第9章 功率放大电路

1、南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组第第9 9章章 功率放大电路功率放大电路 9.1 功率放大电路概述功率放大电路概述9.2 互补功率放大电路互补功率放大电路南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组9.1 9.1 功率放大电路概述功率放大电路概述例：例： 扩音系统扩音系统执行机构执行机构功率放大器的作用：功率放大器的作用： 用作放大电路的用作放大电路的输出级输出级，以，以驱驱动动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、 仪表仪表指针偏转等。指针偏转等。功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取南航金城学院自动

2、化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组例：例：温度控制温度控制R1-R3:标准电阻标准电阻Ua : 基准电压基准电压Rt :热敏电阻热敏电阻A：电压放大器：电压放大器RtTUO室温室温T 温度调节温度调节过程过程UbUO1uoR1aR2Usc+R3Rt 功功 放放b温控室温控室A+-uo1加热元件加热元件9.1 9.1 功率放大电路概述功率放大电路概述南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组放大器方框图如下：放大器方框图如下： 由电压放大电路组成，由电压放大电路组成，不失真地提高信号电压幅度不失真地提高信号电压幅度 保证信号失真在允许范围，保证信号失真在允许范围，提高

3、输出功率，以驱动负载提高输出功率，以驱动负载9.1.1 9.1.1 功率放大电路的特点功率放大电路的特点 一一. . 功率放大电路的特点功率放大电路的特点负载负载(换能器换能器) 前前 置置 放大级放大级 功功 率率 放大级放大级信号源信号源南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组 功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的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：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压大输出信号电流大输出信号电流大放大电路的输出电阻放大电路的输出电阻与负载匹配与负载匹配9.1.1 9.1.1

4、功率放大电路的特点功率放大电路的特点 南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组 功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值：电路参数不能超过晶体管的极限值： I ICMCM、U UCEMCEM、P PCMCM。PCMU（BR）CEOICMBICEui(V)IBC=100uAB=80uA=60uA(mA)IIB=0B=40uA=20uABII安全区安全区功放的特点：功放的特点：9.1.1 9.1.1 功率放大电路的特点功率放大电路的特点 南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组 电流、

5、电压信号比较大，必须注意防止电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。波形失真。 电源提供的能量尽可能转换给负载，减少电源提供的能量尽可能转换给负载，减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率效率。%PP100EO 负载上得到的交负载上得到的交流信号功率流信号功率直流电源提直流电源提供功率供功率9.1.1 9.1.1 功率放大电路的特点功率放大电路的特点 南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组问题讨论问题讨论：射极输出器输出电阻低，带负载能力射极输出器输出电阻低，带负载能力强，可以用做功率放大器吗？强，可以用做功率放大器吗？射极

6、输出器效率低的原因射极输出器效率低的原因一般射极输出器静态工作点（一般射极输出器静态工作点（Q）设置较高（靠近负载线中部），信设置较高（靠近负载线中部），信号波形正负半周均不失真。电路中号波形正负半周均不失真。电路中存在的静态电流（存在的静态电流（ICQ），），在晶体管在晶体管和射极电阻中造成较大静态损耗，和射极电阻中造成较大静态损耗，致使效率降低。致使效率降低。不可以用作功率放大器，因为效率低不可以用作功率放大器，因为效率低9.1.1 9.1.1 功率放大电路的特点功率放大电路的特点 南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组效率低，不效率低，不适合用作功适合用作功放放这种

7、工作方式叫做这种工作方式叫做甲类放大甲类放大设设Q点正好在负载线重点，若忽略晶体管的点正好在负载线重点，若忽略晶体管的饱和压降，则有饱和压降，则有UCEQ=1/2USC ICQ=USC/2RL9.1.1 9.1.1 功率放大电路的特点功率放大电路的特点 南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组二、提高效率途径二、提高效率途径iC/mA t0iC/mAuCE/VQ0甲类放大甲类放大整个周期内均有电流。整个周期内均有电流。 失真小，失真小， 低低RB+VCCC1C2RERLuiuo9.1.1 9.1.1 功率放大电路的特点功率放大电路的特点 南航金城学院自动化系模电课程组南航金

8、城学院自动化系模电课程组0iC/mA tiC/mAuCE/VQ0乙类放大乙类放大半个周期导通有电流。半个周期导通有电流。 失真大，失真大， 高高+VCCRLuiuo9.1.1 9.1.1 功率放大电路的特点功率放大电路的特点 南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组甲乙类放大甲乙类放大半个周期以上有电流。半个周期以上有电流。iC/mA t0iC/mAuCE/VQ0既降既降Q又不失真：又不失真：采用采用推挽输出电路，或推挽输出电路，或互补对称射极输出器。互补对称射极输出器。9.1.1 9.1.1 功率放大电路的特点功率放大电路的特点 南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院

9、自动化系模电课程组由图可得：由图可得：乙类放大（乙类放大（c），）， 效率最高；效率最高；甲乙类放大（甲乙类放大（b），）， 效率其次；效率其次；甲类放大（甲类放大（a），）， 效率最低。效率最低。9.1.1 9.1.1 功率放大电路的特点功率放大电路的特点 南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组例：例：如图如图(a)所示的射极跟随器处于所示的射极跟随器处于甲类工作状态，设甲类工作状态，设VCC=6V，RL=8，三极管的，三极管的=40，ICEO、UCES忽略忽略不计。试求在充分激励下，该电路不计。试求在充分激励下，该电路的最大不失真输出功率和效率。的最大不失真输出功率和

10、效率。 解：由基本放大器知识可知，当解：由基本放大器知识可知，当静态工作点静态工作点Q平分交流负载线时平分交流负载线时，该电路在充分激励下有最大的，该电路在充分激励下有最大的不失真输出电压，如图不失真输出电压，如图(b)所示。所示。此时电路的输出功率也为最大。此时电路的输出功率也为最大。 9.1.1 9.1.1 功率放大电路的特点功率放大电路的特点 南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组（1）静态）静态静态工作点静态工作点 UCEQ=VCC/2=6/2=3(V) ICQ=(VCCUCEQ)/RL=3/8=0.375(A)电源供给功率电源供给功率 PVQ=VCCICQ=60

11、.375=2.25(W)三极管消耗功率三极管消耗功率 PTQ=UCEQ ICQ=30.375=1.125(W)负载负载RL上消耗的直流功率上消耗的直流功率 PRQ=ICQ2RL=0.37528=1.125(W) PVQ、PTQ、PRQ分别为图分别为图(b)中矩形中矩形ABCD、AQED、QBCE的面积。的面积。南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组在充分激励下，在充分激励下，UcemVCC/2，Icm=Ucem/RLVCC/2RL，由此得：，由此得： W.RVRVVIUIUPLCCLCCCCcmcemcmcemo56088682221212222 交流输出功率交流输出功率

12、(即为即为QED的面积的面积)（2）动态）动态南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组 W.PPIUIUtdtsinIItsinUUtdiuPTQcmcemCQCEQcmCQcemCEQCCET5650560125102210221021 管子消耗功率管子消耗功率 (即为即为AQD的面积的面积)（2）动态）动态南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组 电源供给功率电源供给功率 (即为矩形即为矩形ABCD的面积的面积) 效率效率 W.PIVtdtsinIIVtdiVPVQCQCCcmCQCCCCCV25202210221 %.PPVo25252560 （2

13、）动态）动态返回返回南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组甲类功放有以下特点：甲类功放有以下特点：(3)(3)电源始终不断地输送功率：电源始终不断地输送功率：静态时，这些功率全部消耗在管子和电阻上；静态时，这些功率全部消耗在管子和电阻上；动态时，其中一部分转化为有用的输出功率，信号愈动态时，其中一部分转化为有用的输出功率，信号愈大，输送给负载的功率愈多。大，输送给负载的功率愈多。(4)(4)输出功率较小。输出功率较小。 (5) (5)效率较低。效率较低。 (2) (2) 信号失真小。信号失真小。(1) (1) 整个周期内均有整个周期内均有i iC C00。南航金城学院自动

14、化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组如何解决效率低的问题？如何解决效率低的问题？办法：办法：降低降低Q点。点。 既降低既降低Q Q点又不会引起截止失真的办法：点又不会引起截止失真的办法：采用采用推挽输出电路，推挽输出电路，或或互补对称射极输出器。互补对称射极输出器。缺点：缺点：但又会引起截止失真。但又会引起截止失真。9.1.1 9.1.1 功率放大电路的特点功率放大电路的特点 南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组9.2 9.2 互补功率放大电路互补功率放大电路 互补对称功放的类型互补对称功放的类型 无输出变压器形式无输出变压器形式 （ OTL电路）电路）无输出电

15、容形式无输出电容形式 （ OCL电路）电路）OTL: Output TransformerLessOCL: Output CapacitorLess互补对称：互补对称：电路中采用两个晶体管，电路中采用两个晶体管，NPNNPN、 PNPPNP各一个；两管特性一致。各一个；两管特性一致。类型：类型：一、乙类互补推挽功率放大电路一、乙类互补推挽功率放大电路南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组静态时，静态时， IBQ0, ICQ 0，不消耗功率。，不消耗功率。（1） OTL功率放大电路功率放大电路ic1ic2RLuiT1T2+VCCCAuo+-uiVCC/2时，时，T1导通、导

16、通、T2截止；截止；0.5VCCuItT1 、T2对称对称; C足够大足够大(1000uF)，UC 0.5VCC 。ui 0VT1导通，导通，T2截止截止iL= ic1 ;ui-VCCT1T2uo+VCCRLiLiL=ic2T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方两个晶体管都只在半个周期内工作的方式，为式，为乙类放大乙类放大。静态分析：静态分析：ui = 0V T1、T2均不工作均不工作 uo = 0V2. 2. 电路工作原理电路工作原理南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组LiC2-uCE23. 分析计算分析计算静态静态Q：UCE1 = VCC , UCE2 = -

17、VCC IC1 = IC2 = 0 动态：动态：（1）交流负载线斜率为）交流负载线斜率为-1/RL为分析方便，为分析方便，如图曲线倒置如图曲线倒置成成Q点重合点重合负载斜率相等负载斜率相等且都通过且都通过Q点，点，那么合成的负那么合成的负载线成图示的载线成图示的一条直线。一条直线。ui=0-VCCT1T2uo+VCCRLiL （2） Uom = Ucem = Uim Iom = Icm = Uom/RL （3） Uom(max) = Ucem(max) = VCC Uces VCC 南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组参数估算参数估算(1) (1) 输出功率输出功率P

18、PO O ： L2CCL2om(max)omax221RVRUP L2omomomooo2122RUUIUIP 最大不失真输出功率为最大不失真输出功率为：LiC2-uCE2南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组(2)直流电源供给功率直流电源供给功率PV : 22)()sin()(02212LCCom0C1CCVRVUVItdtIVtdiVPCCcmcmCC L2CCVmax2RVP (3)效率效率 :CComVO4VUPP %5 .7844CCCCmax VVLiC2-uCE2南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组(4)管耗管耗 ：总管耗：总管耗：

19、4222omomCCLT1TUUVRPP )UUV(R)UUV(RtdtsinRUtsinUVtdtsinItsinUV)t(diuP414102102102212omomCCL2cemcemCCLLcemcemCCcmcemCCC1CE1T1 LiC2-uCE2南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组三极管的最大管耗三极管的最大管耗 omT1om02CComomLsin1=(sin)d()21()4CCLUtPVUttRV UURoML2CCT1maxP2 . 0R2V2 . 0P问：问：Uom=？ PT1最大最大, PT1max=？用用PT1对对Uom求导得出：求导得出

20、：PT1max发生在发生在Uom=0.64VCC处。处。将将Uom=0.64VCC代入代入PT1表达式表达式：南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组(4)管耗管耗 ：oVTPPP )4(22omomCCLUUVR 两管管耗两管管耗T2T1T=PPP T2T1PP )4(12omomCCLUUVR 最大管耗最大管耗omaxT1max2 . 0PP CCCCom64. 02VVU 此时此时南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组总结：总结：L2omo2RUP 2LCComVRVUP VOPP oVTPPP L2om(max)omax21RUP LCCmax

21、Vmax2RVUPom %5 .784max CComVU omaxT1max2 . 0PP CCom64. 0VU ui-VCCT1T2uo+VCCRLiLPV归一化曲线图归一化曲线图/Pomax南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组甲类放大器与乙类放大器的两点比较：甲类放大器与乙类放大器的两点比较：(1) (1) 甲类放大器中的电源供给功率甲类放大器中的电源供给功率P PV V与信号大小无关，与信号大小无关，而乙类放大器的电源供给功率而乙类放大器的电源供给功率P PV V随信号的大小而变：随信号的大小而变：静静态时，其值为零态时，其值为零；信号增大时，其值随之增大；信

22、号增大时，其值随之增大；当当U Ucemcem最大亦即最大亦即P Po o 最大时，电源供给功率最大时，电源供给功率P PV V也达也达到最大。到最大。(2) (2) 甲类放大时，静态管耗最大。而乙类工作时，静甲类放大时，静态管耗最大。而乙类工作时，静态管耗却为零，当态管耗却为零，当U Uomom由小增大时，由于由小增大时，由于P PT T是是U Uomom的的二次函数，它们之间是非单调变化关系。二次函数，它们之间是非单调变化关系。当当omom=0.64=0.64V VCCCC时，时，P PT T达到最大。达到最大。南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组4. 4. 晶体管

23、选择晶体管选择: :ui-VCCT1T2uo+VCCRLiLui-VCCT1UCE2 0+VCC(1) PCM 0.2Pomax;(3)|U(BR)CEO|2VCC；(2)ICMVCC/RL南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组静态静态电流电流ICQIBQ等于零等于零每管导通时间等于半个周期每管导通时间等于半个周期存在交越失真存在交越失真 乙类放大的波形特点乙类放大的波形特点南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组严格说，输入信号很小时，达不到三极管的开启电压，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。因此正、负半周交替过零处会出现

24、一三极管不导电。因此正、负半周交替过零处会出现一些些非线性失真非线性失真，这个失真称为，这个失真称为交越失真交越失真。南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组1. 电路中增加电路中增加 R1、D1、D2、R2支路。支路。R1D1D2R2+VCC-VCCuouiiLRLT1T2 静态时静态时: T1、T2均处于微弱导通均处于微弱导通状态；状态；两管导通时间均比半个周期大一些，为两管导通时间均比半个周期大一些，为“甲乙类放大甲乙类放大” 。 动态时：动态时： 设设ui 加正弦信号加正弦信号 正半周正半周 T2 截止，截止，T1 导通；导通； 负半周负半周T1截止，截止，T2 导

25、通。导通。（二）甲乙类互补推挽电路（二）甲乙类互补推挽电路克服交越失真克服交越失真UB1、B2UD1UD2UR2南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组 T T1 1和和T T2 2在一个周期内的导电时间在一个周期内的导电时间大于大于T/2T/2，即有一定的交替时间，因此它们工作，即有一定的交替时间，因此它们工作在在甲乙类甲乙类状态。状态。 但是，在实际应用中为提高电路效率，但是，在实际应用中为提高电路效率，在设置偏压时，应尽可能接近乙类。因此，在设置偏压时，应尽可能接近乙类。因此，通常通常甲乙类甲乙类OCLOCL互补推挽电路的参数估算互补推挽电路的参数估算可近似按乙类处理

26、可近似按乙类处理。南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组三、单电源互补推挽电路三、单电源互补推挽电路(OTL(OTL电路）电路）1. 1. 基本的单电源互补基本的单电源互补推挽推挽电路电路电容电容C满足：满足：C(510) /2fLRL 静态时要求静态时要求K K点电点电位位U UK K= =U UC C= =V VCCCC/2,/2, R R1 1和和R R2 2组成电压组成电压并联交直流负反馈网并联交直流负反馈网络，稳定电路的静态络，稳定电路的静态工作点，改善放大器工作点，改善放大器的动态性能。的动态性能。38.9南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电

27、课程组 输出功率输出功率 PoL2omo21RUP L2om(max)omax21RUPL2CC8 RV直流电源供给功率直流电源供给功率PVLCComVRVUP 2/CC(max)omVU 当当 时时L2CCVmax2 RVP 2. 2. 基本的单电源互补对称电路分析计算基本的单电源互补对称电路分析计算 OTL电路也按电路也按OCL公式计算，但公式计算，但所有的所有的VCC用用VCC/2代代。南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组效率效率 和管耗和管耗PTVoPP LCComL2om21RVURU CCom2 VU %5 .78422/CCCmax VVC总管耗总管耗 212omomCCLTUUVRP 最大管耗最大管耗omaxT1max2 . 0PP CCCCom32. 0VVU 此时此时南航金城学院自动化系模电课程组南航金城学院自动化系模电课程组四、采用复合管的功率输出级四、采用复合管的功率输出级复合管的构成方式：复合管的构成方式：T1T2ibic方式一：方式一：becibic bcccbcbebbciiiiiiiiiii)1(,)1(,1212122211211 bi21 增加复合管的目的是：增加复合管的目的是：扩大电流的驱动能力。扩大电流的驱动能力。南航金城学院自动化系模电课程组南航金城