 0, vo =0。有信號時,由于電路工作在甲乙類,即使vi很?。―1和D2的交流電阻也小),基本上可線性地進行放大。
上述偏置方法的缺點是,其偏置電壓不易調(diào)整,改進方法可采用VBE擴展電路。
二、VBE擴展電路
利用二極管進行偏置的甲乙類互補對稱電路,其偏置電壓不易調(diào)整,常采用VBE擴展電路來解決,如圖1所示。
在圖1中,流入T4的基極電流遠(yuǎn)小于流過R1、R2的電流,則由圖可求出
VCE4=VBE4(R1+R2)/R2
因此,利用T4管的VBE4基本為一固定值(硅管約為0.6~0.7V),只要適當(dāng)調(diào)節(jié)R1、R2的比值,就可改變T1、T2的偏壓值。這種方法,在集成電路中經(jīng)常用到。
5.3.2 單電源互補對稱電路
一、電路結(jié)構(gòu)與原理
圖1是采用一個電源的互補對稱原理電路,圖中的T3組成前置放大級,T2和T1組成互補對稱電路輸出級。在輸入信號vi =0時,一般只要R1、R2有適當(dāng)?shù)臄?shù)值,就可使IC3 、VB2和VB1達(dá)到所需大小,給T2和T1提供一個合適的偏置,從而使K點電位VK=VC=VCC/2 。
當(dāng)加入信號vi時,在信號的負(fù)半周,T1導(dǎo)電,有電流通過負(fù)載RL,同時向C充電;在信號的正半周,T2導(dǎo)電,則已充電的電容C起著雙電源互補對稱電路中電源-VCC的作用,通過負(fù)載RL放電。只要選擇時間常數(shù)RLC足夠大(比信號的最長周期還大得多),就可以認(rèn)為用電容C和一個電源VCC可代替原來的+VCC和-VCC兩個電源的作用。
值得指出的是,采用一個電源的互補對稱電路,由于每個管子的工作電壓不是原來的VCC,而是VCC/2,即輸出電壓幅值Vom最大也只能達(dá)到約VCC/2,所以前面導(dǎo)出的計算Po、PT、和PV的最大值公式,必須加以修正才能使用。修正的方法也很簡單,只要以VCC/2代替原來的公式中的VCC即可。
二、自舉電路
圖1電路是前面已討論的單電源互補對稱電路,它雖然解決了工作點的偏置和穩(wěn)定問題,但在實際運用中還存在其他方面的問題。如輸出電壓幅值達(dá)不到Vom=VCC/2。現(xiàn)分析如下。
在額定輸出功率情況下,通常輸出級的BJT是處在接近充分利用的狀態(tài)下工作。例如,當(dāng)vI為負(fù)半周最大值時,iC3最小,vB1接近于+VCC,此時希望T1在接近飽和狀態(tài)工作,即vCE1= VCES,故K點電位vK= +VCC-VCES ? VCC。當(dāng)vi為正半周最大值時,T1截止,T2接近飽和導(dǎo)電,vK=VCES?0。因此,負(fù)載RL兩端得到的交流輸出電壓幅值Vom= VCC/2。
上述情況是理想的。實際上,圖1的輸出電壓幅值達(dá)不到Vom= VCC/2,這是因為當(dāng)vi為負(fù)半周時,T1導(dǎo)電,因而iB1增加,由于Rc3上的壓降和vBE1的存在,當(dāng)K點電位向+VCC接近時,T1的基流將受限制而不能增加很多,因而也就限制了T1輸向負(fù)載的電流,使RL兩端得不到足夠的電壓變化量,致使Vom明顯小于VCC/2。
如何解決這個矛盾呢?如果把圖1中D點電位升高,使VD >+VCC,例如將圖中D點與+VCC的連線切斷,VD由另一電源供給,則問題即可以得到解決。通常的辦法是在電路中引入R3C3等元件組成的所謂自舉電路,如圖2所示。
在圖2中,當(dāng)vI =0時,vD=VD=VCC-Ic3R3 ,而vK=VK=VCC/2,因此電容T1兩端電壓被充電到VC3=VCC/2-Ic3R3。
當(dāng)時間常數(shù)R3C3足夠大時,vC3(電容C3兩端電壓)將基本為常數(shù)(vC3 ?VC3),不隨vi而改變。這樣,當(dāng)vi為負(fù)時,T1導(dǎo)電,vK將由VCC/2向更正方向變化,考慮到vD=vC3+vK=VC3+vK ,顯然,隨著K點電位升高,D點電位vD也自動升高。因而,即使輸出電壓幅度升得很高,也有足夠的電流iB1,使T1充分導(dǎo)電。這種工作方式稱為自舉,意思是電路本身把vD提高了。
小結(jié)
l 功率放大電路是在大信號下工作,通常采用圖解法進行分析。研究的重點是如何在允許的失真情況下,盡可能提高輸出功率和效率。
l 與甲類功率放大電路相比,乙類互補對稱功率放大電路的主要優(yōu)點是效率高,在理想情況下,其最大效率約為7.85%。為保證BJT安全工作,雙電源互補對稱電路工作在乙類時,器件的極限參數(shù)必須滿足:PCM>PT1≈0.2 Pom,|V(BR)CEO|>2VCC,ICM>VCC/RL。
l 由于BJT輸入特性存在死區(qū)電壓,工作在乙類的互補對稱電路將出現(xiàn)交越失真,克服交越失真的方法是采用甲乙類(接近乙類)互補對稱電路。通??衫枚O管或VBE擴大電路進行偏置。
l 在單電源互補對稱電路中,計算輸出功率、效率、管耗和電源供給的功率,可借用雙電源互補對稱電路的計算公式,但要用VCC/2代替原公式中的VCC。
l 在集成功放日益發(fā)展,并獲得廣泛應(yīng)用的同時,大功率器件也發(fā)展迅速,主要有達(dá)林頓管、功率VMOSFET和功率模塊。為了保證器件的安全運行,可從功率管的散熱、防止二次擊穿、降低使用定額和保護措施等方面來考慮。
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