第四章功率放大电路

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第四章功率放大电路功率放大电路的特点与类型乙类双电源互补对称功率放大电路集成功率放大器例：扩音系统实际负载什么是功率放大器？

在电子系统中，模拟信号被放大后，往往要去推动一个实际的负载。如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率很大。能输出较大功率的放大器称为功率放大器功率放大电压放大信号提取

功率放大电路概述例：扩音系统执行机构功率放大器的作用：

用作放大电路的输出级，以驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。功率放大电压放大信号提取

概述

功率放大电路概述

功率放大电路的特点

功率放大器的主要任务是向负载提供较大的信号功率，故功率放大器应具有以下几个主要特点。1.

输出功率要足够大

如输入信号是某一频率的正弦信号，则输出功率的表达式为

Po=IoUo

改用振幅值表示为Po=

IomUom

2.

效率要高

功率放大器实质上是一个能量转换器，它是将电源供给的直流能量转换成交流信号的能量输送给负载，因此，要求转换效率高。

式中，Po为信号输出功率，PDC是直流电源向电路提供的功率。在直流电源提供相同直流功率的条件下，输出信号功率愈大，电路的效率愈高。3.

非线性失真要小

功率放大器是在大信号状态下工作，电压、电流摆动幅度很大，而且由于三极管是非线性器件，在大信号工作状态下，器件本身的非线性问题十分突出，因此，输出信号不可避免地会产生一定的非线性失真。在实际应用中，要采取措施减少失真，使之满足负载要求。4.

图解法进行估算

由于功放工作在大信号状态，实际上已不属于线性电路的范围，故不能用小信号微变电路的分析方法，通常采用图解法对其输出功率、效率等指标作粗略估算。设计功放电路应注意的问题(1)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:ICM

、UCEM

、

PCM

。ICMPCMUCEMIcuce工作区(2)电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。即动态范围要尽可能大。(3)电源提供的能量尽可能地转换给负载，以减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（）。Pomax

:负载上得到的交流信号功率。PE：电源提供的直流功率。

功率放大与电压放大的区别1.后者只能给出放大的电压，不能给出大电流，所以其功率输出并不大。而前者则既要输出大电压，又要输出大电流。2.两者都放大信号，但前者要输出大电流，所以对器件要求高，即耐压高，电流大，包括对三极管，电阻，电容等。3.后者对电源转换效率要求不高，因为输出功率较小，所以电源本身功耗不大，一般可以不考虑功率损耗。而前者对电源要求高，电路设计中要提高能量转换效率。尤其是便携式，移动式设备中对此要求更高。电压放大电路的要求三极管工作在放大状态主要讨论的是电压增益、输入和输出电阻等不失真功率放大的特殊要求

Pomax

大，三极管尽限工作=Pomax/PDC

要高非线性失真要小管耗尽可能小与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别ICUCEOQiCtOICUCEOQiCtOICUCEOQiCtO晶体管的工作状态甲类工作状态晶体管在输入信号的整个周期都导通静态IC较大，波形好,管耗大效率低。乙类工作状态晶体管只在输入信号的半个周期内导通，静态IC=0，波形严重失真,管耗小效率高。甲乙类工作状态晶体管导通的时间大于半个周期，静态IC0，一般功放常采用。

射极输出器的输出电阻低，带负载能力强，是否可以作功放呢？问题讨论RbuoUCCuiibRE射极输出器能否做功率放大？答：不合适，因为效率太低。uotuo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？问题讨论:ibuceQIcUCC/REUCCRbuoUCCuiRE射极输出器效率低的原因：一般射随静态工作点（Q）设置较高（靠近负载线的中部），信号波形正负半周均不失真。电路中存在的静态电流（ICQ），在晶体管和射极电阻中造成较大静态损耗，致使效率降低。设Q点正好在负载线中点，若忽略晶体管的饱和压降，则有：RbuoUCCuiRE考虑最理想的情况：设负载开路，此时输出电压最大；同时忽略管子压降。uotuoibQicuceUCC首先做负载线确定工作点Q注意是uo而不是uce忽略晶体管的饱和压降和截止区，输出信号uo的峰值最大只能为：QIcuCEUCC直流负载线UCEQ=0.5UCC

则静态工作点：

为得到较大的输出信号，假设将射极输出器的静态工作点（Q）设置在负载线的中部，令信号波形正负半周均不失真，如下图所示。再按照最理想情况：因负载开路，所以交直流负载线合一放大电路的Q设在负载线中间，输出无失真，称为甲类放大。1.直流电源输出的功率2.最大负载功率3.最大效率(RL开路时,最理想的情况)[IcQ=(UCC/2)/RL]如何解决效率低的问题？办法：减小静态损耗。即降低Q点位置。既降低Q点又不会引起截止失真的办法：采用推挽输出电路，或互补对称射极输出器缺点：会引起截止失真。变压器耦合推挽功率放大电路输入变压器：将输入信号分成两个大小相等相位相反的信号，分别送两个放大器的基极，使T1、T2轮流导通。输出变压器：将两个集电极输出信号合为一个信号，耦合到副边输出给负载。放大器：由两个共射极放大器组成，两个三极管的射极接在一起，–+++––UCCT1T2RLiLuiReRb2Rb1直流通道UCCT1T2RLiLuiReRb2Rb1UCCT1T2ReRb2Rb1变压器线圈对于直流相当于短路对于任何一个三极管都是静态工作点稳定的共射极放大器UCCT1ReRb2Rb1两个三极管的静态工作点都设在刚刚超过死区,IB很小,IC也很小,降低直流功耗。Q交流通道ib1ui>0ui<0ib2uiT2T1RLRe–++–+–+–++––ic1++––+–ic2+–输入信号正半周，T1导通，T2截止输入信号负半周，T2导通，T1截止USCT1T2RLiLuiReRb2Rb1

互补对称功放的类型无输出变压器形式（OTL电路）无输出电容形式（OCL电路）OTL:OutputTransformerLessOCL:OutputCapacitorLess互补对称：电路中采用两支晶体管，NPN、

PNP各一支；两管特性一致。类型：

互补对称功率放大电路无输出变压器的互补对称功放电路(OTL)1、特点1.单电源供电；2.输出加有大电容。2、静态分析则T1、T2特性对称，令：UCC/2RLuiT1T2+UCCCAUL+-UC3、动态分析若输出电容足够大，其上电压基本保持不变，则负载上得到的交流信号正负半周对称，但存在交越失真。ic1ic2交越失真（UC相当于电源）RLuiT1T2+USCCAUL+-时，T1导通、T2截止；时，T1截止、T2导通。设输入端在0.5USC直流电平基础上加入正弦信号4、输出功率及效率若忽略交越失真的影响，且ui幅度足够大。则：uLULmaxuitt实用OTL互补输出功放电路调节R,使静态UAQ=0.5UCCV1

、V2使b1和b2之间的电位差等于2个二极管正向压降，克服交越失真。Re1

、Re2：电阻值1~2，射极负反馈电阻，也起限流保护作用。V1V2ui+UCCRLV1V2V3CRBRe1Re2b1b2A

在图所示电路中，已知：RB1=22kΩ、RB2=47kΩ、RE1=24Ω、RE2=RE3=0.5Ω、R1=240Ω、RP=470Ω、RL=8Ω，V2为3DD01A、V3为3CD10A，V4、V5为2CP。试求：(1)最大输出功率；(2)若负载RL上的电流为iL=0.8sinωt（A）时的输出功率和输出电压幅值。(1)最大输出功率(2)输出功率输出电压幅值U

om=0.8

×8=6.4V解：例互补对称：电路中采用两个晶体管：NPN、PNP各一支；两管特性一致。对称电源：+UCC，-UCC

组成互补对称式射极输出器ui-UCCT1T2uo+UCCRLiLNPN型PNP型

乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL)(OCL—OutputCapacitorless)OCL互补对称功放电路电路的结构特点：ui-UCCV1V2uo+UCCRLiL1.由NPN型、PNP型三极管构成两个互补的射极输出器对接而成。2.双电源供电。3.输入输出端不加隔直电容。直接耦合。(c)由PNP管组成的射极输出器(a)基本互补对称电路(b)由NPN管组成的射极输出器两射极输出器组成的基本互补对称电路ic1（2）动态分析：ui

0VV1截止，V2导通ui>0VV1导通，V2截止iL=ic1

;ui-UCCV1V2uo+UCCRLiLiL=ic2V1、V2两个晶体管都只在半个周期内工作的方式，称为乙类放大。因此，不需要隔直电容。（1）静态分析：ui=0VV1、V2均不工作

uo=0Vic2工作原理（设ui为正弦波）交越失真

当输入信号ui为正弦波时，输出信号在过零前后出现的失真称为交越失真。

交越失真产生的原因由于晶体管特性存在非线性，

ui

<死区电压晶体管导通不好。交越失真采用各种电路以产生有不大的偏流，使静态工作点稍高于截止点，即工作于甲乙类状态。克服交越失真的措施uitOuotOui-USCT1T2uo+USCRLiL输入输入波形图uiuououo´交越失真死区电压乙类放大的输入输出波形关系:ui-UCCV1V2uo+UCCRLiL死区电压uiuou"ou´o

´tttt交越失真：输入信号ui在过零前后，输出信号出现的失真便为交越失真。交越失真ui-UCCV1V2uo+UCCRLiL(1)静态电流

ICQ、IBQ等于零；(2)每管导通时间等于半个周期；(3)存在交越失真。乙类放大的特点：（3）参数计算假设ui为正弦波且幅度足够大，V1、V2导通时均能饱和，此时输出达到最大值。ULmax负载上得到的最大功率为：iL-UCCRLuiV1V2UL+UCC若忽略晶体管的饱和压降，则负载（RL)上的电压和电流的最大幅值分别为：电源提供的直流平均功率计算：

每个电源中的电流为半个正弦波，其平均值为:两个电源提供的总功率为：UCC1=UCC2=UCCtic1效率为：结论：OCL电路效率较高；电流、电压波形存在失真。每只管子最大管耗为

0.2Pom功率三极的选管原则最大允许管耗:PCM>0.2Pom最大耐压值:U(BR)CEO>2VCC.最大集电极电流:

ICM>VCC/RLRLT1T2+VCC+ui+uoVEE例1

已知：VCC=VEE=24V，RL=8，忽略UCE(sat)

求Pom

以及此时的PDC、PT1，并选管。[解]PDC=2V2CC/RL=2242//(8)=45.9(W)RLT1T2+VCC+ui+uoVEE=0.5(45.936)=4.9(W)U(BR)CEO>48VICM>24/8=3(A)可选：U(BR)CEO=60100VICM=5APCM=1015W电路的改进1.克服交越失真交越失真产生的原因：在于晶体管特性存在非线性，ui

<uT时晶体管截止。iBiBuBEtuitUT克服交越失真的措施：R1V1V2R2+UCC-UCCULuiiLRLV1V2

静态时

V1、V2两管发射结电位分别为二极管V1、V2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态。

电路中增加R1、V1、V2、R2支路。0V+0.6V-0.6VR1V1V2R2+UCC-UCCULuiiLRLV1V2两管导通时间均比半个周期大一些的工作方式称为“甲乙类放大”。

动态时设ui加入正弦信号。正半周，VB上升，V2截止，V1基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；负半周，VB下降，V1截止，V2

基极电位进一步降低，进入良好的导通状态。从而克服死区电压的影响，去掉交越失真。BuB1tUTtiBIBQ甲乙类放大的波形关系：ICQiCuBEiBib特点：存在较小的静态电流ICQ、IBQ。每管导通时间大于半个周期，基本不失真。iCQuceUCC/REUCCIBQ

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T1、T2提供静态电压tiC0ICQ1ICQ2克服交越失真思路：电路：RLRD3D4T1T2+VCC+ui+uoVEET5利用二极管进行偏置的互补对称电路当ui=0时，T1、T2微导通。ic1=

ic2,v0=0当ui<0(至)，T2微导通

截止微导通。当ui>0(至)，T1微导通

截止微导通。T1

微导通

充分导通

微导通；T2

微导通

充分导通

微导通；

RLRD3D4T1T2+VCC+ui+uoVEET5克服交越失真的电路：R1D1D2R2

静态时:

T1、T2两管发射结电位分别为二极管D1、D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态；动态时：设ui加入正弦信号。正半周T2截止，T1基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；负半周T1截止，T2

基极电位进一步降低，进入良好的导通状态。+USC-USCULuiiLRLT1T2电路中增加R1、D1、D2、R2支路uB1tUTtiBIBQ波形关系：ICQiCuBEiBib特点：存在较小的静态电流ICQ、IBQ。每管导通时间大于半个周期，基本不失真。iCQuceUCC/REUCCIBQ为更换好地和T1、T2两发射结电位配合，克服交越失真电路中的D1、D2两二极管可以用UBE电压倍增电路替代。2.UBE电压倍增电路B1B2+-BER1R2UIBI

合理选择R1、R2大小，B1、B2间便可得到UBE任意倍数的电压。

图中B1、B2分别接T1、T2的基极。假设I>>IB，则3.电路中增加复合管增加复合管的目的：扩大电流的驱动能力。cbeT1T2ibicbecibic1

2晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。cbeT1T2ibicbecibic复合NPN型复合PNP型

电路中增加复合管增加复合管的目的是：扩大电流的驱动能力。复合管的构成方式：cbeV1V2ibicbecibic方式一：becibic1

2晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。方式二：cbeV1V2ibic复合管构成方式很多。不论哪种等效方式，等效后晶体管的性能确定均如下：改进后的OCL准互补输出功放电路：

T1：电压推动级

T2、R1、R2：

UBE倍增电路

T3、T4、T5、T6：复合管构成的输出级准互补

输出级中的T4、T6均为NPN型晶体管，两者特性容易对称。+UCC-UCCR1R2RLuiT1T2T3T4T5T6

如图所示，T3组成前置放大级，T2和T1组成互补对称电路输出级。静态时，通常K点电位VK=VC=VCC/2。为了提高电路工作点的稳定性能，常将K点通过电阻分压(R1,R2)与前置放大电路的输入端相连，以引入负反馈。其最终结果是使VK趋于稳定。R1,R2引入了交流负反馈，改善了性能指标。甲乙类单电源互补对称电路采用一个电源的互补对称电路的偏置T3

在上图中，假定由于温度的变化使VK，则

VKVB3B3C3VC3

VK

电路中电容C的作用：

a.假定信号的半周期中，T1+,T2-,C充电。

b.在信号的下一个周期中，T1-,T2+,VCC断，C放电。在图所示电路中，UCC1=UCC2=UCC=24V；RL=8Ω，试求：(1)当输入信号Ui=12V(有效值)时，电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率及效率。(2)输入信号增大至使管子在基本不失真情况下输出最大功率时，互补对称电路的输出功率、管耗、电源供给的功率及效率。(3)晶体管的极限参数。

例解:(1)在Ui=12V有效值时的幅值为：

Uim=

Ui≈17V，即Uom≈Uim

=17V。PV=PU–Po=32.5–18.1=14.4W(2)在最大输出功率时，最大输出电压为24V。PV=PU–Po=45.8-36=9.8W(此时两管的功耗并不是最大功耗)(3)晶体管的极限参数PCM≥0.2Pom=0.2×36=7.2W(每一管)U(BR)CEO≥2UCC=2×24=48V一、集成运放内部的功率放大器

三、LM384

集成功放及其应用二、LM386集成功放及其应用

第四章集成功率放大器集成功率放大器组成：前置级、中间级、输出级、偏置电路特点：输出功率大、效率高有过流、过压、过热保护一、集成运放内部的功率放大器T5T6RC3RE2RLRC4RE3T7T9T8T4R2R1T3R3RC1T1RC2T2-+RE4RE5T11T10+UCC-UEE第1级：差动放大器第2级：差动放大器第3级：单管放大器第4级：互补对称射极跟随器实际功放电路这里介绍一个实用的OCL准互补功放电路。其中主要环节有：(1)恒流源式差动放大输入级（T1、T2、T3）；(2)偏置电路（R1、D1、D2）；(3)恒流源负载（T5）；(4)OCL准互补功放输出级（T7、T8、T9、T10）；(5)负反馈电路（Rf、C1、Rb2构成交流电压串联负反馈）；(6)共射放大级（T4）；(7)校正环节（C5、R4）；(8)UBE倍增电路（T6、R2、R3）；(9)调整输出级工作点元件（Re7、Rc8、Re9、Re10）。+24VuiRLT7T8RC8-24VR2R3T6Rc1T1T2Rb1Rb2C1RfR1D1D2T3Re3T4Re4C2T5Re5C3C4T9T10Re10Re7Re9C5R4BX差动放大级反馈级偏置电路共射放大级UBE倍增电路恒流源负载准互补功放级保险管负载实用的OCL准互补功放电路：RC低通二、LM386集成功放及其应用1.典型应用参数：直流电源：412V额定功率：660mW带宽：300kHz输入阻抗：50k12348765引脚图2.内部电路1.8开路时，

Au=20(负反馈最强)1.8交流短路

Au=200(负反馈最弱)电压串联负反馈V1、V6：V3、V5：V2、V4：射级跟随器，高Ri双端输入单端输出差分电路恒流源负载V7~V12：功率放大电路V7为驱动级(I0为恒流源负载)V11、V12

用于消除交越失真V8、V10

构成PNP准互补对称

LM3861234785RPC1C2C3C4C5C610F36k10F100F220F0.1F810.047F+VCC6输出电容(OTL)频率补偿，抵消电感高频的不良影响防止自激等调节电压放大倍数3.典型应用电路三、集成功率放大器LM384特点：工作可靠、使用方便。只需在器件外部适当连线，即可向负载提供一定的功率。生产厂家：美国半导体器件公司电路形式：OTL输出功率：8负载上可得到5W功率电源电压：最大为28V集成功放LM384管脚说明:)123456789101112131414

--

电源端（Vcc）3、4、5、7--

接地端（GND）10、11、12--

接地端（GND）2、6--

输入端（一般2脚接地）

8--

输出端（经500电容接负载）1--

接旁路电容（5）9、13--

空脚（NC）集成功放LM384外部电路典型接法：500-+0.12.78146215Vccui8调节音量电源滤波电容外接旁路电容低通滤波,去除高频噪声输入信号输出耦合大电容1.功率管的工作类型类别特点Q点波形甲类无失真Q较高ICQ较大Q较高甲乙类有失真效率高ICQ小Q较低乙类失真大效率最高ICQ=0

Q最低tiCO

ICQiCO

ICQttiCO

ICQ2.OCL和OTL功放电路的特性OCLOTL优点缺点

主要公式结构简单，效率高，频率响应好，易集成结构简单，效率高，频率响应好，易集成，单电源双电源，电源利用率不高输出需大电容，电源利用率不高最大输出功率直流电源消耗功率效率最大管耗2.OCL和OTL功放电路的特性

集成功率放大器

内部设有静噪抑制电路，因而接通电源时爆破噪声很小。它具有电源电压范围宽，降压特性良好等优点，适用于各种收录机。主要参数为：电源9V、输出功率2.3W、输入阻抗20kΩ、电压增益68dB、谐波失真2%。1.音频集成功率放大器(1)SL4112SL4112引脚图SL4112应用电路

该集成功放接线简单，既可以接成OCL电路，又可以接成OTL电路，广泛应用于音响设备中。其内部设有短路保护电路，具有过热保护能力。主要参数为：电源6~18V、输出功率9W、输入阻抗5MΩ、电压增益30dB、谐波失真0.2%。(2)TDA2030TDA2030引脚图TDA2030应用电路2.

双音频集成功率放大器(1)BTL电路BTL功率放大器，其主要特点是在同样电源电压和负载电阻条件下，它可得到比OCL或OTL电路大几倍的输出功率。

BTL原理电路

静态时，电桥平衡，负载RL中无直流电流。动态时，桥臂对管轮流导通。在ui正半周，上正下负，V1、V4导通，V2、V3截止，流过负载RL的电流如图中实线所示；在ui负半周，上负下止，V1、V4截止，V2、V3导通，流过负载RL的电流如图中虚线所示。忽略饱和压降，则两个半周合成，在负载上可得到幅度为UCC的输出信号电压。(2)LM378

LM378的外形及管脚如图7.46所示。主要参数为：电源10~35V、输出功率4W/信道、输入电阻3kΩ、电压增益34dB、带宽50kHz。

LM378引脚图①反相立体声放大器简单反相立体声放大器②桥式结构单放大器BTL电路

TDA1519内部设有多种保护电路(负载开路、AC及DC对地短路等)，并有静噪控制及电源等待状态等功能。它在双声道工作时只要外接4只元件，BTL工作时只要外接1只元件，无需调整就能满意地工作。主要参数为：电源6~18V、输出功率5.5W(单声道，RL=4Ω)~22W(BTL，RL=4Ω)、电压增益40dB(立体声)~46dB(BTL)、谐波失真10%。(3)TDA1519TDA1519引脚图(a)立体声电路TDA1519典型应用

(b)

BTL电路TDA1519典型应用3.场输出集成功率放大器

场输出集成功率放大器是用于显示器、电视机场扫描电路的专用功率放大器，内部采用泵电源型OTL电路形式，封装一般为单列直插式。(1)泵电源电路

图所示为IX0640CE和外围元件组成的场输出电路。图中V4、V5、V6、V7及外接元件V8、C构成泵电源电路。

IX0640CE组成的场输电路IX0640CE引脚图

在场输出锯齿波正程期内，电源通过V8及V6对C充电，C两端电压很