第7章-功率放大电路

第7章功率放大电路7.1功率放大电路的特殊问题7.2乙类互补对称功率放大电路7.3甲乙类互补对称功率放大电路7.4集成功率放大电路本章学习目的和要求1.了解功率放大电路的工作特点；2.理解甲类、乙类和甲乙类三种功率放大电路的工作特点；3.理解乙类功率放大电路中交越失真产生的原因以及解决的方法；4.熟练掌握甲类、乙类功率放大器的输出功率、电源提供功率、三极管消耗功率、效率等参数的计算；5.了解常见的集成功率放大电路的各部分结构的工作原理，了解集成功放电路的应用。7.1功率放大电路的特殊问题7.1.1功率放大电路的特点与要求7.1.2甲类功率放大器的效率分析7.1.3提高功率放大电路效率的主要途径多级放大电路的输出级考虑的是在提升信号电流的同时，还要把信号尽可能多地输送到负载上。对于负载而言，需要的不仅仅是输出电压或者电流的大小，而是有一定的功率输出。这类用于向负载输出功率的放大电路称为功率放大电路。7.1.1功率放大电路的特点与要求(1)功率放大电路的主要特点

功率放大器的主要作用就是向负载输出大功率的信号，BJT既要输出大电压，又要输出大电流，接近于工作在极限状态，其重要的技术指标是最大输出功率。(2)要解决的问题提高效率输出效率η的定义为：

其中，Po为输出功率，PE为电源提供的功率。减小失真功率放大器运行在大信号状态下，BJT接近于极限工作状态，不可避免地会出现非线性失真。失真程度可以用非线性失真系数THD来衡量：

管子的保护功率放大器的设计和使用过程中，必须注意BJT的散热和保护问题。7.1.2甲类功率放大器的效率分析1.BJT的工作状态

在正弦信号的整个周期内，都有电流流过BJT，集电极电流ic的波形如图(c)所示。电路的静态工作点设置在图(d)的Q1点。这种情况下的BJT称为工作在甲类放大状态。图7.1.1放大电路中的三极管的三种工作状态BJT的四种工作状态

根据正弦信号整个周期内三极管的导通情况划分：乙类：导通角等于180°甲类：一个周期内均导通甲乙类：导通角大于180°丙类：导通角小于180°2.甲类功率放大器的静态功耗图7.1.2甲类单管放大器

3.甲类功率放大器的动态功耗

BJT的功耗为：

负载RL上的功耗为

电源提供的功率为

7.1.3提高功率放大电路效率的主要途径1.甲类功率放大器的效率

2.提高功率放大电路效率的主要途径甲类功率放大器效率低下的两个原因：输出功率小。静态功耗大因此，要提高输出效率，必须设法降低静态功耗。

7.2乙类互补对称功率放大电路（OCL电路）7.2.1电路组成和工作原理7.2.2分析计算7.2.3功率管的选择原则7.2.1电路组成和工作原理图7.2.1乙类OCL功率放大电路Tl和T2分别为NPN型管和PNP型管，两管的基极和发射极相互连接在一起，信号从基极输入，从发射极输出，RL为负载，整个电路采用正、负对称双电源供电。由于该电路没有采用输出电容，通常称为无输出电容互补对称功率放大电路，简称为OCL功率放大电路。图7.2.1乙类OCL功率放大电路静态时，三极管的发射结偏置电压均为0，基极和集电极电流也为0。因此，负载两端的输出电压为0。动态时，假定三极管为理想三极管：

可见，两个三极管在输入信号的正、负半个周期内轮流导通，组成互补推挽式电路，使负载得到一个完整的波形。这样既保证了三极管工作在乙类状态，又保证了输出得到完整的不失真波形。7.2.2分析计算图7.2.2乙类OCL功率放大电路的图解分析

1.输出功率

2.直流电源的供给功率

直流电源供给的最大功率为：

3.管耗由于Tl和T2一周期内分别导通半个周期，且电路对称。因此，只需要求出一个管子的管耗，即可得到电路的总管耗。

电路的总管耗为

4.效率OCL乙类功放的效率为：

这个结论是基于电路互补对称，三极管处于理想状态的假设，忽略了管子的饱和压降VCES，同时输入信号足够大，输出电压能够达到最大值的情况下得出的，实际的功率放大电路的效率是低于这一数值的。7.2.3功率管的选择原则图7.2.3由三极管极限参数限制的安全工作区

输入电压的正半周，Tl导通，T2截止，这时T2的集电极和发射极之间承受的反向压降为

则T2管承受的反向管压降达到最大为：

对求导，得

因此，选择功率放大电路的功率放大管时，功放管的极限参数必须满足：

当然，实际上在选择管子的额定功耗时，还需要留有裕量。7.3甲乙类互补对称功率放大电路7.3.1OCL甲乙类互补对称功率放大电路7.3.2OTL甲乙类互补对称功率放大电路7.3甲乙类互补对称功率放大电路1.乙类功率放大电路存在的问题——交越失真

如果考虑了三极管门坎电压，则当输入电压较小时，两个三极管均处于截止状态，三极管的集电极电流就基本上等于零，负载上无电流流过，此种情况下，负载两端的输出电压波形如图7.3.1所示。图7.3.1乙类功率放大电路中的交越失真

这种在两个三极管交替导通的时间段，出于输入电压太小，而导致两个三极管均处于截止状态，从而使负载上无输出电压而引起的输出波形的失真现象称为交越失真。图7.3.1乙类功率放大电路中的交越失真2.交越失真的解决方法——甲乙类功率放大电路

消除交越失真的方法在于给电路设置合适的静态工作点，使两只三极管静态时均工作在临界导通或者微导通状态，这样当输入信号比较小，即使是小于门坎电压，也能保证三极管立即进入导通状态，使负载RL上有电流流过，从而得到不失真的输出波形，此时，两个三极管全部工作于甲乙类工作状态。7.3.1OCL甲乙类互补对称功率放大电路图7.3.2甲乙类OCL功率放大电路图中T3是前置放大级。T1和T2组成互补输出级。静态时，二极管Dl、D2上产生的压降为T1和T2两管基极-射极之间提供了一个适当的偏置电压，此电压略大于T1管发射结和T2管发射结门坎电压之和，从而保证了两只管子在静态时均处于微导通状态，即都有一个微小的基极电流。

图7.3.2甲乙类OCL功率放大电路

图7.3.2甲乙类OCL功率放大电路

该电路在输入信号的正半周主要是T1管发射极驱动负载，而负半周主要是T2管发射极驱动负载，但两管的导通时间都比输入信号的半个周期长，三极管工作在甲乙类状态。

电路克服了乙类OCL功率放大电路中的交越失真，最终得到的负载电流和电压波形更接近理想的正弦波。这种电路由于三极管工作在甲乙类状态，所以称为甲乙类OCL功率放大电路。OCL功率放大电路是双电源供电的，下面再来讨论一类由单电源供电的功率放大电路。

这类电路中输出信号通过电容与负载耦合，而不采用双电源供电的直接耦合方式，也不采用输出变压器耦合方式，所以这种电路通常称为无输出变压器互补对称功率放大电路，简称为OTL(outputtransformerless)功率放大电路。7.3.2OTL甲乙类互补对称功率放大电路7.3.2OTL甲乙类互补对称功率放大电路图7.3.3甲乙类OTL功率放大电路

图7.3.3甲乙类OTL功率放大电路

7.4集成功率放大电路7.4.1集成功率放大电路的分析集成功率放大电路一般由前置级、中间级、输出级和偏置电路等组成，具有体积小、重量轻、调试简单、效率高、失真小和使用方便等优点。集成功率放大电路以用途区分，分为通用型功放和专用型功放；以芯片内部构成区分，分为单通道功放和双通道功放；以输出功率区分，分为小功率功放和大功率功放。集成功放使用时不能超过规定的极限参数，主要有功耗和最大允许电源电压。7.4.2集成功率放大电路的主要性能指标

集成功率放大电路的主要性能指标除最大输出功率外，还有电源电压范围、电源静态电流、电压增益、频带宽度、输入阻抗、输入偏置电流、总谐波失真等。1.输入偏置电流：集成功放输入电压为零时，两个输入端静态电流的平均值定义为输入偏置电流。2.总谐波失真：是指用信号源输入时，输出信号(谐波及其倍频成分)比输入信号多出的额外谐波成分，通常用百分数来表示。7.4.3集成音频功率放大电路TDA2030A及其应用1.TDA2030A集成功率放大器简介5个引脚：1脚为同相输入端、2脚为反相输入端、3脚为负电源端、4脚为输出端、5脚为正电源端。2.TDA2030A集成功放的典型应用

双电源采用初级线圈中间点接地、上下电压对称相等的变压器，经过整流滤波后构成±18V的双电源，输出功率为20W。输出端的RC串联网络为高频校正网络，用来抑制高频自激振荡；两个二极管D1、D2为外接保护电路，用来泄放负载RL上的自感电压；电源接入口所连接的并联电容组合用于消除电源的高频干扰。(2)单电源应用电路图7.4.3TDA2030单电源功放电路

本章小结1.功率放大电路在大信号条件下工作，通常采用图解法进行分析，研究的重点是如何在非线性失真允许的范围内，尽可能提高输出功率和效率。2.互补对称功率放大电路是本章重点。与甲类放大电路相比，乙类功率放大电路的主要优点是效率高，理想情况下，最高可达78.5％。但由于三极管的输入特性存在门坎电压，工作在乙类的互补对称电路将出现交越失真，克服交越失真的方法是采用甲乙类互补对称电路。

3.在单电源互补对称电路中，计算输出