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功率放大电路与Multisim仿真学习笔记

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前言

今天开始写功率放大电路

功率放大电路的特点

  • 要向负载提供足够大的输出功率,即电压放大与电流放大。
  • 最大输出功率:\[P_{om}=\frac{U_{cem}}{\sqrt{2}}\cdot\frac{I_{cm}}{\sqrt{2}}=\frac{1}{2}U_{cem}I_{cm}\]\(U_{cem}和I_{cm}\)分别为集电极输出的正弦电压和电流的最大幅值。
  • 功率放大电路的效率:\[\eta=\frac{P_{o}}{P_V}\]\(P_{o}\)为放大电路输出给负载的功率,\({P_V}\)为直流电源\(V_{CC}\)提供的功率

    推挽电路

    如下图所示

    由图可知,在输入信号的正半周期时,\(VT1\)导通,\(VT2\)截止;在负半周期时,\(VT2\)导通,\(VT1\)截止;两个三极管在不断地交替导通和截止,两者的输出在负载上合并得到完整周期的输出信号。这种电路称为推挽电路。
    当输入电压为零时,两个三极管均截止,静态功耗为零。
    加上正弦输入电压后,两个三极管轮流导通,三极管的平均功耗相对较小,使直流电源提供的功率较多地传送给负载。

    OTL互补对称电路

    由我上一篇写的共集电极放大电路与Multisim仿真学习笔记可知,当负载电阻过小时,射极跟随器输出波形底部会被截去。为改善这种缺点,将发射极负载电阻换成PNP型晶体管,如下图所示

    使用配对的PNP型2N5401三极管代替发射极负载电阻。npn型三极管将电流推给负载,PNP型三极管吸收电流,所以称为推挽型射极跟随器。该电路输入输出波形如下图所示

    可见当负载为\(100\Omega\)时,取出了\(\pm23mA\)的电流,但输出波形底部并没有被截去。不过,在\(0V\)附近出现了交越失真,这是因为基极与发射极电位差小于0.7V,三极管截止,所以在输出波形中央产生\(\pm0.7V\)的盲区。
    像这种输出端省去变压器,输入端通过大电容\(C_1\)连接两个三极管的基极,输出端通过大电容\(C_2\)连接负载,称为OTL电路。
    上面电路为OTL乙类互补对称电路(每管的导电\(180^\circ\),称为乙类电路;上一篇写的射极跟随器导电\(360\circ\),称为甲类电路;两者间为甲乙类电路)。可测得此电路静态基极电位\(U_B=6V\).
    另外,经过对此电路测试,可知当输入信号一定时,两个三极管的基极电流与负载存在以下关系\[I_C=\frac{V_{CC}/2-U}{R_L}\]输入3V正弦信号时,此电路集电极电流\[I_C{\approx}\frac{6V-5V}{100\Omega}=10mA\]\(I_C\)的最大电流为\[I_{cm}=\frac{V_{CC}/2-U_{CES}}{R_L}\]
    为改进改电路存在的交越失真,加入二极管消除晶体管的盲区,如下图

    加入2N4007二极管后可见\(U_{B1}=6.5V\),\(U_{B2}=5.5V\),而发射极电压\(U_E=6V\),使得两个三极管的基极与发射极间的电位差为\(0.5V\),所以输入信号在\(0V\)附近变化时,发射结能导通。可见二极管的压降抵消了晶体管的\(U_{BE}\),消除了交越失真。波形如下图

    然而,由于温度的升高,使得\(U_F>U_{BE}\),输入电压为\(0V\)时也导通,导致集电极电流作为空载流动,导致加大集电极电流,造成热击穿。可改进成下图形式

    \(R_5\)和\(R_6\)作用是防止空载时集电极电流过大,但也会使得输出阻抗增加。
    二极管用三极管代替,得\[U_B=U_{3CE}=(R_3+R_4)i=\frac{R_3+R_4}{R_3}\cdot{U_{3BE}}\]改变\(R_4\)与\(R_3\)之比,将\(U_B\)设为\(2U_{3BE}\),即\(U_B=U_{1BE}+U_{2BE}\)(理想认为\(U_{3BE}=U_{1BE}=U_{2BE}\),但实际上由于晶体管的不同,调整\(R_3\)或\(R_4\)使\(U_B=U_{1BE}+U_{2BE}\)即可)。
    上图实验\(U_B=1.379V\)时,输出波形几乎贴近于输入电压波形,如下图所示

    小型功率放大器设计

    例:设计电压增益\(20dB\),输出功率\(0.2W\)以上(\(8\Omega\)负载)的功率放大器。
    前置电路为共发射极放大电路,后置电路为设计跟随器,如下图

    1. 确定直流电源电压
    电源电压由输出功率决定\[U_o=\sqrt{P_o\cdot{Z}}=\sqrt{0.2W\times{8\Omega}}=1.26V\]\[V_{p-p}=2\sqrt{2}U_o=3.6V\]
    这里选12V单电源。
    2. 确定共射放大电路
    负载电流峰值为\(1.8V/8\Omega=225mA\),则共射放大电路提供的基极电流为\(225mA/\beta=1.7mA\)共射极放大电路集电极电流要比其大得多,取\(10mA\)。
    发射极电位取\(2V\),则发射极负载电阻为\(2V/10mA=200\Omega\)
    根据第一篇讲的晶体管放大电路与Multisim仿真学习笔记,计算得\(R1\)取\(4k\Omega\),\(R_2\)取\(12k\Omega\)。
    将\(Q_4\)集电极电位定为\(7.4V\),则\[R_9=\frac{12V-7.4V}{10mA}=460\Omega\]取标称值电阻\(470\Omega\)。
    取\(R_3=22\Omega\),\(R_4=180\Omega\),则电压放大倍数约为21倍(由于损耗,需要高于要求的放大倍数)。
    3. 射极跟随器偏置电路
    取流过\(R_5\)与\(R_6\)的电流为\(10mA/10=1mA\),则\[R_5=\frac{u_{BE}}{I}=\frac{0.7V}{1mA}=700\Omega\]取标称值电阻\(680\Omega\),由上面讲的可知,\(R_6\)与\(R_5\)相同即可。
    4. 确定设计跟随器发射极电阻
    \(R_7//R_8\)取负载电阻十分之一以下,这里取\(R_7=R_8=0.5\Omega\),此外调整电路空载时\(Q_1\)和\(Q_2\)发射极间的压降到希望的值。将空载电流(输入信号为零)设为\(30mA\),调整\(R_6\)使其压降为\(30mV(1\Omega\times30mA)\)。
    5. Multisim仿真验证
    设置好参数进行仿真,如下图

    可见\(8\Omega\)负载时,该功率放大器电压放大倍数为\[1.277V/125.672mV\approx10.16倍(理论计算得负载电压为1.26V,满足要设计要求)\]
    输出电流为\[159.645mA(理论峰值电流为225mA,有效值为159mA,满足要求)\]则输出功率为\[P_o=1.277V\times159.645mA\approx0.2W\]
    前置射极放大电路与后置射极跟随器输出电压波形如下图

    OCL互补对称电路

    由于OTL电路输出端通过大电容连接负载,在低频时容易失真,而且大电容由电感效应,高配时将产生相移,并且大电容无法用于集成电路。
    将输出端大电容去掉,两个三极管分别用两路正负直流电源供电,这种电路称为OCL电路,如下图所示

    根据上面所学的方法设计好电路,该电路输出电压波形图如下所示

    完美的输出波形。好啦,本篇完结!

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