模拟电子技术基础 第七章 功率放大电路-修改

第七章功率放大电路PowerAmplifiers本章内容1.功率放大电路的特点和分类2.乙类互补推挽功率放大电路3.交越失真本章要求1. 掌握功率放大器的分类及主要参数；2. 了解功率放大电路的静态工作点与输出功率、效率、非线性失真之间的关系；3. 掌握乙类互补对称功率放大电路的工作原理、主要参数计算、安全工作条件分析；4. 了解克服交越失真的偏置电路；功率放大电路的特点和分类DefinitionsandAmplifierTypes1.1功率放大电路概述1.2对功率放大电路的要求1.3功率放大电路的主要指标参数1.4功率放大器提高效率的主要途径1.1功率放大电路概述◆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。

功率放大器实质上是一种高效的能量变换和控制电路。1.1功率放大电路概述执行机构功率放大电压放大信号提取例1扩音系统1.1功率放大电路概述功率放大电路与电压放大电路的异同：相同点：均在输入信号作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率。不同点：性能要求和运用特性不同。(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

。ICMPCMUCEMIcuce1.1功率放大电路概述(2)电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。(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。PD：电源提供的直流功率。1.1功率放大电路概述(4)要考虑半导体三极管的散热问题。(5)在分析方法上，由于晶体管处于大信号下工作，故通常采用图解法。1.2对功率放大电路的要求1.安全:输出功率大，管子大信号极限条件下运用。

2.高效率:最大限度输出有用功率，减小功耗。输出功率越大，相应的动态电压电流越大，器件非线性特性引起的非线性失真也越大。除采用反馈技术外，还必须限制输出功率。3.失真小:1.3功率放大电路的主要指标参数最大输出功率电源输出功率管耗效率1.4功率放大器提高效率的主要途径减小管耗PC是提高效率的主要途径。假设集电极瞬时电流和电压分别为ic(t)

和uce(t)，则

PC为途径1：减小管子在信号周期内的导通时间，即增大ic(t)＝0

或uce(t)＝0

的时间。晶体管工作方式由甲类(A-class)→甲乙类(AB-class)→乙类(B-class)→丙类(C-class)转化。1.4功率放大器提高效率的主要途径甲类：功率管在一个周期内导通

(如小信号放大)。

乙类：功率管仅在半个周期内导通(如射随器“互补”工作)

。

甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通(交越失真)。丙类：功率管小于半个周期内导通。甲类乙类甲乙类丙类1.4功率放大器提高效率的主要途径途径2：使管子运用在开关状态(丁类(D-class))；它利用晶体管的高速开关特性和低的饱和压降的特点，其效率很高，理论上可达100%，实际可达90%。为提高集电极效率，管子的运用状态从甲类向乙类、丙类或开关工作的丁类转变。但随着效率的提高，集电极电流波形失真严重，为实现不失真放大，在电路中需采取特定措施。2.乙类互补推挽功率放大电路2.1OCL电路2.2OTL电路ClassBComplementarySymmetryPush-PullAmplifier乙类互补推挽功率放大电路

乙类工作时，为了在负载上合成完整的正弦波，一般采用两管轮流导通的推挽(Push-Pull)

电路。(1)实现方案一——变压器耦合乙类推挽功放乙类互补推挽功率放大电路(2)实现方案二——乙类互补对称式功放2.1OCL（OutputCapacitor-less）电路（1）电路特点（2）工作原理(忽略射结压降)vi(t)＞0

时，T1

管(NPN型)

导通，T2管(PNP型)

截止，ic1(≈ie1)

为正半周的半个正弦波；vi(t)＜0

时，T2

管导通，T1

管截止，ic2(≈ie2)为处于负半周的半个正弦波。通过RL

的电流，合成完整的正弦波。

2.1OCL（OutputCapacitor-less）电路2.1OCL（OutputCapacitor-less）电路（3）互补对称式功率放大器的性能分析①静态分析工作在乙类工作状态2.1OCL（OutputCapacitor-less）电路vi(t)负半周，T2导通，负载线是自Q2

点出发的直线，斜率为虽然集电极电流是半个正弦波，但集射极交流电压是完整正弦波。

vi(t)

正半周，T1导通，负载线是自Q1

点出发的直线，斜率为②动态分析2.1OCL（OutputCapacitor-less）电路③性能分析(忽略失真)①一般性能分析在0≤ωt≤

时，≤ωt≤2

时，ic1=0ic2=Icmsinωt

通过

RL的电流：电流2.1OCL（OutputCapacitor-less）电路相应的集射极间电压：电压UCE1=VCC–Ucemsin(ωt)UCE2=-VCC+Ucemsin(ωt)RL端的电压：uL=RLIcmsin(ωt)=Ucemsin(ωt)2.1OCL（OutputCapacitor-less）电路功率在RL

上输出的功率：PL=Po

=UcemIcm/2=I2cmRL/2正、负电源输出的总直流功率:2.1OCL（OutputCapacitor-less）电路令UCES=0，ICEO=0，则Ucem=VCC，Icm=VCC/RL②若充分激励（理想情况）相应输出功率Po和电源输出功率PD

达到最大，即比甲类高

效率2.1OCL（OutputCapacitor-less）电路③若激励不足（实际情况）Ucem减小，引入电源电压利用系数，表示Ucem的减小程度。

效率定义：ξ=

Ucem/VCC2.1OCL（OutputCapacitor-less）电路两管集电极管耗:分析：当输入激励由大减小，即减小时，Po、PD、η均单调减小，而PC1

和PC2

的变化非单调。 其值为:时最大，2.1OCL（OutputCapacitor-less）电路由增大VCC，减小

RL，且输入充分激励，输出功率将增大，但最后受到下列安全工作条件的限制：（4）管安全2.1OCL（OutputCapacitor-less）电路2.2OTL（OutputTransformer-less）电路①

单电源供电；

③

负载串接大容量隔直电容CL。VCC与两管串接，若两管特性配对。②输入信号直流偏置VI

=VCC/2

（1）电路特点2.2OTL（OutputTransformer-less）电路（2）工作原理该电路一般要求C的容量较大，因而电路的低频特性差。

输入电压的正半周：＋VCC→T1→C→RL→地

C充电。输入电压的负半周：

C

的“＋”→T2→地→RL→C“－”C放电。单电源供电电路等效为VCC/2和VCC/2的双电源供电电路。

总结：互补对称功放的类型总结：互补对称功放的类型双电源电路OCL电路单电源电路OTL电路3.实际问题3.1准互补推挽电路3.2交越失真AmplifierDistortion3.2功放的保护电路与激励电路互补对称推挽电路要求两只功率管特性配对，难以实现。

2.解决办法采用复合管取代互补管，构成准互补推挽电路。

3.1准互补推挽电路1.问题的提出3.1.1复合管结构两个晶体管构成复合结构，可增强晶体管的驱动能力和输入电阻晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。3.3.1复合管结构

其中，T1、T3

为小功率管，它们之间是互补的，T2、T4

为大功率管，它们是同型，便于特性配对，故称为准互补推挽电路。R1，R2(几百)——减小复合管的反向饱和电流。

3.3.2准互补推挽电路复合管T1、T2

等效为NPN型管，

复合管T3(PNP型)

与T4

等效为PNP型管

3.2功放的保护电路与激励电路

实际中，往往会发生异常情况。例如，负载短路，致使通过功率管的电流迅速增大，一旦超过极限参数，造成管子损坏。因此大功率功放，应设有:过流，过压、过热保护电路。4.6.1.过流保护电路

(1)保护电路T1、T2

为保护管，R1、R2

为过流取样电阻。

(2)保护原理

以保护管T1为例

正常时，VR1＜VBE1(on)，T1

截止，不起保护作用。异常时，VR1＞VBE1(on)，T1导通，分流T3

管的输入激励电流，限制T3管的输出电流，起到了限流保护作用。T2

对T4

的限流保护作用同上。

若要求功率管充分利用，输出最大信号功率，则RL

上的信号电压振幅达到接近电源电压(单电源时，接近VCC/2)。为此，要求输入激励级为互补功率管提供振幅接近电源电压的推动电压。原因： 互补推挽功率放大器中的功率管接成射极跟随器，电压增益小于1。3.2输入激励电路电路

T3—输入激励级

R—T3的负载影响输出信号电压振幅的因素

交流负载r≈R∥ri＜R，则交流负载线Ⅱ所示，T3

管的最大输出信号电压振幅受到截止失真的限制，其值小于VCC/2。

若使r＞R，则交流负载线Ⅲ所示，输出信号电压振幅不受截止失真限制，可接近VCC/2。

改进电路(1)电流源构成有源负载放大器，直流电阻小，交流电阻大。(2)采用自举电路

将R1R2

取代R

，接入大容量电容C2。作用：对交流近似短路，交流电位由O

经

C2

自举到C

点，即vC

vO。原理：由于互补输出级的电压增益接近于1，因而vB

vO

vC，通过R2的交流电流i0，因而从B点向虚线框看进去的交流电阻(vB/i)很大，趋于无穷，T3

的交流负载电阻便近似等于T1(或T2)

电路的输入电阻。3.3.1交越失真现象在零偏置情况下，考虑到导通电压的影响，输出电压波形在衔接处出现严重失真，称交越失真。交越失真uitOuotO3.3.2克服交越失真的基本途径在输入端为两管加合适的正偏电压，使其工作在甲乙类。

由传输特性图可见：只要VBB

取值合适，上下两路传输特性起始段的弯曲部分就可相互补偿，合成传输特性趋近于直线，在输入正弦电压激励下，得到不失真的输出电压。①二极管偏置电路

②VBE倍增电路由于二极管的正向交流结电阻很小，可认为交流短路，因此偏置电路不影响输入信号vi(t)

的传输。

3.2克服交越失真的基本途径(1)电路

直流：由T3、R1、R2

组成，且由电流源

IR

激励，为互补功率管T1、T2

提供偏置电压VBB。交流：T3、R1

构成电压负反馈电路，反馈电路的电阻很小，几乎不影响输入信号的传输。2.VBE倍增电路则：VBE3=VTln(IE3/IS)VTln(IR/IS)若T3

管的足够大，基极电流IB3

可忽略，则VBE3又是VBB通过R1在R2上的分压值，即偏置电路提供的偏置电压VBB是VBE3的倍增值，且其值受R1和R2

控制，故称为VBE倍增电路。(2)倍增原理I1<<IC3，且T1

和T2管的静态基极电流又可忽略

在图示电路中，已