功率放大电路与Multisim仿真学习笔记

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！