第八章 功率放大电路

功率放大电路第八章第8章

功率放大电路8.1功率放大电路概述8.2互补功率放大电路8.3功率放大电路的安全运行8.4集成功率放大电路本章重点和考点：1.重点掌握功放的最大输出电压、最大输出功率和效率的计算。2.掌握集成功放的使用。本章讨论的问题：1.功率放大是放大功率吗？电压放大电路和功率放大电路有什么区别？2.什么是晶体管的甲类、乙类和甲乙类工作状态？3.晶体管的最大耗散功率是否是电路的最大输出功率？晶体管的耗散功率最大时，电路的输出功率是最大吗？4.互补式功放电路的输出功率是否为单管功放电路的二倍？8.1功率放大电路概述能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路，简称功放。功放电路的要求：Pomax

大，三极管极限工作=Pomax/PV

要高失真要小功率放大电路的作用：是放大电路的输出级，去推动负载工作。例如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转、电动机旋转等。8.1.1功率放大电路的特点一、主要技术指标1.最大输出功率Pom功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。是交流功率，表达式为Po＝IoUo。最大输出功率是在电路参数确定的情况下，负载上可能获得的最大交流功率2.转换效率功率放大电路的最大输出功率与电源提供的直流功率之比。直流功率等于电源输出电流平均值及电压之积。3.最大输出电压Uom二、功率放大电路中的晶体管在功率放大电路中，为使输出功率尽可能大，要求晶体管工作在极限应用状态。选择功放管时，要注意极限参数的选择，还要注意其散热条件，使用时必须安装合适的散热片和各种保护措施。晶体管集电极电流最大时接近ICM晶体管管压降最大时接近U（BR）CEO晶体管耗散功率最大时接近PCM三、功率放大电路的分析方法采用图解法8.1.2功率放大电路的基本要求1.输出功率大2.效率要高3.非线性失真要小4.散热问题额定功率是指在失真允许的范围内放大器输出的最大功率。最大不失真功率是指在不失真的情况下最大输出功率。放大电路的工作状态甲类(=2)放大电路的工作状态乙类(=)甲类(=2)tiCO

Icm2ICQtiCO

Icm2ICQ乙类(=)tiCO

IcmICQ2甲乙类(

<<2)乙类工作状态失真大，静态电流为零，管耗小，效率高。甲乙类工作状态失真大，静态电流小，管耗小，效率较高。甲类工作状态失真小，静态电流大，管耗大，效率低。放大电路的工作状态故θ越小，效率越高管耗功率放大电路的分类在放大电路中，若输入信号为正弦波时，根据晶体管在信号整个周期内导通情况分类甲类(=2)tiCO

Icm2ICQtiCO

Icm2ICQ乙类(=)tiCO

IcmICQ2甲乙类(

<<2)丙类：导通角小于。丁类：功放管工作在开关状态，管子仅在饱和导通时消耗功率。集电极电流iC将严重失真。互补对称电路是集成功率放大电路输出级的基本形式。当它通过容量较大的电容与负载耦合时，由于省去了变压器而被称为无输出变压器(OutputTransformerless)电路，简称OTL电路。若互补对称电路直接与负载相连，输出电容也省去，就成为无输出电容(OutputCapacitorless)电路，简称OCL电路。

OTL电路采用单电源供电，

OCL电路采用双电源供电。8.2互补功率放大电路8.2.1乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL)(OCL—OutputCapacitorless)一、基本OCL互补功率放大电路8.2.1乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL)一、基本OCL互补功率放大电路RLV1V2+VCC+ui+uoVEEui

>0V1导通V2截止iC1io

=iE1=iC1,uO

=iC1RLui

<0V2导通V1截止iC2io

=-iE2=-iC2,uO

=-iC2RLui

=0V1、V2截止iO1、电路组成及工作原理(OCL—OutputCapacitorless)1、电路组成及工作原理RLV1V2+VCC+ui+uoVEEui

>0V1导通V2截止iC1io

=iE1=iC1,uO

=iC1RLui

<0V2导通V1截止iC2io

=-iE2=-iC2,uO

=-iC2RL存在问题：当输入电压小于死区电压时，三极管截止，引起

交越失真。交越失真输入信号幅度越小失真越明显。ui

=0V1、V2截止iO二、消除交越失真的OCL电路的工作原理tiC0ICQ1ICQ2消除交越失真思路：消除交越失真的OCL电路RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiR3ui

=0，给T1、T2提供静态电压UB1、B2＝UD1＋UD2＋UR2UB1、B2略大于T1管发射结和T2管发射结开启电压之和，两管均处于微导通状态，即都有一个微小的基极电流，分别为IB1和IB2

。静态时应调节R1

，使UE为0,即u0为0。当ui

=0时，T1、T2微导通。当ui

＞0(至)，

T1

微导通充分导通微导通；T2微导通截止微导通。当ui

＜0(至)，

T2

微导通充分导通微导通；

T1微导通截止微导通。当输入信号为正弦交流电时T1和T2管在ui作用下输入特性中的图解分析二管导通的时间都比输入信号的半个周期更长，功放电路工作在甲乙类状态。当输入电压足够大，且又不产生饱和失真的图解分析OCL电路的图解分析图中I区为T1管的输出特性，II区为T2管的输出特性；二只管子的静态电流很小，可认为Q点在横轴上。Uop=VCC

–

UCES最大输出电压幅值最大不失真输出电压的有效值三、OCL功率放大电路的图解分析最大输出功率电源VCC提供的电流电源在负载获得最大交流功率时所消耗的平均功率等于其平均电流与电源电压之积。转换效率理想情况下，UCES可忽略；但大功率管UCES较大，不能忽略四、OCL电路中晶体管的选择1.最大管压降UCEmax=2VCC

2.集电极最大电流3.集电极最大功耗如何求PT的最大功率？RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiR3晶体管集电极最大功耗仅为最大输出功率的五分之一。在查阅手册选择晶体管时，应使极限参数UCEO＞2VCC

ICM＞VCC/RL

PCM＞0.2Pom

[例8.2.1]在图示电路中已知VCC

＝15V，输入电压为正弦波，晶体管的饱和管压降UCES

＝3V，电压放大倍数约为1，负载电阻RL

＝4欧，（1）求解负载上可能获得的最大功率和效率（2）若输入电压最大有效值为8V，则负载上能够获得的最大功率为多少。解（1）（2）因为UO≈Ui，所以UOm≈8V。最大输出功率RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiR3RLV1V2+VCC+ui+uoVEE1.输出功率最大不失真输出电压、电流幅度：最大输出功率最大输出功率2.电源功率PDC=IC1VCC+IC2VEE=2IC1VCC=2VCCUom/RL最大输出功率时：PDC=2V2CC/RLPDC=2V2CC/RL3.效率PDC=2VCCIcm/

实际约为60%最大输出功率时：【OCL电路小结】令则：时管耗最大，即：每只管子最大管耗为

0.2Pom5.选管原则PCM>0.2PomU(BR)CEO>2VCCICM>VCC/RLRLV1V2+VCC+ui+uoVEE4.管耗第3章放大电路基础例1

已知：VCC=VEE=24V，RL=8，忽略UCE(sat)

求Pom

以及此时的PDC、PC1，并选管。[解]PDC=2V2CC/RL=2242//(8)=45.9(W)=0.5(45.936)=4.9(W)U(BR)CEO>48VICM>24/8=3(A)可选：U(BR)CEO=60100VICM=5APCM=1015WRLV1V2+VCC+ui+uoVEE8.2.2甲乙类互补对称功率放大电路一、甲乙类双电源互补对称功率放大电路给V1、V2提供静态电压tiC0ICQ1ICQ2克服交越失真思路：电路：RLRV3V4V1V2+VCC+ui+uoVEEV5当ui

=0时，V1、V2微导通。当ui

<0(至)，V1

微导通充分导通微导通；V2微导通截止微导通。当ui

>0(至)，V2

微导通充分导通微导通；

V1微导通截止微导通。克服交越失真的电路V1V2V3V4实际电路V4RL+VCC+uoV1V2V3VEER*1R2R3R4V1V2V3R2R1RL+VCC+uoV1V2V3V4V5VEE+uiR二、复合管互补对称放大电路1.复合管(达林顿管)目的：实现管子参数的配对；提高电流放大倍数ib1(1+1)

ib1(1+1)(1+2)ib1=(1+1+2+12)ib1

1

2

rbe=rbe1+(1+1)rbe22(1+1)ib11ib1ibicie(1+2+12)ib1V1V2V1V2NPN+NPNNPNV1V2PNP+PNPPNPV1V2NPN+PNPNPNV1V2PNP+NPNPNP构成复合管的规则：1)B1为

B，C1或E1接B2

，C2、E2为

C或E；2)

应保证发射结正偏，集电结反偏；3)

复合管类型与第一只管子相同。V1V2练习：接有泻放电阻的复合管：V1V2ICEO12ICEO1R泻放电阻减小复合管总的穿透电流减小。V1、V3—NPNV2、V4—PNPR3、R5—穿透电流泄放电阻RE1、RE2—稳定“Q”、过流保护取值0.10.5V5V7、RP—克服交越失真R4—使V3、V4输入电阻平衡V8—构成前置电压放大RB1—引入负反馈，提高Q点稳定性。UEUB8IB8IC8UB3UE准互补对称电路2.复合管互补对称电路举例RLRPV4+VCCV5V1V2R2RB1RB2+uo+ui+++V6V7V8EUB3R1R5R3IC8RE1RE2R4V3UB8-VEE一、OTL乙类互补对称电路在输入信号的正半周，VT1

导通，iC1

流过负载；负半周，VT2导通，iC2

流过负载。在信号的整个周期都有电流流过负载，负载上iL

和uO

基本上是正弦波。存在的问题：交越失真交越失真8.2.3单电源互补对称功率放大电路1.工作原理—OTL电路(OutputTransformerless

)2.OTL乙类互补电路图解分析Icm1=Icm2

＝

Icm，Ucem1=Ucem2=Ucem，RLRBV4–VEE+VCCV5V1V2CERERB1RB2+uo+ui+++CE电容C的作用：1)充当VCC/2电源2)耦合交流信号当ui

=0时，1.电路结构二、OTL甲乙类互补对称电路RLRBV4–VEE+VCCV5V1V2CERERB1RB2+uo+ui+++CE当ui

=0时，当ui

>0时：V2导通，C放电，V2的等效电源电压0.5VCC。当ui

<

0时：V1导通，C充电，V1的等效电源电压

+0.5VCC。应用OCL电路有关公式时，要用VCC/2取代VCC。2.OTL电路工作原理存在的问题当ui为负半周最大值时，iC3最小，uB1接近于+UCC，此时希望T1在接近饱和状态工作，即uCE1≈UCES，故K点电位uK=+UCC-UCES≈+UCC。当ui为正半周最大值时，T1截止，T2接近饱和导电，uK=UCES≈0。当ui为负半周时，T1导电，使iB1增加，由于Rc3上的压降和uBE1的存在，当K点电位向+UCC接近时，使T1的基极电流iB1的增加受到限制，从而也限制了T1增加输向负载的电流解决方法自举电路当ui=0时，因此电容C3两端电压被充电到解决方法自举电路当ui=0时，因此电容C3两端电压被充电到解决方法自举电路当时间常数R3C3足够大时，uC3（电容C3两端电压）基本为常数（uC3≈UC3），是不随输入电压ui而改变。这样，当ui为负时，T1导电，uK将由向+UCC方向变化，考虑到随着K点电位uK升高，D点电位uD也自动升高。这样就会有足够的电流iB1，使T1充分导电，增加输出电压幅度，致使OCL电路和OTL电路的比较OCLOTL电源双电源单电源信号交、直流交流频率响应好fL

取决于输出耦合电容C电路结构较简单较复杂Pomax复习：1.功放电路的性能指标：

最大输出电压、最大输出功率和效率

2.功放电路的分类：

甲类、乙类、甲乙类、丙类和丁类变压器耦合、OTL、OCL3.OCL功放的性能指标：OTL互补对称放大电路

3.R8和R9

的作用?

1.R4、D1、D2的作用？

2.

T1和T3

、T2和T4

构成什么工作方式？思考

4.R6和R7

的作用?ui+UCCRLT1T2R3D1D2R1R4R6T3T4CL++_R2R5R7R9R8T5uo+_++OTL互补对称放大电路

(3)R8和R9

的作用?

(1)R4、D1、D2的作用？

(2)T1和T3

、T2和T4

构成什么工作方式？

(4)R6和R7

的作用?避免产生交越失真构成复合管引入电流负反馈，使电路工作稳定。分流T1、T2的ICEO，提高温度稳定性。ui+UCCRLT1T2R3D1D2R1R4R6T3T4CL++_R2R5R7R9R8T5uo+_++例1：乙类互补推挽功放电路如图所示。已知ui为正弦电压，RL=8W，要求最大输出功率为16W。假设功率管T1和T2特性对称，管子的饱和压降UCES=0。试求：（1）正、负电源VCC的最小值；（2）当输出功率最大时，电源供给的功率；（3）当输出功率最大时的输入电压的有效值。T1T2RL+VCCVCC__+uOui【练习题】[解]（1）由于电路的最大输出功率所以电源电压（2）当输出功率最大时，电源供给的功率T1T2RL+VCCVCC__+uOui（3）因为输出功率最大时，输出电压的幅值为所以输入电压的有效值为

T1T2RL+VCCVCC__+uOui8.2.4功率放大电路的组成一、为什么共射放大电路不宜用作功率放大电路共射放大电路输出功率和效率的图解分析直流电源提供的直流功率为ICQVCC即图中矩形ABCO的面积。集电极电阻RC的功率损耗为I2CQRC

即图中矩形QBCD的面积。晶体管集电极耗散功率为ICQUCEQ即图中矩形AQDO的面积。1.无输入信号作用时输出功率和效率的图解分析2.在输入信号为正弦波时，集电极电流也为正弦波直流电源提供的直流功率不变负载电阻RL上所获得的功率PO仅为P/Om的一部分。R/L(=RC//RL)上获得的最大交流功率P/Om为即图中三角形QDE的面积共射放大电路输出功率小，效率低（25℅），不宜作功放。二、变压器耦合功率放大电路传统的功放为变压器耦合式电路电源提供的功率为PV＝ICQVCC

，全部消耗在管子上。则可作出交流负载线

RL等效到原边的电阻为变压器原边线圈电阻可忽略不计，直流负载线垂直于横轴且过(VCC

，0)。在理想变压器的情况下，最大输出功率为即三角形QAB的面积在输入信号为正弦波时，集电极电流也为正弦波直流电源提供的功率不变电路的最大效率为:Pom/PV=50℅实用的变压器功率放大电路希望输入信号为零时，电源不提供功率，输入信号愈大，负载获得的功率也愈大，电源提供的功率也随之增大，从而提高效率。变压器耦合乙类推挽功率放大电路变压器耦合乙类推挽功率放大电路同类型管子在电路中交替导通的方式称为“推挽”工作方式。无输入信号，二管截止有输入信号，二管交替导通三、无输出变压器的功率电路OutputTransformerless

（OTL电路）用一个大容量电容取代了变压器(电容：几百~几千微法的电解电容器）OTL电路静态时：前级电路应使基极电位为VCC/2，发射结电位为VCC/2，故电容上的电压也VCC/2。单电源供电。T1和T2特性对称工作时：T1和T2轮流导通，电路为射极跟随状态。OTL工作在乙类工作状态，会出现交越失真。如何消除？四、无输出电容的功率放大电路

OutputCapacitorless（OCL电路）双电源供电,T1和T2特性对称OCL电路静态时:T1和T2均截止，输出电压为零。工作时:T1和T2交替工作，正、负电源交替供电，输出与输入之间双向跟随。不同类型的二只晶体管交替工作，且均组成射极输出形式的电路称为“互补”电路；二只管子的这种交替工作方式称为“互补”工作方式。五、桥式推挽功率放大电路

BalancedTransformerless（BTL电路）BTL电路单电源供电，四只管子特性对称静态时，四只晶体管均截止，输出电压为零。当ui>0时，T1和T4导通，T2和T3

截止，负载上获得正半周电压；当ui<0时，T2和T3导通，T1和T4

截止，负载上获得负半周电压。因而负载上获得交流功率工作时，8.3实际的功率放大电路