模拟电路第四章低频功率放大电路

1、第4章 低频功率放大器4.1 教 学 要 求1、熟悉功率放大器的特点和主要研究对象。2、熟悉功率放大器的分类，掌握甲类、乙类、甲乙类的概念。3、熟练掌握OCL电路的工作原理及其性能分析，熟悉交越失真的概念及克服交越失真的方法；区别OTL与OCL电路的特点。4、正确估算功率放大电路的输出功率和效率，了解功放管的选择方法。5、了解集成功率放大器的性能特点及其应用。4.2 基本概念和内容要点4.2.1功率放大器的特点和主要研究对象功率放大器的主要功能是在保证信号不失真（或失真较小）的前提下获得尽可能大的信号输出功率。由于通常工作在大信号状态下，所以常用图解法进行分析。在功率放大器研究中需要关注的主要

2、问题有：1、要求输出功率Po尽可能大Po=VoIo （41）为了获得大的功率输出，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因此，功放管往往在接近极限状态下工作。2、效率要高Po（交流输出功率） = 100% （42）PV（直流电源供给的功率）3、正确处理输出功率与非线性失真之间的矛盾同一功放管随着输出功率增大，非线性失真往往越严重，因此，应根据不同的应用场合，合理考虑对非线性失真的要求。4、功放管的散热与保护问题在功率放大器中，有相当大的功率消耗在管子的集电结上，使结温和管壳温度升高。为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率，功放管的散热是一个很重要的问题。此外，在功率放大器中，为了

3、输出大的信号功率，管子承受的电压要高，通过的电流要大，功放管损坏的可能性也就比较大，所以，功放管的保护问题也不容忽视。4.2.2 低频功率放大器的分类通常在加入输入信号后，按照输出级晶体管集电极电流的导通情况，低频功率放大器可分为三类：甲类、乙类、甲乙类。如图4.1所示。甲类；在信号的一个周期内，功放管始终导通，其导电角=360o。该类电路的主要优点是输出信号的非线性失真较小。主要缺点是；直流电源在静态时的功耗较大，效率较低，在理想情况下，甲类功放的最高效率只能达到50%。ICQQICQvCEOiCQiB =常数tOiC（a）vCEOiCiB =常数tOiC（b）QvCEOiB =常数tO（c

4、）甲类放大 =2甲乙类放大 2乙类放大 =iCiC图 4.1 功率放大电路的分类乙类；在信号的一个周期内，功放管只有半个周期导通，其导电角=180o。该类电路的主要优点是直流电源的静态功耗为零，效率较高，在理想情况下，最高效率可达78.5%。主要缺点是；输出信号中会产生交越失真。甲乙类；在信号的一个周期内，功放管导通的时间略大于半个周期，其导电角180o360o。功放管的静态电流大于零，但非常小。这类电路保留了乙类功放的优点，且克服了乙类功放的交越失真，是最常用的低频功率放大器类型。T2viRL+VCCT1voVCC图 4.24.2.3 乙类双电源（OCL）互补对称功率放大电路1、电路组成如图

5、4.2所示。由两射极输出器组成基本的互补对称电路。OCL为Output Capacitorless（无输出电容器）的缩写。2、工作原理在输入信号vi的整个周期内，T1、T2轮流导电半个周期，使输出vo的iL是一个完整的信号波形，如图4.3所示。VCESiC1Q vCEOiB =常数IcmVcemiC2OVCES2Vcem2IcmVCESiC1Q VCCvCE1OiB =常数Icm1Vcem1（b）互补对称电路的工作情况（a）vi0时T1管的工作情况图 4.3 乙类OCL电路的工作原理3、电路的性能分析（1）输出功率Po1 Vom2Po=VoIo= （43）2 RL最大输出功率为：1 VCC2P

6、om （44）2 RL（2）晶体管管耗PT2 VCCVom Vom2PT=PT1+PT2= （45） RL 4当Vom0.6VCC时，具有最大管耗，最大管耗PT1M为：PT1M0.2Pom （46）（3）直流电源供给的功率PV2VCCVom PV=Po+PT= （47） RL 电源供给的最大输出功率为：2VCC2 PVm= （48） RL （4）效率Po Vom = = （49）PV 4VCC当VomVCC时，效率最高，最大效率为：Po = = 78.5% （410）PV 40.6vi/Vvo/Vt0t0vo，iL0.6交越失真4、功率管的选择（1）PCM0.2Pom （411）（2）V(BR

7、)CEO2VCC （412）（3）ICMVCC /RL （413）5、存在的问题由于电路没有直流偏置，而功率三极管的输入特性又存在死区，所以，输出信号在零点附近会产生交越失真图 4.4 交越失真现象，如图4.4所示。4.2.4 甲乙类双电源（OCL）互补对称功率放大电路1、引入思想为了克服交越失真，在静态时，为输出管T1、T2提供适当的偏置电压，使之处于微导通，从而使电路工作在甲乙类状态。2、甲乙类OCL电路静态点的设置方案如图4.5所示。T4R2R1T3T2vovi+VCCRLRC3T1RE3VCC（b）利用vBE扩大电路进行偏置（a）利用二极管进行偏置D2D1T3T2vovi+VCCRLR

8、C3T1RE3VCC图 4.5 甲乙类OCL电路的静态偏置图4.5（b）所示的偏置方法在集成电路中常用到。可以证明：R1VCE4=(1+ ) VBE4 （411） R2 适当调节R1、R2的比值，即可改变T1、T2的偏压值。3、电路的性能指标上述电路的静态工作电流虽不为零，但仍然很小，因此，其性能指标仍可用乙类互补对称电路的公式近似进行计算。4.2.5 单电源（OTL）互补对称功率放大电路1、电路原理图+VCC/2T2viRLT1voVCC/2（b）如图4.6（a）所示，图4.6（b）是其等效电路。OTL是Output Transformerless（无输出变压器）的缩写。+VCCK+T2vi

9、RLT1voC（a）图 4.6 单电源（OTL）互补对称功率放大电路图4.6（a）与图4.2的最大区别在于输出端接有大容量的电容C。当vi=0时，由于T1、T2特性相同，即有VK=VCC/2，电容C被充电到VCC/2。设RLC远大于输入信号vi的周期，则C上的电压可视为固定不变，电容C对交流信号而言可看作短路。因此，用单电源和C就可代替OCL电路的双电源。2、电路的性能指标OTL电路的工作情况与OCL电路完全相同，偏置电路也可采用类似的方法处理。估算其性能指标时，用VCC/2代替OCL电路计算公式中的VCC即可。4.2.6集成功率放大器随着线性集成电路的发展，集成功率放大器的应用也日益广泛。O

10、TL、OCL电路均有各种不同输出功率和不同电压增益的多种型号的集成电路。应当注意，在使用OTL集成电路时，需外接输出电容。4.3 典型习题详解【4-1】 在题图4.1（a）所示电路中，设BJT的=100，VBE=0.7V，VCES=0.5V，ICEO=0，电容C对交流可视为短路。输入信号vi为正弦波。（1）计算电路可能达到的最大不失真输出功率Pom;（2）此时RB应调节到什么数值？VomVCESVOQVCCvOOiCQ（b）（3）此时电路的效率=？viRL8RB+VCC(+12V)TvoC（a）题图 4.1【解】本题用来熟悉甲类放大电路的分析方法及特点。（1）先求输出信号的最大不失真幅值。由题

11、图4.1（b）可知：vO=VOQ+Vomsint1Vom= （VCCVCES）22VomVCCVCESVOQ+VomVCC VOQVomVCES因此，最大不失真输出功率Pom为：Vom 2 1 （VCCVCES）2 1Pom= = 2.07W2 RL 8 8VCCVCES 1VOQ= +VCES = （VCC+VCES） 2 2（2）静态时，VCCVOQ VCCVCES 120.5ICQ = = = 0.72ARL 2RL 28所以ICQ IBQ= = 7.2mA VCCVBE 120.7RB = = 1.57kIBQ 7.2Pom Pom 2.07 = = = 100%24%PV VCCIC

12、Q 120.72（3）甲类功率放大电路的效率很低.T2viRL+VCCT1voVCC【4-2】一双电源互补对称（OCL）电路如题图4.2所示，已知VCC=12V, RL=16，vi为正弦波。求：（1）在BJT的饱和压降VCES可以忽略不计的条件下，负载上可能得到的最大输出功率Pom。（2）每个管子允许的管耗PCM至少应为多少？（3）每个管子的耐压V(BR)CEO至少应大于多少？题图 4.2【解】本题用来熟悉乙类放大电路的分析方法及特点。（1）对乙类放大电路，静态时，VO=0。若忽略BJT的饱和压降VCES，则有：Vom=VCC，因此，Vom2 VCC2 122Pom= = = = 4.5W2R

13、L 2RL 216（2）每管允许的管耗 PCM0.2 Pom=0.24.5=0.9W（3）每个管子承受的最大电压为2VCC，故每管的耐压V(BR)CEO2VCC。【4-3】 电路如题图4.2所示，设vi为正弦波，RL=8，要求最大输出功率Pom= 9W。在BJT的饱和压降VCES可以忽略不计的条件下，试求出下列各值：（1）正、负电源VCC的最小值；（2）根据所求的VCC的最小值，确定三极管的ICM、V(BR)CEO及PCM的最小值；（3）当输出功率最大时，电源供给的功率PV；（4）当输出功率最大时的输入电压有效值。【解】本题用来熟悉乙类放大电路的分析方法及特点。Vom2 VCC2 Pom= 2

14、RL 2RL VCC 2Pom RL = 298 =12V （1）故 VCCmin = 12V。（2）当vo=Vom=VCC时，输出电流的幅值为：Iom=Vom/RL= 12/8=1.5A ICMIom=1.5A， 故 ICMmin = 1.5A。V(BR)CEO2VCC=212 =24V，故V(BR)CEOmin = 24V。PCM0.2 Pom=0.29=1.8W， 故 PCMmin = 1.8W。（3）当输出功率最大时，电源供给的功率为2VCC2 2122 PV = = 11.46WRL 3.148 （4）由于互补对称乙类功放无电压放大作用，所以，当输出功率最大时的输入电压有VCC 12

15、 Vi=Vo = = 8.5V2 2 效值为：【4-4】 电路如题图4.2所示，管子在输入信号vi作用下，在一个周期内T1和T2轮流导电约180o，电源电压VCC=20V，RL=8，试计算：（1）在输入信号Vi=10V（有效值）时，电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率和效率；（2）当输入信号vi的幅值为Vim=VCC =20V时，电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率和效率。【解】本题用来熟悉乙类放大电路的分析方法及特点。（1）由于输入信号的有效值Vi=10V，所以输出信号的有效值Vo=10V。因此，电路的输出功率为：Vo2 102 Po = = =12.5WRL 8 直流电源供给的功率

16、为；2VCCVom 220 210 PV = = 22.5WRL 3.148 总的管耗为：PT=PVPo=22.512.5=10W，每管的管耗为：PT1=PT2=PT/2=5W效率为：Po 12.5 = = 100%55.6%PV 22.5（2）当输入信号vi的幅值为Vim=VCC =20V时，输出电压的幅值Vom=20V，此时，电路的输出功率为：Vom2 202Po = = = 25W2RL 28直流电源供给的功率为；2VCCVom 22020 PV = = 31.85WRL 3.148 总的管耗为：PT=PVPo=31.8525=6.85W，每管的管耗为：PT1=PT2=PT/2=3.42

17、5W效率为：Po 25 = = 100%78.5%PV 31.85+ T2viRL+VCCT1voC乙类功率放大电路的最高效率可达78.5%。【4-5】一单电源互补对称（OTL）电路如题图4.3所示，设vi为正弦波，RL=8，管子的饱和压降VCES可以忽略不计。当最大不失真输出功率Pom（不考虑交越失真）为9W时，电源电压VCC至少应为多少？【解】本题用来熟悉单电源乙类放大电路（OTL）1 Vom= VCC2 的分析方法及特点。题图 4.3对单电源乙类放大电路，Vom2 VCC2 Pom= = 2RL 8RL VCC 8Pom RL = 898 =24V 因此即 VCCmin = 24V。【4

18、-6】互补对称功放电路如题图4.4所示，图中VCC=20V，RL=8，T1和T2管的VCES=2V。（1）当T3管输出信号Vo3=10V（有效值）时，计算电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率和效率；（2）计算该电路的最大不失真输出功率、效率和所需的Vo3的有效值。【解】本题用来熟悉双电源甲乙类放大电路（OTL）的分析方法及特点。vo3T3T2题图 4.4vovi+VCCRLRCT1RBD1D2VCC（1）该电路由两级放大电路组成，其中T3管电路为推动级，T1与T2管组成互补对称功放电路。T3管的输出信号Vo3 就是功放电路的输入信号电压。故当Vo3=10V（有效值）时，电路的输出功率为：V

19、o2 Vo32 102 Po = = = =12.5WRL RL 8 直流电源供给的功率为：2VCCVom 220 210 PV = = 22.5WRL 3.148 管耗为：PT=PVPo = 22.512.5=10W，PT1=PT2 =5WPo 12.5 = = 100%55.6%PV 22.5效率为：（2）该电路的最大不失真输出功率为：1 （VCCVCES）2 1 （202）2Pom= = = 20.25W2 RL 2 8直流电源供给的功率为：2VCCVom 220（202） PV = = 28.66WRL 3.148 效率为：Po 20.25 = = 100%70.7%PV 28.66所

20、需的Vo3的有效值为：Vom VCC VCES 202 Vo3= = = 12.73V2 2 2 功放电路的输出功率、效率，除与电路类型、电源电压等有关外，还与激励信号的大小有关。【4-7】一单电源互补对称电路如题图4.5所示，设T1和T2的特性完全对称，vi为正T2R2+vo+vi+VCCC2RLR1T1C1R3D1D2弦波，VCC=12V，RL=8。试回答下列问题：（1）静态时，电容C2两端的电压应是多少？调整哪个元件，可以改变VC2的值？（2）若T1和T2管的饱和压降VCES可以忽略不计。该电路的最大不失真输出功率Pom应为多少？（3）动态时，若输出波形产生交越失真，应调整哪一个电阻？如

21、何调？（4）若R1=R3=1.1k，T1和T2管的=40，VBE= 0.7V，PCM=400mW，假设D1、D2题图 4.5和R2中的任何一个开路，将会产生什么后果？【解】本题用来熟悉；（1）OTL电路的分析方法及特点；（2）交越失真的概念及其消除方法。（1）静态时，电容C2两端的电压VC2应为：1 1VC2= VCC= 12=6V2 2R1、R3为偏置电路，故调整R1、R3可以改变VC2的值。Vom2 VCC2 1 122Pom= = = =2.25W2RL 8RL 8 8 （2）（3）当产生交越失真时，说明T1和T2两管基极间的电压小于VBE1+VBE2，因此要增大T1和T2两管基极间的电

22、压，故可调节电阻R2，使其增大。（4）若D1、D2和R2中的任何一个开路，R1上的电流全部注入T1管的基极。此时，VCC2VBE 1220.7 IB= = 4.8mAR1+R3 1.1+1.1IC=iB = 404.8=192mA 1 1 VCE = VCC = 12=6V2 2 而所以PT1 =PT2 = VCE IC = 6192 =1152mW400mW，故会烧坏功放管。【4-8】某集成电路的输出级如题图4.6所示，试说明：（1）R1、R2和T3组成什么电路？在电路中起何作用？（2）恒流源I在电路中起何作用？（3）电路中引入D1、D2作为过载保护，说明理由。IT4T6T5D1D2T2T1

23、R2vovi+15VR4R1R3T315V题图 4.6【解】本题用来熟悉；（1）交越失真的概念及其消除方法；（2）功率放大电路的过载保护措施。（1）R1、R2和T3组成“VBE倍增电路”，用以消除交越失真。由图可知：VBE3 R1 VCE3VBE3+ R1=（1+ ）VBE3 R2 R2调节R1/R2的值，可以改变VCE3的值。若电路出现交越失真，增大R1/R2（VCE3）的值，使输出管在静态时处于微导通，便可消除信号在零点附近的交越失真现象。（2）恒流源I在电路中作为电压放大级T1、T2的有源负载，用以提高电压增益。（3）当电路输出电流过大时，D1、D2可起到过载保护作用。其工作原理如下：I

24、E4 VR3VOD1IB4IE4；IE5 VR4VOD2IB5IE5。【4-9】电路如题图4.7所示，当vi=0时，由VBB将甲乙类互补对称功放的静态值设置如下：IC1 = I1 =2mA，IC2=IC3 =ICQ2 =3mA，IC4=IC5 =ICQ4 =10mA，O点电位为零（即vo=0）并设1 =2 =3 =200，4=5 =50。（1）说明D1、D2、RP和C的作用；（2）说明R1、R2的作用；（3）若VCES2=1.2V，VBE4=0.8V，计算电路的最大不失真输出功率Pom；（4）求在Pom下的实际效率。C1000FR40.2RL8OR2300I12mAT4T5D1D2T1RPvo

25、VBB+vi+18VR1300T318VT2R30.2ICQ23mAICQ410mAIC1题图 4.7【解】本题用来熟悉甲乙类OCL电路的分析方法及特点。（1）D1、D2和RP的作用是为输出互补功放管提供适当的直流偏置电压，使输出管在静态时处于微导通，从而消除输出信号在零点附近的交越失真现象。电容C起交流旁路作用，保证T1管提供T2 、T3管输入端大小相等的放大信号。（2）电阻R1、R2的作用有两个：一方面防止T2 或T3管截止时T4或T5管基极开路的情况，有利于提高输出管T4、T5的集射间耐压参数；另一方面对T2、T3管的ICEO起分流作用，有利于提高输出级工作的温度稳定性。（3）电路最大正

26、向输出电压为：RL RL 8Vom= VE4max= (VCCVCES2VBE4)= (181.20.8)15.6VR3+RL R3+RL 0.2+8所以Vom2 15.62 Pom= = 15.2W2RL 28 （4）直流电源供给的功率为：2VCCVom 21815.6 PV = = 22.3WRL 3.148 效率为：Po 15.2 = = 100%68%PV 22.3【4-10】现有一半导体收音机，输出级采用题图4.8（a）所示电路。试回答下列问题：（1）有人说：当电源接通后。无信号输出（即喇叭不响）时，输出级BJT的损耗最小，你认为这种说法对不对？为什么？（2）设输出变压器效率为80%

27、，T的型号为3AX22，其输出特性如题图4.8（b）所示，试用图解法确定负载上的输出功率和效率。 C100FRE5.5RL3.5RB2680Tr2 10:1T+viRB113kVCC6VTr1+（a）0.7mAAmA0 2 4 6 8 1080vCE/ViC/mA604020iB=1.2mAAmA0.9mAAmA0.5mAAmA0.3mAAmA0.1mAAmA3AX22AmA（b）题图 4.8【解】本题用来熟悉甲类功率放大电路的分析方法和特点。（1）此种说法不对。理由如下：甲类功率放大电路中，IC基本不变，PV基本不变。PTPT无信号时，PV=PT有信号时，PV= Po + PT所以，无信号输

28、出时，输出级BJT的损耗最大。（2）RL等效到三极管集电极的阻值为；N1 2 RL= RL=1023.5 =350N2 之后，按普通放大器进行分析。VCEQ=（VCCICQRE）=（617.81035.5）6V首先确定电路的静态工作点。RB2 0.68 VBQ= （VCC）= （6）=0.298VRB1+RB2 13+0.68VRE 0VEQ (VBQVBE) 0.298(0.2)ICQIEQ= = = = 17.8mARE RE RE 5.51 RL 在输出特性曲线上过Q点作斜率为 的交流负载线MN，如题图4.9所示。由图可见：交流输出电压和电流的幅值分别为：VcemaxVCC =6V， I

29、cmaxICQ =17.8mA0.7mAAmA0 2 4 6 8 1080vCE/ViC/mA604020iB=1.2mAAmA0.9mAAmA0.5mAAmA0.3mAAmA0.1mAAmAQAmA所以，输出功率为；1 1 Poc= Vcemax Icmax = 617.853.4mW2 2 负载获得的功率为；Po= Poc80% = 53.480% 42.7mW效率为；Po Po 42.7 = = = 100%40%PV VCCICQ 17.86题图 4.9【4-11】一个简易手提式小型扩音机的输出级如题图4.10所示。（1）试计算负载上输出功率和扩音机效率；（2）验算功率BJT3AD1的

30、定额是否超过。题图 4.10N1100T2RL8RB210Tr2T1+viRB1680VCC12VTr1N1100N2100提示：（1）电路基本上工作在乙类，Tr2内阻可忽略，变压器效率为0.8。管子3AD1的V(BR)CER=30V，ICM =1.5A，PCM =1W（加散热片1501503mm3时为8W）。（2）此题的等效交流负载电阻N1 2 RL= RLN2 （3）可参考双电源互补对称功放的有关计算公式算出BJT集电极输出功率，再乘以变压器 就是负载RL上的输出功率。【解】本题用来熟悉变压器耦合式乙类功率放大器的分析方法和特点。N1 2 RL= RL=128 =8N2 1 VCC2 1

31、122 Poc= = = 9W2 RL 2 8 （1）Po= PocT = 980% = 7.2W2 VCC2 2 122 PV = = 11.46W RL 3.14 8 Po 7.2 = = 100%62.8%PV 11.46VCC 12 ICM= = = 1.5ARL 8 （2）最大集电极电流为：每管的最大反压降为：VCEmax=2 VCC =24V每管的功耗为：1 1 PT1=PT2= （PVPoc）= （11.469）=1.23W2 2 由上述计算可知：3AD1的定额未超过，可以使用。【4-12】题图4.11为一输出功率大于18W的高传真扩音机复合管互补对称OCL电路。（1）试说明该电

32、路的结构；（2）试说明下列元件在电路中起什么作用： R7、D1、D2； C6、R9； C5； R5、R6、C3；R14、C4； R10、R11； R12、R13。（3）如果输出端静态电位VO0，应调整哪个元件？调大还是调小？：（4）在调整输出端静态电位时，扬声器应如如何处理（接入电路还是脱开电路，或采取其他方法）？（5）为消除交越失真应调整哪个电阻？这个电阻应从小调大还是从大调小？为什么？（6）在消除交越失真时，对输出端静态电位有无影响？怎样解决？（7）假设电压输出最大时，T6、T7以及R12、R13总的电压损失为4V，试计算电路的最大不失真输出功率以及输出级的效率；VCC22VR14C4+R

33、4C5T2T1R2R6+D1T3T5C6R13RL8R11T6T7D2R7vi+VCC+22VR10T4R12R15R3R16R8R9C2C3C1R5R1题图 4.10【解】本题用来熟悉甲乙类功率放大器的分析方法和特点。（1）该电路主体由以下三级组成：输入级：由T1、T2组成的单端输入、单端输出的长尾式差分放大电路构成；中间级：由T3组成的共发射极放大电路构成，作为功放管的驱动级，R8为其集电极负载；输出级：由T4T7组成的复合管甲乙类互补对称OCL功放电路组成。（2）部分元件的作用分别为： R7、D1、D2为T4T7设置静态工作点，消除交越失真。此外，由于D1和D2选用了与T4和T5材料相同的硅二极管，可以获得较好的温度补偿作用； C6、R9组成自举电路，以提高该电路的负向输出幅度； C5用于频率补偿，以消除自激振荡； R5、R6、C3引入交流电压串联负反馈，改善放大器的动态性能，同时，R6还引入了直流负反馈，以稳定静态工作点；R14、C4与负载并联，使等效负载接近纯电阻性，以避免由于感性负载产生过电压而击穿输出功率管；R10和R11是泄露电阻，分别减少