模拟电路第五章

5.1功率放大电路的一般问题

5.2乙类双电源互补对称功率放大电路5.3甲乙类互补对称功率放大电路5.5功率器件5功率放大电路§5.1功率放大电路的一般问题

放大电路的输入信号很微弱（微伏、毫伏级），Pi＜1W，为了推动负载工作（扬声器发声、电机转动、仪表指针偏转……），必须由多级放大电路进行连续放大，才能在输出端得到必要的电压副值或功率如图5-1。

第1级第n级第2级第（n-1）级输入输出前置级末前级输出级功率放大图5-1-1多级放大电路两者区别：电压放大（第3章）：目的是输出足够大的电压，工作在小信号状态，用小信号模型法（线性）分析。功率放大（第5章）：目的是输出最大功率，工作在大信号状态，用图解法（非线性）分析。㈠对功率放大电路的基本要求

①要求输出功率尽可能大电压大工作在极限状态，电流大考虑BJT的极限参数（在安全区内）。

②效率高

③非线性失真小，信号大，功放电路动态范围大，易产生非线性失真。④BJT的散热问题（管耗）。效率、失真和输出功率相互影响。㈡功率放大电路提高效率的途径

三种工作方式：甲类、乙类、甲乙类。分析如下：图5-1-2（a）甲类①Q在负载线中点，②BJT360°导电；③电源供给IC平均值

甲类放大的静态电流是造成管耗的主要因素，其效率不高，理想情况下不超过50%。负载功率提高的方法增大动态范围（此图一定），输出功率一定。降低Q，是静态功耗降低，如甲类和乙类工作状态图5-1-2（

b）甲乙类①Q下降，Ic减小，静态功耗下降，效率提高；②BJT的180°＜导通角＜360°

；③波形失真。图5-1-2（

c）乙类①Ic=0，静态功耗为0；②BJT的导通角=180°；③波形失真严重。

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。通过改进电路结构（互补对称电路），较好地解决了乙类工作状态下的失真问题。

§5.2乙类双电源互补功率放大电路互补对称：让两个性能相同的BJT轮流道通，在负载电阻上得到完整的波形，就解决了失真问题。

㈠电路组成

乙类互补功率放大电路如图5.2.1所示。它由一对NPN、PNP特性相同的互补BJT组成。这种电路也称为OCL（无输出电容器）互补功率放大电路。图5.2.1乙类互补功率放大电路及波形㈡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5-2-1㈢参数计算（如图5-2-2）Icm1（

Iom

）Vcem1（

Vom

）Q

1．输出功率Po

设互补功率放大电路为乙类工作状态，输入为正弦波。负载上的输出功率为忽略三极管的饱和压降，负载上的最大不失真功率为Icm1（

Iom

）Vcem1（

Vom

）2．电源功率PV

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PV的表达式推导如下即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．BJT的管耗PT

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

将PT画成曲线，如图5.2.3所示。图5.2.3乙类互补功放电路的管耗

显然，管耗与输出幅度有关，图5.2.4中画阴影线的部分即代表管耗，PT与Vom成非线性关系，有一个最大值。可用PT对Vom求导的办法找出这个最大值。PTm发生在Vom=0.64VCC处，将Vom=0.64VCC代入PT表达式，可得PTmax为对一只三极管4．效率η当Vom=VCC

时效率最大，η=π/4=78.5％。

㈣功率BJT的选择由上分析，BJT的参数必须满足下列条件：①单个BJT的Pcm（

PT1m）

≥0.2Pom②T1导通，vCE1≈0，T2截止，vCE2≈2VCC选用|V（BR）CEO|＞2VCC③Icm

＜例题（书P204）及思考题

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。如图5.2.5所示。图5.2.5交越失真动画5-2-5-1动画5-2-5-2

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5.1.1所示。

§5.3甲乙类互补对称功率放大电路㈠甲乙类互补对称功率放大电路

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5.3.1所示。

利用二极管提供偏置电压图5.3.1甲乙类互补功率放大电路例题：电路如图所示，设三极管的饱和压降=0，＝0，||＝0.7Ｖ，

10.7sintＶ，试求：＋20Ｖ(1)输出功率Ｐ？(2)电源提供的功率ＰV＝？

(3)能量的转换效率＝？(4)该电路会产生什么失真？怎样克服？8画出克服失真的电路。

－20Ｖ

10解：(1)Ｐ＝＝6.25Ｗ22×8

(2)＝2×20×＝16Ｗ

(3)＝Ｐo/ＰV＝6.25/16＝39％

＋20V

(4)交越失真，使、工作在甲、乙类状态。＋克服失真的电路如图所示。－

-20V㈡单电源互补功率放大电路（OTL）

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。图5.4.2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5.4.2所示。动画5-4-2足够大，远远大于的周期t时，常数计算时

当输出功率较小时，一对PNP和NPN容易配对，而当输出功率较大时，一对PNP和NPN就不容易配，对此时往往采用复合管，复合管有四种形式见图5.4.3，前一对PNP和NPN采用小功率管易配对，后一对管子相同，用大功率管易配对，同时也提高了。

复合管的极性由前面的一个三极管决定。复合管一般又称为达林顿管。图5.4.3四种类型的复合管§5.5功率器件⑴散热问题输出功率Po受管耗PT的限制，温度过高，损坏器件，应采取措施

⑵二次击穿功率BJT的管耗未超过值，管身也不烫，其性能却显著下降，这是二次击穿所造成的。结构外加散热片

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5.5.1所示。而且还受二次击穿临界曲线的限制。思考题及小结

图5.5.1三极管的极限工作区

过电流区是由最大允许集电极电流确定的，超过此值，β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。模电第5章作业一．是非题

1.甲类功率放大器，无论是＝０还是≠０,Ｐc和ＰV都相等。[]

2.交叉失真是乙类功率放大器特有的非线性失真，可以加适当的偏置予以消除。为了减小偏置电路对信号的损耗，应在偏置电路上加旁路电容。[]

3.功率放大电路的主要作用是向负载提供足够大的功率信号。[]

4.功率放大电路所要研究的问题就是一个输出功率的大小问题。[]

5.顾名思义，功率放大电路有功率放大作用，电压放大电路只有电压放大作用而没有功率放大作用。[]

6.由于功率放大电路的晶体管处于大信号工作状态，所以微变等效电路法已不再适用[]

7.当甲类功放电路的输出功率为零时，管子消耗的功率最大。[]

8.乙类功放电路在输出功率最大时，管子消耗的功率最大。[]

×

××

×14.乙类互补对称功放电路的交越失真是由晶体管输入特性的非线性引起的。[]

10.在管子的极限参数中，集电极最大允许耗散功率Ｐ，是集电极最大电流与基极开路时集电极－发射极间反向击穿电压o的乘积。[]

11.与晶体管始终导通的甲类功放电路不同，乙类互补对称功放电路中的两个晶体管交替工作，各导通半个周期。[]

12.在乙类互补对称功放电路中，两个晶体管的电流同时变化，其变化量大小相等，方向相反。[]

13.与甲类功放电路一样，甲乙类互补对称功放电路在输出信号不失真的条件下，所消耗的电源功率是不随信号大小变化的常数。[]

××二．选择题

1.有一单管甲类功率放大器，其输入信号为一正弦波，在不失真的条件下，输入信号越大（设放大倍数恒定），则输出交流功率亦越大，此时：

（Ａ）电源供给功率亦越大；（Ｂ）电源供给的功率不变。

2.甲类功率放大器，管子极限运用时，理想情况下，其效率最大为______。

（Ａ）７０％（Ｂ）２５％（Ｃ）５０％（Ｄ）４０％

3.功率放大器考虑的主要问题是如何减小_______及提高放大电路的______。

(Ａ)非线性失真(Ｂ)零点漂移(Ｃ)稳定工作点(Ｄ)效率(Ｅ)输出电压

4.功率放大器中一般使三极管处于接近______状态；在______状态下工作。

(Ａ)小信号(Ｂ)大信号(Ｃ)饱和(Ｄ)截止(Ｅ)极限BCA,DE,B5.与甲类功率放大方式比较，乙类推挽方式的主要优点是______。

(Ａ)不用输出变压器；(Ｂ)不用输出端大电容；(Ｃ)效率高；(Ｄ)无交越失真。

6.设计一个输出功率为20Ｗ的扩音机电路，若用乙类双电源互补对称功放电路，则应选至

少______。

(Ａ)20Ｗ的功率管两个；(Ｂ)40Ｗ的功率管两个；

(Ｃ)4Ｗ的功率管两个；(Ｄ)2Ｗ的功率管两个。

7.设计一个输出功率为40Ｗ的扩音机电路，若用乙类双电源互补对称功放电

路，则应选至少______。

(Ａ)20Ｗ的功率管两个；(Ｂ)40Ｗ的功率管两个；

(Ｃ)4Ｗ的功率管两个；(Ｄ)8Ｗ的功率管两个。

CCD8.在ＯＣＬ功率放大电路中，输入信号

为１kＨz、10Ｖ的正弦电压，输出电压o(V)

波形如图所示，这说明电路中______。(Ａ)出现饱和失真0ｔ(Ｂ)出现频率失真(Ｄ)出现交越失真(Ｅ)没有关

为了改善上述的输出波形，应______。(Ａ)进行相位补偿

(Ｂ)适当减小功放管的静态||(Ｃ)适当增大功放管的静态||

(Ｄ)适当增加负载电阻

的阻值.D,C9.在如图所示的互补对称功率放大电路+中,是正弦波,负载上得到的最大输出功率是Ｔ10Ｗ，晶体管Ｔ、Ｔ的饱和压降＝1V.请0.5V在下列可供选择的±数值中,选出最接近要求+0.5V+一组接到本电路中.这组是_____。8Ｔ(Ａ)±9Ｖ(Ｂ)±12Ｖ--(Ｃ)±15Ｖ(Ｄ)±18Ｖ-

C10.ＯＣＬ功率放大电路如图所示，其中+Ｔ的偏置电路未画出。若输入为正弦电压，互补管Ｔ、Ｔ的饱和管压降可以忽略。ＴＴ、Ｔ管的工作方式为______。+(Ａ)甲类(Ｂ)乙类(Ｃ)甲乙类电路的最大输出功率为______。Ｔ+Ｔ(Ａ)(Ｂ)(Ｃ)(Ｄ)-248--C,A11.如图所示的电路是______。+(Ａ)变压器耦合的功率放大电路；(Ｂ)ＯＴＬ互补对称功率放大电路；Ｔ+(Ｃ)ＯＣＬ互补对称功率放大电路；(Ｄ)甲类功率放大电路；-+(Ｅ)甲乙类推挽功率放大电路；(Ｆ)乙类推挽功率放大电路。Ｔ--

C,E12.与甲类功率放大方式比较，乙类ＯＣＬ互补对称功放的主要优点是_____。

(Ａ)不用输出变压器(Ｂ)不用输出端大电容

(Ｃ)效率高(Ｄ)无交越失真

13.ＯＣＬ功放电路的输出端直接与负载相联。静态时，其直流电位为_____。

(Ａ)(Ｂ)/2(Ｃ)０(Ｄ)2

三．填空题

1.为了获得最大不失真的输出电压，甲类放大器的静态工作点Ｑ应选择在____________________________位置.

2.提高功率放大器效率的根本途径是__________；为保证功率晶体管安全工作，

应使______，______，______不超过极限值。CC交流负载线的中点,Ｐ,减小管耗3.甲类功放电路是指放大管的导通角等于______，乙类功放电路则其导通角等于______，在甲乙类功放电路中，放大管导通角为______。

4.乙类推挽功率放大电路的______较高，在理想情况下其数值可达______。但这种电路会产生一种被称为______失真的特有的非线性失真现象。为了消除这种失真，应当使推挽功率放大电路工作在______类状态。

5.设计一个输出功率为２０Ｗ的扩音机电路，若用乙类推挽功率放大，则应选至少为______Ｗ的功率管两个。

6.乙类功率放大电路的效率比甲类功放电路_______。甲类功放电路的效率最大不超过_______；乙类功放电路的效率最大为_______。7.互补对称功放电路的主要特点有两个________和________。8.互补对称功率放大电路采用______类型的两个晶体管组成推挽输出器，在输入交流信号的作用下，两管______工作。为了使输出电压波形保持对称，要求两管的性能______。360°;180°;大于180°而小于360°效率,/4(或78.5％),交越,甲乙4高，50％，78.5％采用不同类型、相同的两个晶体管和射极输出方式.不同，轮流，相同9.为了消除乙类功放电路的交越失真，通常给晶体管发射结加一定的______偏压，使静态工作点上移，摆脱_____电压的影响。这时，电路工作在_____状态。

10.ＯＣＬ功放电路由______________电源供电，静态时，输出端直流电位为_____，可以直接连接对地的负载，不需要_____耦合。

正向，死区，甲乙类正负对称的两个，零，电容1.如图所示为一ＯＣＬ电路，已知+＝12V,=8,为正弦电压.求:Ｔ(1)在≈０的情况下，负载上可能得+到的最大输出功率；+Ｔ(2)每个管子