模电第9章功率放大器

1、9.1 概述9.2 乙类互补功率放大电路 9.3 其它类型互补功率放大电路9.1 概述 功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。为了获得大的输出功率，必须使 输出信号电压大； 输出信号电流大； 放大电路的输出电阻与负载匹配。 电压放大器一般工作在甲类，三极管360导电，其输出功率由功率三角形确定。甲类放大的效率不高，理论上不超过25%。 功率放大电路必须考虑效率问题。为了降低静态时的工作电流，三极管从甲类工作状态改为乙类或甲乙类工作状态。此时虽降低了静态工作电流，但又产生了失真问题。如果不能解决乙类状态下的失真问题，乙类工作状态在功率放大电路中就不能采用。推挽电路和互补对称电路较好地

2、解决了乙类工作状态下的失真问题。 9.2 乙类互补功率放大电路9.2.1 三极管的工作状态9.2.2 乙类互补功率放大电路 的工作原理 9.2.1 三极管的工作状态 三极管根据导通时间可分为如下四个状态，如图17.01所示。 甲类-三极管360导电； 甲乙类-三极管180360导电 乙类-三极管180导电 丙类-三极管180导电甲乙类180360导电乙类180导电 图17.01 三极管的四种工作状态丙类180导电甲类360导电9.2.2 乙类互补功率放大 电路的工作原理（1）电路组成 乙类互补功率放大电路如图17.02所示。它由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成。这种电路也称为OCL互

3、补功率放大电路。图17.02 乙类互补功率放大电路及波形（2）工作原理 当输入信号处于正半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时NPN型三极管导电，有电流通过负载RL，按图中方向由上到下，与假设正方向相同。 当输入信号为负半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时PNP型三极管导电，有电流通过负 载RL，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。于是两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电，在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个完整的不失真波形。动画17-1 严格说，输入信号很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不导电。因此在正、负半周交替过零处会出现一些非线性失真，这个失真称为交越失真。

4、如图17.03所示。图17.03 交越失真动画17-2动画17-3 为解决交越失真，可给三极管稍稍加一点偏置，使之工作在甲乙类。此时的互补功率放大电路如图17.04所示。 (a)利用二极管提供偏置电压 (b)利用三极管恒压源提供偏置 图17.04 甲乙类互补功率放大电路 （3）参数计算1最大不失真输出功率最大不失真输出功率Pomax 设互补功率放大电路为乙类工作状态，输入为正弦波。忽略三极管的饱和压降，负载上的最大不失真功率为L2CCL2CESCCL2CESCComax22)()2(=RVRVVRVVP 直流电源提供的功率为半个正弦波的平均功率，信号越大，电流越大，电源功率也越大。直流电源功率

5、PV的表达式推导如下omLomCC0LomCC0omCCCCCCV2)d(sin22)d(sin22=kVRVVttRVVttIVIVP2 2电源功率电源功率PV 即PV Vom 。当Vom趋近VCC时，显然PV 近似与电源电压的平方成比例。 3 3三极管的管耗三极管的管耗P PT T 电源输入的直流功率，有一部分通过三极管转换为输出功率，剩余的部分则消耗在三极管上，形成三极管的管耗。显然 L2omLomCCoVT22=RVRVVPPP 将PT画成曲线，如图17.05所示。图17.05 乙类互补功放电路的管耗 显然，管耗与输出幅度有关，图17.05中画阴影线的部分即代表管耗，PT与Vom成非线

6、性关系，有一个最大值。可用PT对Vom求导的办法找出这个最大值。PTmax发生在Vom=0.64VCC处，将Vom=0.64VCC代入PT表达式，可得PTmax为omaxomaxomaxL2CC2L2CCL2CCLCCCCL2omLomCCTmax4 . 04 . 08 . 0264. 0256. 22)64. 0(64. 0222=PPPRVRVRVRVVRVRVVPomaxTmax2 .0PP对一只三极管图17.05 乙类互补功放电路的管耗4 4效率效率当Vom = VCC 时效率最大，=/4 =78.5。CComomCComomVo422VVIVVIPP(4) 大功率三极管输出特性曲线的

7、分区大功率三极管输出特性曲线的分区 在大功率三极管的输出特性中，除了与普通三极管一样分有放大区、饱和区、截止区外，从使用和安全角度还分有 过电流区 过电压区 过损耗区它们的位置如图17.06所示。 图17.06 三极管的极限工作区 过电流区是由最大允许集电极电流确定的，超过此值，将明显下降。 过电压区由c、e间的击穿电压V(BR)CEO所决定。过损耗区由集电极功耗PCm所决定。9.3其它类型互补功率放大电路 除了双电源的标准互补功率放大电路外，除了双电源的标准互补功率放大电路外，还有一些其它类型的互补功率放大电路。还有一些其它类型的互补功率放大电路。 一、 单电源互补功率放大电路二、 采用复合

8、管的互补功率放大电路三、 集成功率放大器四、 BTL互补功率放大电路五、 双通道功率放大电路一、 单电源互补功率放大电路 当电路对称时，输出端的静态电位等于VCC /2。为了使负载上仅获得交流信号，用一个电容器串联在负载与输出端之间。这种功率放大电路也称为OTL互补功率放大电路。电容器的容量由放大电路的下限频率确定，即 CRfLL21=LL21fRC 图17.07单电源OTL 互补功率放大电路单电源互补功率放大电路如图单电源互补功率放大电路如图17.07所示。所示。动画17-4 二、 采用复合管的互补功率放大电路 当输出功率较大时，输出级的推动级，即末前级也应该是一个功率放大级。此时往往采用复

9、合管，复合管有四种形式，见图17.08。 复合管的极性由前面的一个三极管决定。由NPN-NPN或PNP-PNP复合而成的一般称为达林顿管。图17.08 四种类型的复合管 三、 集成功率放大器 集成功率放大器广泛用于音响、电视和小电机的驱动方面。集成功放是在集成运算放大器的电压互补输出级后，加入互补功率输出级而构成的。互补输出级后，加入互补功率输出级而构成的。大多数集成功率放大器实际上也就是一个具有直接耦合特点的运算放大器。它的使用方法原则上与集成运算放大器相同。 集成功放使用时不能超过规定的极限参数，极限参数主要有功耗和最大允许电源电压。集成功放要加有足够大的散热器，保证在额定功耗下温度不超过允许值。集成功放一般允许加上较高的工作电压，但许多集成功放可以在低电压下工作，适用于无交流供电的场合，此时集成功放电源电流较大，非线性失真也较大。 四、 BTL互补功率放大电路 BTL互补功率放大电路方框图如图17.09所示。它是由两路功率放大电路和反相比例电路组合而成，负载接在两输出端之间。两路功率放大电路的输入信号是反相的，所以负载一端的电位升高时，另一端则降低，因此负载上获得的信号电压要增加一倍。BTL放大电路输出功率较大，负载可以不接地。图17.09 BTL互补功放电路方框图