功率放大器電路

功率放大器電路

實驗目的

了解功率放大器電路的特性與分類。

實驗儀器

信號產生器、示波器、數位電錶 麵包板、接線及香蕉插座零件盒各一 電晶體TIP41C、TIP42C 數枚

二極體1N4148 數枚；

電阻、電容 數枚；

預習問題

1.試證明 B 類電路之P

_{L R}

L以及P

_S

＝

πR

LV

_CC

。 2.何謂交越失真(cross-over distortion)？

3.為什麼 AB 類放大器能改善 B 類放大器的 失真現象，但卻要付出效率降低與功率損 耗增加的代價。

4.功率放大器電路有那些應用？

原理

功率放大器顧名思義是一個放大功率 (IV)的電路。一般的功率放大電路通常都是

由電晶體所設計。但由於電晶體的IV 特性曲線是呈現指數關係，因此所以這種非線性的特性 將會造成功率放大器輸出的失真。這種非線性的失真在功率放大器設計中將是首要考量的因 素之一。

功率放大器依工作偏壓所設定的工作點的不同主要可分為A 類、B 類及 AB 類放大器三 種。

A 類放大器(class-A power amplifier)：以圖 10.1 之 emitter-follower 電路為例，將工作點

i

C iC

i

C

電晶體轉移特性曲線 輸出訊號 vo

^2I

負載線 Q Q

v

BE 0 π 2π ωt

^V

CC VCE

輸入訊號 v_i

圖10.2

v i

v o

圖10.1

選擇在負載線的中點上或轉移特性曲線的中點上。這樣就能使輸入弦波的正、負半週皆能完 全通過放大器(conduction angle 為 2π)而不失真，如圖 10.2。現在我們定義功率轉換效率 η 為

η

_S ^{L P} _P

^L

S …eq.10.1

設輸出弦波振幅為 v

_o

且 V

_CC

= V

EE

，則 P

_{L R} ^/√

L ; P

_S

2V

_CC

I η

_IR

L

V

_CC

IR

_L

V

_CC …eq.10.2

若輸出弦波振幅最大接近V

_CC

且 IR

_L

=V

CC

，則A 類的最大效率只有25%。

A 類放大器由於無輸入訊號時，功率電晶體仍有直流偏壓電流 I 流動，消耗功率較大，

故效率較低。但由於使用元件較少而且較無失真，仍常見於低功率的放大器電路上。

B 類放大器(class-B power amplifier)：將工作點設計在電晶體的截止點(cut-off point 即 I

B

=0)上，使電晶體只能放大輸入信號之正半週或負半週(conduction angle 為 π)，如圖 10.3 所 示。B 類放大器通常設計為推挽式放大，即需要兩個電晶體分別負責正負半週的放大，使其 輸出仍為一完整的放大訊號。

於電晶體特性曲線的非線性特性，造成 v

i

＝0 附近的輸出產生失真，這種失真稱為交越 失真(cross-over distortion)如圖 10.4 所示。

i

C iC

i

C

^2I

負載線

電晶體轉移

特性曲線 輸出訊號 vo

Q Q vBE 0 π ωt

^V

CC VCE

輸入訊號 v_i

圖10.3

v o

v

o

v i

t

t

圖10.4

由B 類電路可算出 P

L

與P

S

分別為P

_{L R}

L;P

_S

P

_{S πR}

LV

_CC

，其中P

_S

，P

_S

分別為負 責正負半週的電晶體消耗功率，於是

B 類的功率轉換效率η

_R

L /

π R

_LV

_CC ^π _V

CC …eq.10.3 由公式可知最大效率可達η ^π 78.5%

因為 B 類功率放大器因無輸入信號時，工作於截止點且不消耗功率，故效率較高。由 於兩個電晶體各負責一半的放大，故可以用較小型的功率電晶體。

AB 類功率放大器：如果將工作點設計在 A 類及 B 類放大器工作點之間，則輸入訊號將 只截掉不到半週的部分(conduction angle 介於 π 與 2π 之間,圖 10.5)。這樣的波形失真很大，因 此也與B 類放大器相似，需要兩個電晶體一樣設計為推挽式結構以完成整個信號的放大。

為了消除交越失真，於是把偏壓點稍為提高，使得 v

i

=0 時仍有小量的消耗電流產生。

因此AB 類的功率轉換效率將介於 A 類與 B 類之間。

實驗步驟

※注意事項：

1.功率電晶體必須裝上散熱片以避免溫度過高燒毀電 晶體。也由於溫度甚高，請勿碰觸以防燙傷。

2.直流電源供應器之電流必須設在適當大小以提供足 夠的負載電流。

<一>A 類放大器

1.將訊號產生器輸出直接接上示波器，調整輸出為 1V

振幅之1kHz 正弦波。之後再接上 51Ω 串聯 0.25W(4Ω)的小喇叭，使用示波器記錄喇叭的 端電壓，是否仍為1V？為什麼？

2.接妥圖 10.6 電路。其中 V

CC

=9V、R

1

=1kΩ、R

2

=R

3

=100Ω(2W)、R

L

=500Ω可變電阻、

C

1

=C

2

=47μF、C

3

=220μF、Q

1

及Q

2

為TIP41C、D

1

為1N4148，輸入訊號為 v

i

=1V、DC

i

C iC

i

C

輸出訊號 vo

2I

負載線

電晶體轉移 特性曲線

Q Q

V

CC

v

BE 0 ωt VCE

輸入訊號 v_i

圖10.5

π 2π

+V

CC

R 2 C 1

v i A Q 1

i

E1

C

3

R

1

B

⁺

v

o

Q

2 i L

D

1

R

L

C 2 I

-V CC R ₃

圖10.6

+

+

OFFSET=0V 的 1kHz 正弦波。

※圖10.6 朝上的箭頭表示電路應接+V

CC

，同樣的朝下的箭頭表示電 路應接-V

CC

，以下電路圖表示方式皆相同。

3.將可變電阻調至最大。使用雙訊號及 X-Y 模式觀察 A 類的轉移特 性曲線並注意其在0V 附近之變化(DC 模式)。調整可變電阻值大 小，觀察R

L

的變化如何影響轉移特性曲線，原因何在？

4.可變電阻先調至最大，之後再調整輸入振幅，找出輸出波形不會被

削減的最大振幅後再將可變電阻阻值慢慢調小直到開始影響最大振幅之前停止。量測此 時的可變電阻值及I 值(=V

R3

/R

3

)並計算最大功率轉換效率。

5.將 R

L

及接地之間再接一個0.25W(4Ω)的小喇叭，變化輸入振幅將音量調至適當大小(約 4V 或更低)感覺一下 1kHz 的聲音與步驟 1 的聲音有無差異。將可變電阻值調小讓輸出 波形開始削減至類似半波的失真波形，此時的聲音又如何？注意不要將聲音開太大以致 於變成噪音。

※你可以將訊號產生器換成MP3 或音樂播放器，感覺一下 A 類放大器所產生的音樂。或 者你也可以將小喇叭改為實驗室所提供的大喇叭，調整適當的音量，比較一下與你平常 所聽的感覺有何不同？

<二>B 類放大器

1.按照圖 10.8 上方電路接線。其中 V

CC

=9V、R

2

=R

3

=100Ω (2W)、R

L

=500Ω可變電阻、C

1

=C

2

=47μF、C

3

=220μF、

Q

1

為TIP41C 及 Q

2

為TIP42C、輸入訊號為 v

i

=1V、DC OFFSET=0V 的 1kHz 正弦波。

2.將可變電阻調至最大，使用雙訊號觀察輸入及輸出的波形 並注意其在0V 附近之變化。

3.將雙訊號模式改為 X-Y 模式，觀察 B 類的轉移特性曲線。

4.如同程序<一>步驟 4，找出輸出波形不會被削減的最大振 幅後，計算最大功率轉換效率。

※注意：此時電阻與電晶體溫度會升高，最大振幅勿維持太 久並請勿碰觸以防燙傷。

5.將 R

L

及接地之間再接一個0.25W(4Ω)的小喇叭，變化輸入振幅(約 4V 或更低)將音量調至 適當大小感覺一下1kHz 的聲音與程序<一>步驟 1 的聲音有無差異。調小可變電阻值，

觀察輸出波形是否產生如A 類般的失真現象？注意不要將聲音開太大以致於變成噪 音。

※你可以將訊號產生器換成MP3 或音樂播放器，感覺一下 B 類放大器所產生的音樂。或者 你也可以將小喇叭改為實驗室所提供的大喇叭，調整適當的音量，比較一下與你平常所 聽的感覺有何不同？

6.將訊號產生器與電路之間再插入圖 10.8 之下方運算放大器電路(運算放大器電源電壓使用

±9V)，並分別將該電路的 A 點與原電路的 A 點相接；B 點與原電路的 B 點相連，重複 步驟1,2,3。有何變化？為什麼？

圖10.7

v _i

A

411

B +V

CC

R 2 C 1

Q

1

v i

+

C

3

v

o

A B Q

2

C

2

I R

L -V _CC R ₃

圖10.8

+

+

<三>AB 類放大器 1.按照圖 10.9 電路接線。其中 V

CC

=9V、R

1

=R

2

=1kΩ(精

密)、R

3

=R

4

=100Ω(2W)、R

L

=500Ω可變電阻、C

1

=C

2

=47 μF、C

3

=220μF、Q

1

為TIP41C 及 Q

2

為TIP42C、D

1

與D

2

為1N4148、輸入訊號為 v

i

=1V、DC OFFSET=0V 的1kHz 正弦波。

2.將可變電阻調至最大，使用雙訊號觀察輸入及輸出的 波形並注意其在0V 附近之變化。

3.將雙訊號模式改為 X-Y 模式，觀察 AB 類的轉移特性 曲線。

4.將 R

L

及接地之間再接一個0.25W(4Ω)的小喇叭，變化

輸入振幅(約 4V 或更低)將音量調至適當大小感覺一下 1kHz 的聲音與程序<一>步驟 1 的 聲音有無差異。將可變電阻值調小，觀察輸出波形是否產生如A 類般的失真現象？注意 不要將聲音開太大以致於變成噪音。

※你可以將訊號產生器換成MP3 或音樂播放器，感覺一下 AB 類放大器所產生的音樂。你 也可以將小喇叭改為實驗室所提供的大喇叭，調整適當的音量，比較一下與你平常所聽 的感覺有何不同？

數據分析與思考問題

1.對實驗程序<一>步驟 1 及 5 之小喇叭而言，小喇叭直接由訊號產生器所獲得的電壓及由功 率放大器所獲得的電壓有何不同？以此說明功率放大器電路的功能。

2.實驗程序<二>步驟 6 在電路中加入運算放大器，結果對輸出造成怎樣的影響？原因何在？

3.為何在圖 10.8 電路加入 R

1

,R

2

,D

1

及D

2

後就由B 類變成 AB 類放大器電路？

4.說明如何計算 A 類及 B 類的最大功率轉換效率η。請計算出你實驗的 A 類與 B 類之最大功 率轉換效率並比較之。

5.想想看 R

L

的大小對於A 類或 B 類的最大功率轉換效率會不會產生影響？為什麼？

102

v _i

+V

CC

R 1 R 3 C 1

Q

1

D

1

C

3

v

_o

D

2

Q

2

R

L

R 2 R 4

C 2

-V CC

圖10.9

+

+