第5章功率放大电路

第5章功率放大电路基本要求了解功率放大电路的特殊问题--效率和失真的问题和解决这类问题的方法；掌握乙类功放的工作原理和功率参数计算及存在的问题以及甲乙类功放电路的构成；了解集成功放及其应用主要内容5.1功率放大电路的一般性问题5.2乙类双电源互补功率放大电路5.3甲乙类互补功率放大电路5.4集成功放5.1功率放大电路的特殊问题

功率放大电路一般在多级放大电路的输出级，主要作用是在不失真或轻微失真的前提下，尽可能地对功率进行放大，以推动负载如扬声器发声、电机旋转、继电器动作、指示仪表偏转等。5.1.1对功率放大电路的特点和要求功率放大电路是一种以输出较大功率为目的放大电路。为了获得大的输出功率，必须使输出信号电压大；输出信号电流大；放大电路的输出电阻与负载匹配1.功率放大器与电压放大器的区别：电压放大器要求负载得到不失真的电压信号；功率放大器则要求获得足够的不失真的输出功率功率放大电路必须考虑效率问题。为了降低静态时的工作电流，三极管从甲类工作状态改为乙类或甲乙类工作状态。此时虽降低了静态工作电流，但又产生了失真问题。如果不能解决乙类状态下的失真问题，乙类工作状态在功率放大电路中就不能采用。推挽电路和互补对称电路较好地解决了乙类工作状态下的失真问题。2.功率放大器的特殊问题(1)要求输出功率尽可能大：放大器件工作在极限状态；(2)要求效率高：需要考虑减小功耗，提高电源转换效率；(3)非线性失真要小。减小非线性失真与增大输出功率是功率放大器的一对矛盾。(4)解决功放器件的散热问题。3．低频功率放大器的特点(1)要有尽可能大的输出功率；(2)效率要高；(3)非线性失真要小(4)考虑放大器件的安全,要加装散热和保护装置(5)放大器件在大信号条件下工作,采用图解法分析5.1.2提高功率放大电路效率的主要途径

由为了提高效率、降低损耗，应从两方面考虑：一是增加放大电路的动态工作范围来增加输出功率；二是减少电源供给的功率，即在UCC一定时使静态电流IC减小，也就是将静态工作点沿交流负载线下移可知：功率放大器提高输出功率的途径：减小放大管的集电极损耗！1．工作状态分类根据晶体管的静态工作点的位置不同分为(1)甲类放大电路uCEiC0QAiC1ICQωt=2

02集电极电流波形静态工作点位置特点:a.静态功耗大b.能量转换效率低c.放大管的导通角θ=2π静态工作点Q在交流负载线的中间，如图所示。(2)乙类放大电路uCEiC0QAωtiC2π2π=π03π静态工作点位置集电极电流波形特点a.静态功耗b.能量转换效率高c.输出失真大d.放大管的导通角θ=π静态工作点在截止区，如图5.1.3所示，静态集电极电流为零，无静态功耗，但输出波形严重失真。(3)甲乙类放大电路uCEiC0QAiC3π2π03πICQπ<θ<2π静态工作点位置集电极电流波形特点a.静态功耗较小(直流ICQ很小）；b.能量转换效率较高c.输出失真比较大d.放大管的导通角π<θ<2π静态工作点Q靠近截止区的放大区处，如图所示三类功放电路输出集电极电流波形的比较：甲类：三极管(=)360°导电；甲乙类：三极管(=)180°～360°导电乙类：三极管(=)180°导电5.2乙类互补对称功率放大电路

5.2.1无输出电容的双电源互补对称功率放大电路（OCL）

图5-2a所示为无输出电容(OCL)乙类双电源互补对称功率放大电路原理图。T1为NPN管，T2为PNP管，且特性一致。注意;由于没有设置基极偏置电压，故两管的IB、IC、UCE均为零，是乙类工作状态。从电路形式看，两个三极管都接成射极输出器的形式，uo=ui，输入电阻高，输出电阻低的特点当ui为正弦信号正半波时，T1导通、T2截止，流过的电流为ic1，uo=ui

。当ui为负半波时，T2导通、T1截止，流过的电流为ic2，由于T1、T2对称，ic2=ic1

，uo=ui，这样在负载两端合成的是完整的正弦波。

电路特点：(1)晶体管T1、T2特性对称(2)电源对称(3)T1、T2射极输出工作原理设ui=Uimsinta.当ui=0时（静态）uo=0此时T1、T2截止静态功耗为零b.ui>0时T1导通，T2截止电流io方向输入信号uiuo≈uic.ui<0时T2导通，T1截止电流io方向输入信号uiuo≈ui负载的波形如图5-2b图5-2乙类双电源功率放大电路输出幅值为

T1通T2通输出电压的峰-峰值为：Uopp=2(UCC

–

UCES)图5-3乙类双电源功放路解分析的波形图图5-3为采用图解法分析的双电源OCL功放电路的波形图。由于输出最大不失真幅度为

5.2.2功率参数分析1.输出功率由图5-2a可知故最大不失真输出功率为：(忽略管子的饱和压降

)故2.管耗管耗是指流过每只功率管瞬时电流ic与管压降uCE的乘积在一个周期内的平均值。由于每只管子各导通半周，故有在理想情况下（即无静态电流，忽略管子饱和压降），当无输出功率时，即Uom=0，管耗PT1=0；当输出电压最大幅值为电源电压时，即Uom（max）=UCC时，此时单管的管耗为这是不是最大的管耗呢？两管总损耗令求管耗的极值：则当其最大值为管耗最大（不是出现在UCC处）3.直流电源提供的功率直流电流提供的功率一部分消耗在管子上，一部分提供给负载，故两个电源供给的总电源功率式中为电源在一个周期内提供的平均电流。由上式可以看出，输出电压越大，电源供给的功率越大。当输出为最大幅度UCC时，电源输出的功率为4.效率功率放大电路的效率是输出功率和电源供给功率之比。即上式可见，输出信号越大，效率越高时，效率最大，为当5功率管的选择由以上的计算可知，若想得到最大功率，每只管子的参数必须满足下列条件：（1）每只管子的最大允许管耗PCM必须大于

（2）当T2导通时，uCE2≈0，此时uCE1=2UCC为最大值，应选用｜U（BR）CEO｜>2UCC的管子。

（3）通过管子的最大集电极电流为UCC/RL,，所选管子的ICM不宜低于此值5.2.3单电源互补对称功率放大电路（OTL）

图5-4所示为单电源无输出变压器互补对称功率放大电路的原理图，它利用电容的存贮电能的作用代替了负电源。在静态时，A点的电位为，耦合电容CL上的电压为UCC/2。为保证正常工作，输入端的直流电位也应为UCC/2，T1、T2管工作于乙类状态电容C起负电源–UCC的作用当T1导通时，电容被充电，其上电压为UCC/2；当T2导通时，代替电源向供电。在整个放大过程中，A点电压不能下降过多。因此的容量必须足够大。对交流输入信号而言，输出耦合电容的容抗和电源内阻均忽略不计，交流通路和5-2a的相同。当ui为正半波时，T1、T2基极电位高于A点电位，故T1导通、T2截止，负载上得到与相同的正半周电压。当ui为负半波时，T1、T2基极电位低于A点电位，故T1导通、T2截止，负载同样也得到和相同的负半周电压。这样，在上得到一个合成的正弦电流及电压。波形与图5-2b相同。5.3甲乙类互补对称功率放大电路

5.3.1乙类功放的交越失真

a.产生失真的原因b.失真的现象当ui小于晶体管的死区电压时，T1、T2都截止。输出电流出现一段“死区”图5-2(a)乙类OCL功率放大电路这是由于晶体管存在死区电压。0tiCiBuBE0uit0交越失真在两个管子交替工作区域出现的失真称为交越失真输入信号输出信号交越失真的产生图5-5乙类功放电路的交越失真5.3.2消除交越失真的常用方法给功率管（T1和T2）一定的直流偏置，使其工作于微导通状态，即甲乙类工作状态。(1)甲乙类互补推挽电路a.利用二极管提供偏压二极管提供偏压，使T1、T2呈微导通状态电路如图5-6所示b.利用扩大电路实现偏置如图5-6所示，其中：图5-6(b)图5-6的改进电路则其中UBE3

可以看成是一定值，则当改变R3和R4的比值时，即可改变T1、T2管的偏置电压，也就是改变静态工作点的位置。5.3.3具有推动级的单电源甲乙类互补对称（OTL）功率放大电路

图5-7所示是有推动级的单电源互补对称（OTL）功率放大电路。其中：T3是工作于甲类状态的推动管，R1、R2、RW1是它的分压式偏置电路，调节RW1可改变IC3的数值。R3、R4既是T3的集电极电阻，又是T1、T2的偏置电阻，使T1、T2工作于甲乙类状态，避免交越失真。R4、D1、D2上并联旁路电容C2的目的，是在动态时保证T1、T2的基极交流电位相等，否则将会造成输出波形的正负半波不对称。

Re1、Re2分别为T1、T2的发射极反馈电阻，稳定T1、T2的射极电流，从而达到稳定输出电压的目的。T3的偏置电阻不接电源而接A点，是为了稳定A点的电位，使其在稳定在UCC/2，实际上是引入电压负反馈。其稳定过程如下5.3.4采用复合管的单电源甲乙类准互补对称（OTL）功率放大电路图5-8所示为采用复合管的单电源甲乙类OTL电路由于单管NPN和PNP特性很难匹配，而采用复合管则可以解决这个问题。其中T1和T4构成NPN管，T2和T5构成PNP管。T4和T5为NPN管，易于匹配；T1和T2虽为不同类型，但功率小，故容易相配。另外复合管还有放大倍数高、输入电阻高和输出电阻低的特点，故整个电路的带负载能力增强其中R3和R构成了自举电路，以提高输出电压的幅度。静态时，ui=0，此时电容C3两端的电压为若C和R足够大，C3两端的电压近似不变。且则当ui负半周时，T1导通，CL充电，UCL↑。有即通过电容的电压将D点的电位抬高，这样T1有足够的基极电流i1，使得T1能接近饱和导通。这种电路本身的作用称为自举。5.4集成功率放大器及其应用（自学）1.电路组成2.电路的闭环电压增益Auf≈－R2/R1·图5-9由集成运放构成的功率放大电路