chapter-4功率放大电路

第四章功率放大电路

教学内容：本章以分析功率放大电路的输出功率、效率和非线性失真之间的矛盾为主线，逐步提出解决矛盾的措施。在电路方面，以互补对称功率放大电路为重点进行较详细的分析计算。

内容教学要求熟练掌握正确理解一般了解功率放大电路的特点和分类

√互补推挽功率放大电路乙类互补推挽功率放大电路的工作原理及主要性能指标计算√

甲乙类互补推挽功率放大电路工作原理

√

单电源功率放大电路工作原理

√

1．熟练掌握如何解决输出功率、效率和非线性失真三者之间的矛盾；2．要熟练掌握乙类互补对称功率放大电路的组成、分析计算和功率BJT的选择；3．正确理解甲乙互补对称功放电路的工作原理及计算。教学要求：什么是功率放大器？功率放大器实质上是一种高效的能量变换和控制电路。例：扩音系统实际负载功率放大电压放大信号提取

4.1功率放大电路概述与其它放大器相比

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。

4.1.1对功率放大电路的主要要求：1.安全。

2.高效率。 输出功率大，管子大信号极限 条件下运用。

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，器件特性非线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。最大输出功率电源输出功率管耗效率4.1.2功率放大电路的主要指标参数甲类：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。

甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通。丙类：功率管小于半个周期内导通。由于静态工作点Q不同，根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同，功率管运用状态可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等多种。甲类乙类甲乙类丙类4.1.3静态工作Q对放大器工作状态的影响减小管耗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

和

vCE，则PC

为途径1：由甲类→甲乙类→乙类→丙类，减小管子在信号周期内的导通时间，即增大iC

＝0

的时间。4.1.4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)；管子在半个周期内饱和导通，另半个周期内截止。饱和导通时，vCE≈vCES

很小，因此导通的半个周期内，瞬时管耗iC×vCE

处在很小的值上。截止时，不论vCE

为何值，iC

趋于0，iC×vCE

也处在零值附近。结果PC

很小，ηC显著增大。总结：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。功率管是功率放大电路的关键器件，如何选择功率管的运用状态，并保证它们安全工作是需要共同解决的问题。为此，必须首先了解功率器件的极限参数及安全工作区。(1)

集电极最大允许管耗PCM。还与散热条件密切相关(2)

集电极击穿电压V(BR)CEO(3)

集电极最大允许电流ICM

4.1.5功率器件

在放大原理上，功率放大器与其它放大器一样，都是能量转换器，但是，由于要求不同，因而在电路组成和运用特性上，功率放大器却有不同的特点。

图(a)

为放大器的基本电路，现将其作为功率放大器来分析它的功率性能。由此提示功率放大电路组成及其工作性能上的特点。4.2功率放大器的电路组成和工作特性4.2.1功放电路的特点

功率放大器为大信号放大器，进行分析时，功率器件必须采用一般模型(大信号模型)。工程上，采用较多的是特性曲线上作负载线的图解分析法。1.静态工作点的选择：为了使电路在管子不出现饱和、截止失真的条件下，输出功率最大，即输出电压和电流均达到最大幅值，需要把工作点Q选在负载线的中点。即

2.集电级输出电压和电流

(假设VCES

和ICEO

为0)其中，PL

和PC

均由直流和交流两部分合成。例如：PL中直流功率

交流功率

3.

电源提供的直流功率PD、负载功率

PL、集电极耗散功率PC

甲类功放的ηCmax

仅为25%，PD

中仅有1/4转换为有用的输出信号功率，其余均被浪费。其中，一部分耗散在管子中，大部分

(PL

中直流功率PD/2)

消耗在RL上。提高ηCmax

的办法：①

合理选择管子的运用状态(乙类或甲乙类)减小管子消耗功率。②

在管外电路中，采用不消耗直流功率的电路结构，消除RL

上消耗的直流功率。4.讨论：(1)电路组成否则，RL

的减小不会增大输出电流，反而会因减小集电极电压振幅而使Po

减小，还会因ICQ增大而使PD

增大，结果使η

降低。当VCC

一定、Q

在负载线中点时，Vcm(≈VCC/2)被限定。要提高输出信号功率，就必须减小RL，才能增大

Icm。但，在减小RL

时，还必须同时增大激励电流。充分激励时RL变化对功率性能的影响(2)工作特性总之，在功率放大器中，要高效率地提升Po，必须减小RL，同时相应增大输入激励电流。充分激励：与RL

相匹配不出现非线性失真的最大输入激励。匹配负载：能使Q处于交流负载线中点的负载。5.结论(1)功放在电路组成上，必须采用避免管外电路中无谓消耗直流功率的电路结构。(2)

在工作特性上，输出负载，输入激励和静态工作点相互牵制，要高效率输出所需信号功率，三者必须有一个最佳配置。(1)

输入端：

RB——偏置电阻CB——旁路电容Tr1——耦合变压器(2)

输出端：

Tr2——耦合变压器，对交流，Tr2起阻抗变换作用，

4.2.2甲类、乙类功放的电路组成及功率性能一、甲类变压器耦合功放1.电路(1)

静态分析直流负载方程：

（直线：EF）mAQ输入回路方程2.电路分析(2)

动态分析交流负载线方程：又：

则：交流负载方程可改写为

上式表明，当，它在两坐标轴上的截距：

相应画出交流负载线是一条通过Q点的直线MN，斜率为。

当输入充分激励，Q

处在负载线中点时，忽略非线性失真，且

,则相应的集电极电压和电流分别为：其中:(3)功率性能与放大器的基本电路相比，在匹配负载时，电压信号幅值Vcm

由VCC/2，增加到VCC，若呈现在集电极上的负载相等，则输出信号功率增大四倍。根据上述关系求得加在集电极上的最大电压:通过集电极的最大电流:当Po=0时，PD全部消耗在管子中，因而消耗在集电极上的最大功率。

采用变压器耦合，ηmax

将由0.25

增大到0.5，即PD

的一半转换为Po。

若

Q处于交流负载线的中点，且充分激励的条件下，增大VCC，或减小R’L

，Po均将增大，但最后受安全工作条件的限制。(4)管安全又因为：

上述安全工作条件又可用Pomax

表示为：Pomax

取较小的值。所以保证管子安全工作的条件为：

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

电路。可有多种实现方案：(1)

变压器耦合乙类推挽功放(2)

互补推挽功放二、乙类推挽功率放大器(1)电路结构

Tr1——输入变压器，利用次级绕组的中心抽头将vi(t)

分成两个幅值相等，极性相反的激励电压，分别加在两管的基射极之间，实现两管轮流导通。

1.变压器耦合功放

Tr2——输出变压器，隔断iC1

和iC2中的平均分量，并利用初级绕组的中心抽头将iC1

和iC2

中的基波分量在RL

中叠加，输出正弦波。

T1

和T2——特性配对、相同导电类型的

NPN

功率管(2)

工作原理(忽略射结导通压降)vi1(t)＞0

时，vi2(t)＜0，T1

管导通，T2

管截止，ic1

处于正半周的半个正弦波；

vi2(t)＞0

时，vi1(t)＜0，T2管导通，T1

管截止，ic2处于负半周的半个正弦波。iC1和iC2

中的基波分量在RL

中叠加，输出正弦波。

优点：可实现阻抗变换。缺点：体积大、效率低、低频和高频特性较差。(1)

电路特点T1

与T2—功率管互补对称(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.互补推挽电路(OCL)Outputcapacitor-less小结：上述功率放大器，为实现器件轮流导通：乙类功放电路输入激励信号功率管管型管外电路变压器耦合乙类功率放大器极性相反对管，管型相同均避免了直流功率的损失互补推挽乙类功率放大器极性相同对管，管型不同静态工作点：

3.乙类推挽功率放大器的性能分析

(1)推挽电路的组合特性

vi(t)负半周，T2导通，负载线是自Q点出发，斜率为的直线AQ

。

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Q

点出发，斜率为的直线AQ；

①一般性能分析在0≤ωt≤

时，

≤ωt≤2时，iC1=0iC2=Icmsinωt

相应的集射极间电压：VCE2=-

VCC+VcmsinωtVCE1=VCC

-

Vcmsinωt(2)性能分析(忽略失真)通过RL

的电流：

相应产生的电压：

RL上的输出功率：PL=Po=VcmIcm/2=I2cmRL/2

正负电源总的直流功率：

PD=PD1＋PD2=2VCCI平均=2VCCIcm/令VCES=0，ICEO=0，则Vcm=VCC，Icm=VCC/RL②若充分激励相应输出功率Po和电源输出功率PD达到最大，即

比甲类高

③若激励不足Vcm减小，引入电源电压利用系数

，表示Vcm的减小程度

定义=Vcm/VCC

两管集电极管耗:其值为: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 时最大，(3)管安全由

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：<<PC1max=PC2max=0.2Pomax<PCM或

取其中的小值4.3.1乙类互补推挽功率放大电路在构成乙类互补推挽功率放大器实际电路时，必须考虑偏置，功率配对和保护等问题。一、交越失真和偏置电路4.3乙类推挽功率放大电路在零偏置情况下，考虑到导通电压的影响，输出电压波形在在衔接处出现严重失真，称交越失真。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。(2)克服交越失真的基本途径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。

在集成电路中偏置二极管会由三极管取代。(3)常用电路1.二极管偏置电路(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温度升高时，VBE3，VBB

,阻止了功率管ICQ的增加。是具有热补偿作用的高热稳定性偏置电路。

(3).热补偿

二、单电源供电的互补推挽电路(OTL)

Outputtransformerless

(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，则VO=VCC/2由输入端的直流工作点提供，CL

实际上等效为电压等于VCC/2

的直流电源。1.电路特点(2)

输入信号直流偏置VI

=VCC/2

2.

工作原理

T1

管的直流供电电压：VCC

VO＝VCC/2，T2

的供电电压：

0

VO＝VCC/2。单电源供电电路等效为VCC/2和VCC/2

的双电源供电电路。

互补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.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

三、准互补推挽电路

1.问题的提出

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。

四、保护电路 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。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。五、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。总结：互补对称功放的类型互补对称功放的类型

双电源电路OCL电路单电源电路OTL电路例： 在图示电路中，已知二极管的导通电压UD＝0.7V，晶体管导通时的│UBE│＝0.7V，T2和T4管发射极静态电位UEQ＝0V。试问：（2）设R2＝10kΩ，R3＝100Ω。若T1和T3管基极的静态电流可忽略不计，则T5管集电极静态电流为多少？

（1）T1、T3和T5管基极的静态电位各为多少？（3）若静态时iB1＞iB3，则应调节哪个参数可使iB1＝iB2？如何调节？（4）电路中二极管的个数可以是1、2、3、4吗？你认为哪个最合适？为什么？（5）已知T2和T4管的饱和管压降│UCES│＝2V，静态时电源电流可忽略不计。试问负载上可能获得的最大输出功率Pom和效率η各为多少？解：（1）T1、T3和T5管基极的静态电位分别为

UB1＝1.4VUB3＝－0.7VUB5＝－17.3V

（2）静态时T5管集电极电流为（3）若静态时iB1＞iB3，则应增大R3。（4）采用如图所示两只二极管加一个小阻值电阻合适，也可只用三只二极管。这样一方面可使输出级晶体管工作在临界导通状态，可以消除交越失真；另一方面在交流通路中，D1和D2管之间的动态电阻又比较小，可忽略不计，从而减小交流信号的损失。（5）最大输出功率和效率分别为当ui<0时，VT2和VT3管导通，VT1和VT4管截止，电流如图中虚线所示，负载上获得负半周电压。图中四只晶体管特性对称，静态时均处于截止状态，负载上电压为零。当ui>0时，VT1和VT4管导通，VT2和VT3管截止，电流如图中实线所示，负载上获得正半周电压；4.3.2桥式推挽功率放大电路(BTL) Bridge-TiedLoad桥式推挽功率放大电路(BTL)所用的管子数量最多，难于做到四只管子的特性理想对称；且管子的总损耗大，必然使转换效率降低；电路的输入、输出均无接地点，因此有些场合不适用。LM386是一种音频集成功放，具有自身功率低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点。4.4集成功率放大电路4.4.1集成功率放大器LM386简介1.典型应