第五章功率放大电路

5功率放大电路

单级电压放大电路存在的问题，多极放大电路的末级或末前级设置功率放大电路原因：UOIOPO

能量不一定足够大

功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。它一般直接驱动负载，带负载能力强。5.1

功率放大电路的一般问题（特点及分类）说明：功率与电压放大电路的区别

（1）本质相同放大电路中，输出到负载上的电量都同时存在输出电压、电流和功率，但在不同场合及不同要求下须强调的输出量不同。电压放大电路或电流放大电路主要用于增强电压幅度或电流幅度。功率放大电路主要输出较大的功率。但无论哪种放大电路，从能量控制的观点来看，放大电路实质上都是能量转换电路。因此，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。均是利用T的电流放大作用，工作在放大区内，使信号放大。称呼上的区别只不过是强调的输出量不同而已。（2）任务不同电压放大电路主要任务是使负载得到不失真的电压信号。输出的功率并不一定大。在小信号状态下工作。功率放大电路主要任务是使负载得到不失真（或失真较小）的输出功率。在大信号状态下工作。（3）指标不同电压放大电路主要指标是电压增益、输入和输出阻抗.

功率放大电路主要指标是功率、效率、非线性失真。（4）电路的分析方法不同电压放大电路：图解法、微变等效电路法功率放大电路：图解法一.功率放大电路的特殊问题

1功率要大

2效率要高

3失真要小

4散热要好

为了获得大的功率输出，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，管子往往在接近极限运用状态下工作。效率是负载得到的信号功率与电源供给功率的比值。它代表了电路将电源直流能量转换为输出交流能量的能力.功放电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。功放电路中，大量的功率消耗在集电结上，使结温和管壳温度升高。为了使管子输出足够大的功率。1．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）要加装散热和保护装置（5）要用图解法分析

二．功放工作状态分类

(1)甲类放大电路

根据晶体管的静态工作点的位置不同分：

b.能量转换效率低：最高为50%特点：c.放大管的导通角θ=2π静态工作点位置iC1ICQωt=2

02集电极电流波形大a.静态功耗uCEiC0QA提高效率的主要途径：（1）要提高效率，就应减小在晶体管上的功率PT,将电源供给的功率大部分转化为有用的信号输出功率Po。

（2）电源供给的功率一部分转化为有用的输出功率，另一部分则消耗在管子（和电阻）上，并转化为热量的形式耗散出去，称为管耗。甲类放大电路的效率是较低的，可以证明，即使在理想情况下，甲类放大电路的效率最高也只能达到50%。

（3）提高效率的主要途径是减小静态电流从而减少管耗。静态电流是造成管耗的主要因素，把静态工作点Q向下移动，使信号等于零时电源输出的功率也等于零（或很小），这样电源供给功率及管耗都随着输出功率的大小而变，改变了甲类放大时效率低的状况。

(2)

甲乙类放大电路

a.静态功耗较小b.能量转换效率较高c.输出失真较大特点：d.放大管的导通角π<θ<2πωtiC2π2π03πICQπ<<2π集电极电流波形静态工作点位置uCEiC0QA(3)乙类放大电路b.能量转换效率高c.输出失真大特点：d.放大管的导通角θ=πωtiC3π2π=π03π集电极电流波形a.静态功耗静态工作点位置uCEiC0QA乙类和甲乙类放大虽然减小了静态功耗，提高了效率，但都出现了严重的波形失真，因此，既要保持静态时管耗小，又要使失真不太严重，这就需要在电路结构上采取措施。互补对称功放电路

思考题1.

功率放大器的作用是什么？对它有那些要求？它与电压放大电路有那些区别？2.

试说明甲类、乙类、甲乙类功率放大器的区别？5.2

互补推挽功率放大电路电路特点：（1）晶体管T1、T2特性对称（2）电源对称（3）T1、T2射极输出5.2.1

乙类互补推挽功率放大电路RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_1.工作原理静态分析：当ui=0时设ui=UimsintT1、T2截止UA=0uO=0静态功耗为零RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_A动态分析：a.ui>0时T1导通T2截止输入信号输出信号电流方向uO≈ui+RLT1ui+_+VCC_iC1iC2T2VCCuO_Ab.ui<0时T2导通T1截止输入信号输出信号电流方向uO≈uiRLT1ui+_+VCC_T2VCCuO+_A乙类互补推挽电路工作情况T1通T2通Uopp=2(VCC

–

UCES)UOPPuCE0QtiC0iCuCE2.主要指标计算

（1）输出功率

当Uom达到最大值(VCC–UCES)时设RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_当忽略三极管的饱和压降UCES时RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_（2）电源供给的功率平均集电极电流IC(AV)为RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_两个电源供给的总电源功率

（3）能量转换效率

RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_当时RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_(4)

晶体管的耗散功率令RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_最大管耗为

即当输出电压幅值为

晶体管的管耗最大每只管子的最大管耗为

RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_当ui较小时，管子T1、T2都截止3.电路存在的主要缺陷存在交越失真a.失真的原因晶体管存在死区电压。b.失真的现象输出电流出现一段“死区”RLT1ui+_+VCC_iC1iC2iOT2VCCuO+_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4.克服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。5.2.2甲乙类互补推挽电路1.

利用二极管提供偏压二极管提供偏压，使T1、T2微导通状态D1RLT1uI+_+VCC_iC1iC2iOT2T3D2uO+_RERCVCC2.利用扩大电路实现偏置图中RLT1uI+_+VCC_T2uO+_T3R1R2R3R4VCC（1）当uI=0

时2.工作原理uA=VCC/2uC=VCC/2输出电压uO=01.电路组成D1RLT1uI+_+VCCT2T3D2uO+_RERCC+AuC5.2.3

单电源功率放大电路（2）当uI为负半周时T1导通，T2截止电容C同时充电D1RLT1uI+_+VCCT2T3D2uO+_RERCC+AuCuB1信号为正半周uB1uB2输出信号为正半周T1截止，T2导通电容C放电uB2信号为负半周uB1uB2（3）当uI为正半周时D1RLT1uI+_+VCCT2T3D2uO+_RERCC+AuC输出信号为负半周注意：电容C起负电源-VCC的作用1.每只管子的工作电压变成了VCC/2，在计算各项指标时电源电压要用VCC/2。2.电容C足够大，使输出正负半周对称。D1RLT1uI+_+VCCT2T3D2uO+_RERCC+AuCRLT1uI+VCC_T2VEEuO+_5.2.5 互补推挽放大电路1.电路组成2.电路主要特点(2)输出电阻小(3)动态范围大(4)带载能力强(1)T1、T2参数相同3.工作原理(1)uI=0时T1、T2截止uO=0(2)uI>0时T1导通、T2截止uO

uIRLT1uI+VCC_T2VEEuO+_(3)uI<0时T1截止、T2导通uO

uI4.输出动态范围5.电路存在的缺陷——交越失真当输入电压小于发射结死区电压时，输出电压为零。RLT1uI+VCC_T2VEEuO+_D1RLT1uI+VCC_T2D2uO+_R1R2VEE克服交失真的方法：给T1、T2的发射结加一定的直流偏置，使其工在微导通状态。克服交失真的互补电路1.电路组成5.2.4

前置级为运放的功率放大电路AD1RLT1uI+_+VCC_iB1iB2T2D2uO+_R3R4+_R2R1i4i3VCC2.电路特点(1)电路引入了电压并联负反馈。(2)

电路的稳定性高。AD1RLT1uI+_+VCC_iB1iB2T2D2uO+_R3R4+_R2R1i4i3VCC3.电路的闭环电压增益Auf≈－R2/R1·AD1RLT1uI+_+VCC_iB1iB2T2D2uO+_R3R4+_R2R1i4i3VCC思考题1.

乙类互补推挽功率放大器产生交越失真的原因是什么？怎么克服交越失真？2.为什么说前置级为运放的功率放大电路交越失真很小？5.3.1

双极型功率晶体管（BJT）1.功率管的选择（1）

PCM≥0.2Pom

（2）|U(BR)CEO|>2VCC（3）

ICM＞VCC/RC5.3

功率器件与散热极限参数应满足(在互补推挽功率放大电路中)2．二次击穿的影响iCuCE0BA二次击穿一次击穿S/B曲线二次击穿现象二次击穿临界曲线iCuCE01.

V型NMOS管的结构结构剖面图5.3.2

功率MOSFET

S源极G栅极金属源极SiO2沟道沟道外延层衬底D漏极_N

+PPNN

+N

+2.

V型NMOS管的主要特点（1）开关速度高（2）驱动电流小（3）过载能力强（4）易于并联5.3.3

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）IGBT等效电路DT1GSRT2IGBT电路符号GSDT绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的主要特点：（1）输入阻抗高（2）工作速度快（3）通态电阻低（4）阻断电阻高（5）承受电流大兼顾了MOSFET和BJT的优点，成为当前功率半导体器件发展的重要方向。外壳c集电结j散热器sR(th)jcR(th)csR(th)sa环境a5.3.4

功率器件的散热晶体管的散热示意图导电回路（电路）散热回路（热路）参量符号单位参量符号单位电压UV温差ΔToC电流IA最大允许功耗PCMW电阻RΩ热阻RToC/W

功率器件的散热分析方法：即用电路来模拟功率器件的散热回路导电回路和散热回路参数对照表电－热模拟法Tj——集电结的结温Tc

——功率管的壳温Ts

——散热器温度Ta

——环境温度Rjc

——集电结到管壳的热阻Rcs

——管壳至散热片的热阻Rsa

——散热片至环境的热阻散热等效热路TjTcTsTaRjcRcsRsajcsaPCM散热回路的总热阻为

最大允许功耗TajCMRTTP-=TjTcTsTaRjcRcsRsajcsaPCM练习题例1

乙类互补推挽功放电路如图所示。已知ui为正弦电压，RL=8W，要求最大输出功率为16W。假设功率管T1和T2特性对称，管子的饱和压降UCES=0。试求：

（1）正、负电源VCC的最小值；（2）当输出功率最大时，电源供给的功率；（3）当输出功率最大时的输入电压的有效值。

T1T2RL+VCCVCC__+uOui[解]（1）由于电路的最大输出功率所以电源电压（2）当输出功率最大时，电源供给的功率T1T2RL+VCCVCC__+uOui（3）因为输出功率最大时，输出电压的幅值为所以输入电压的有效值为

T1T2RL+VCCVCC__+uOui5.4

常用集成功率放大器（1）LM386LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器,主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少,电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容,便可将电压增益调为任意值,直至200。输入端以地位参考,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半,在6V电源电压下,它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。

LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。（2）TDA2030TDA2030是德律风根生产的音频功放电路，采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。如图1所示，按引脚的形状引可分为H型和V型。该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。并具有内部保护电路。意大利SGS公司、美国RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同类产品生产，虽然其内部电路略有差异，但引出脚位置及功能均相同，可以互换。

电路特点：1.外接元件非常少。2.输出功率大，Po=18W(RL=4Ω)。3.采用超小型封装（TO-220）,可提高组装密度。4.开机冲击极小。5.内含各种保护电路，因此工作安全可靠。主要保护电路有：短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）以及负载泄放电压反冲等。

6.TDA2030A能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率，THD≤0.1%。无疑，用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了。例2在图示的电路中，已知运放性能理想，其最大的输出电流、电压分别为15mA和15V。设晶体管T1和T2的性能完全相同，=60，|UBE|=0.7V。试问（1）该电路采用什么方法来减小交越失真?。

R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1•（2）如负载RL分别为20W

、10W时，其最大不失真输出功率分别为多大?

（3）为了使不失真输出功率达到最大，其电路的最佳负载RLopt

及此时的最大输出功率Pom

。R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1•（4）功放管T1

和T2的极限参数PCM、

ICM

和|U(BR)CEO|应选多大?

解（1）在电路即将导通之时，电路中各支路中的电流为零。这时R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1•R1R2RLT1T25kW250kW(18V)(-18V)+uo+VCC-VCCio1uiAuo1•在管子即将导通时，uo1等于其死区电压UBE(th)。R1R2RLT1