功率放大电路

本章主要内容第一节功率放大电路概述第二节互补对称功率放大电路

第三章功率放大电路

第三节变压器耦合推挽功率放大器

第四节集成功率放大器及其应用

本章学习要求①了解功率放大电路的特点和主要技术指标；②熟悉基本OTL和OCL功率放大电路的工作原理，会估算最大输出功率；③了解变压器耦合推挽放大电路的特点和工作原理；④了解集成功率放大器的特点。第三章功率放大电路

第一节功率放大电路概述一、功率放大电路

向负载提供功率的放大电路称为功率放大电路，简称“功放”。功放中使用的半导体功率三极管功率放大管，简称为“功放管”。功率放大电路的作用：

作为放大电路的输出级，去推动负载工作。例如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转、电动机旋转等。例：扩音系统功率放大电压放大信号提取执行机构二、功率放大电路的特点及主要技术指标

（一）功率放大器的特点

1.由于功放电路的主要任务是向负载提供一定的功率，因而输出电压和电流的幅度足够大。

2.由于要求输出信号幅度大，通常使三极管工作在极限应用状态，即三极管工作在接近饱和区与截止区的工作状态，因此输出信号存在一定程度的失真。

3.功率放大电路在输出功率的同时，三极管消耗的能量也较大，因此三极管的管耗不能忽视。

4.功率放大电路工作在大信号运用状态，因此只能采用图解法进行估算。

功放电路从组成、元器件的选择到分析方法，都与小信号放大电路不同。

（二）功率放大电路的主要技术要求

1、输出功率要足够大Po

=Uo

∙Io最大输出功率Pom：在输入为正弦波且输出基本不失真情况下，负载可能获得的最大交流功率。它是指输出电压uo与输出电流io的有效值的乘积。2、效率要高式中：PO为输出功率；PDC为电源提供的功率；PC为管耗。3、非线性失真要小。4、功率管要有散热措施。

1.性能指标：输出功率和效率。

2.分析方法：因大信号作用，故应采用图解法。

3.晶体管的选用：根据极限参数选择晶体管。在功放中，晶体管集电极或发射极电流的最大值接近最大集电极电流ICM，管压降的最大值接近c-e反向击穿电压U(BR)CEO，集电极消耗功率的最大值接近集电极最大耗散功率PCM

。称为工作在极限状态。功率放大电路研究的问题三、功率放大电路的工作状态

功率放大电路按功放管静态工作点Q在交流负载线上的位置不同，可分为甲类、乙类和甲乙类等三种工作状态。如图所示。1.甲类放大状态

甲类功率放大电路的静态工作点Q设置在交流负载线的中点位置，在输入信号的整个周期内功放管都处于导通状态，输出信号失真很小，但静态时三极管的集电极电流ICQ较大，管子功率损耗PC大，所以电路的效率低。即使在理想条件下，功放的最高效率也只能达到50%。如图(a)所示

2.乙类放大状态

乙类功率放大电路功放管的静态工作点Q设置在截止区与放大区的交界处，即IBQ=0。在无信号输入时，功放管处于截止状态，Ic=0，Uce=UCC。这时，功放管不消耗功率。在有信号输入时，功放管只在半个周期内导通，另半个周期截止。因此，电路效率高，可达78.5%，但输出波形失真大，目前采用的也不多。如图(b)所示。

3.甲乙类放大状态甲乙类功率放大电路的静态工作点Q设置在放大区但接近截止区的位置。无信号收入时，三极管处于微导通状态，功放管的集电极电流ICQ很小，即有较小的管耗。在有信号输入时，晶体管导通时间略大于半个周期。静态电流小，效率较高，但输出波形失真大。如图(c)所示。

能否既有高的效率，但输出波形又不失真呢？互补对称电路就可以解决这一问题。第二节互补对称功率放大电路

一、OCL乙类互补对称功率放大电路

双电源互补对称电路又称无输出电容电路，简称OCL（OutputCapacitorLess）。互补对称：电路中采用两个晶体管：NPN、PNP各一支；两管特性一致。对称电源：+UCC，－UCC组成互补对称式射极输出器。（一）OCL乙类互补对称功率放大电路的分析

1、电路结构特点

电路如图所示，三极管V1和V2分别采用NPN、PNP型管，两管的基极和发射极分别连接在一起，信号从基极输入，从发射极输出，RL为负载。要求两个三极管的特性、参数对称。电路采用直接耦合方式。双电源供电、输出直接与负载连接。无电容器，称OCL电路。uiuo+–UCCV1V2+UCCRL–ic1ic2uoui+UCC2、静态分析：ui=0V,IC1=0，IC2=0两管子均不工作

uo=0V。3、动态分析：ui

<0V2导通，V1截止ui

>0V1导通，V2截止（一）OCL乙类互补对称功率放大电路的分析uo+–UCCV1V2RL–ic1ic2uo注意：V1、V2每个晶体管只在半个周期内工作iL=ic1

iL=ic2（设ui为正弦波）ui-UCCV1V2uo+UCCRLiL输入输入波形图uiuououo

´交越失真死区电压1.输出功率Po和最大不失真输出功率Pom（二）功率及效率的计算只有充分激励，才能输出最大不失真功率。每个电源中的电流为半个正弦波，2.直流电源的供给功率PDC计算

iC1

OtIcm

iC2

OtIcm其平均值为:故得最大输出功率时3.效率η最大输出功率时4.管耗PC直流电源提供的功率除了供给负载外便是三极管V1、V2上消耗的功率，称为管耗，用PC表示。

PC1=PC2=(PDC－Po)==令可见，管耗PC与输出电压幅度Uom有关。则得可得此时的效率η=50%，而输出功率为最大时，管耗却不是最大，这一点必须注意。每管的最大管耗为由此可见，时PC1达到最大值，由此可见，每管的最大管耗约为最大输出功率的0.2倍。因此，在选择功率管时最大管耗不应超过晶体管的最大允许管耗，即PC1m=0.2Pom＜PCM

由于上面的计算是在理想情况下进行的，所以实际选择管子时，还需留有充分的余量。由于，所以每管最大管耗和最大输出功率的关系为5．选择功率三极管的原则三极管集电极最大允许耗散功率PCM＞0.2Pom。三极管基极开路击穿电压U(BR)CEO＞2UCC。三极管集电极最大允许电流ICM＞Icm=例题1：已知乙类互补对称功放电路如图所示，已知UCC=24V，RL=8Ω，试估算该放大电路最大输出功率Pom及此时电源供给的功率PDCm和管耗PC1，并说明该功放电路对功放管的要求。解：U(BR)CEO>2VCC=48VICM>ICmm=UCC/RL=24V/8Ω=3A选管要求：PCM>PC1m=7.2W

留裕量交越失真：输入信号为正弦波时，输出信号在过零前后出现的失真称为交越失真。交越失真产生的原因晶体管死区电压的存在交越失真消除交越失真的措施：uitOuotO1、乙类互补对称功放的交越失真给两管发射结加静态正偏压，使其静态工作点Q稍高于截止区，两管静态时微导通。电路工作状态由乙类变为甲乙类。二、OCL甲乙类互补对称功率放大电路

计算公式同乙类OCL2.OCL甲乙类双电源互补对称功率放大电路1)基本电路图中，V3是前置放大级（注意，图中未画出V3的偏置电路），给功放级提供足够的偏置电流。V1和V2组成互补对称输出级。V1和V2基极间串入二极管VD1

、VD2，利用V3静态电流流过VD1

、VD2前产生的压降作为V1

、V2管的静态偏置电压。*利用二极管提供偏置的互补对称功率放大电路2.OCL甲乙类双电源互补对称功率放大电路1)基本电路静态偏置为克服交越失真，在ui=0时，应使V1、V2的发射结具有一定的正偏压，处于微导通

状态。设V3已有合适的静态工作点利用二极管提供偏置的互补对称功率放大电路2.OCL甲乙类双电源互补对称功率放大电路1)基本电路动态工作情况①当ui

=0时，V1、V2微导通，电路对称，iC1=iC2，iL=0，uo=0。②当ui

<0V1

微导通

充分导通

微导通

V2微导通截止

微导通

③当ui

>0V2

微导通

充分导通

微导通

V1微导通截止

微导通

缺点：偏置电压不易调整,改进方法可采用UBE扩展电路。利用二极管提供偏置的互补对称功率放大电路2)UBE扩展电路

UBE扩展电路如图所示。图中，流入V4的基极电流远小于流过R1、R2的电流，则由图可求出：

UCE4用以供给V1

、V2两管的偏置电压。由于UBE4基本为一固定值（硅管约为0.6~0.7V、锗管约为0.2~0.3V）只要适当调节R1、R2的比值，就可改变V1、V2的基极偏压UCE4值。这种电路称为UBE扩展电路。，甲乙类双电源互补对称放大电路(OCL)的输出功率PO

，管耗PC

，电源输出功率PDC

和效率

都与乙类互补对称功率放大电路一样,同学们可自行参考乙类功放的内容。这里不再赘述。

OCL放大电路输出的功率大，失真小，保真度高，因此广泛使用在高保真放大电路中，如较高档的音响等。

但它要使用两组电源，制造起来电路较为复杂，且成本较高，所以在要求不太高的电路中,通常使用单电源互补对称功率放大,以降低成本和减少电路的复杂性。三、OTL甲乙类单电源互补对称功率放大电路

OTL是

OutputTransformerless(无输出变压器）的缩写(一)电路组成及工作原理+ui

RLRC3VD1+UCCVD2V1V2CERE3R2R1+uo

+++CKb3b2V3b1OTL电路

能够去除“-VCC”的关键是电路中加入了此电容C,其作用替代了一组负电源电路特点：单电源输出端接大容量电容器静态要保证+ui

RLRC3VD1+UCCVD2V1V2CERE3R2R1+uo

++CKb3b2V3b1(一)电路组成及工作原理工作原理分析(1)静态分析+－

输出电容C一定要容量很大,储有足够的电荷准备作为电源使用。

调整R1、R2改变V1、V2的工作点使UK=UCC/2(使V1、V2工作状态一样)UCC/2

ui=0

时，R1、R2分压使V3、VD1、VD2导通,VD1、VD2的导通可以令V1、V2处于微导通状态。

同时电源+UCC通过V1对输出电容C充电,使其左+右－。+ui

RLRC3VD1+UCCVD2V1V2CERE3R2R1+uo

++CKb3b2V3b1(一)电路组成及工作原理工作原理分析

(2)动态分析在输入信号ui的正半周，由于V3的倒相作用，使V3集电极电位下降，V1

、V2的基极电位Ub1、Ub2随之下降，V1发射结反偏截止，切断了电源UCC和负载RL的联系；V2发射结正偏导通，此时电容C放电，代替电源供给电能给V2，有电流ic2通过负载RL，其路径为：经C的正极流入V2的发射极，自集电极流出到地，经负载到C的负极。此时负载获得负半周信号。UCC/2+－+ui

RLRC3VD1+UCCVD2V1V2CERE3R2R1+uo

++CKb3b2V3b1(一)电路组成及工作原理工作原理分析

(2)动态分析UCC/2+－在输入信号ui的负半周，V3的集电极电位上升，V1

、V2的基极电位Ub1、Ub2随之上升，V1导通，V2截止，有电流ic1通过负载RL，其路径为：经UCC正极流入V1的集电极，从V1的发射极流出，经电容C和RL到地。此时负载获得负半周信号。同时电容C被充电，补充输出负半周时放电所损失的电能。+ui

RLRC3VD1+UCCVD2V1V2CERE3R2R1+uo

++CKb3b2V3b1(一)电路组成及工作原理工作原理分析

(2)动态分析UCC/2+－可见，在输入信号的整个周期里，功放管V1

、V2交替放大输入信号，而负载上能获得不失真输出信号。只要选择时间常数足够大（比信号的最长周期还大得多），就可以认为用电容C和一个电源UCC可代替原来的+UCC和-UCC两个电源的作用。+ui

RLRC3VD1+UCCVD2V1V2CERE3R2R1+uo

++CKb3b2V3b1(二)分析计算UCC/2+－采用单电源的互补对称电路，由于每个管子的工作电压不是原来的UCC，而是UCC/2，即输出电压幅值Uom最大也只能达到约UCC/2，所以前面导出的计算PO、PC、和PDC的计算公式，必须加以修正才能使用。修正的方法也很简单，只要以UCC/2代替原来的公式中的UCC即可。(三)自举电路+ui

RLRC3VD1+UCCVD2V1V2CERE3R2R1+uo

++CKb3b2V3b11．单电源互补对称电路存在的问题

单电源互补对称电路单电源互补对称电路解决了工作点的偏置和稳定问题。但输出电压幅值Uom达不到UCC/2。(三)自举电路2.自举电路

自举电路由R3和C2组成,元件的作用如下：R3

—把D点与电源UCC隔离开来,使得D点的电位可以变化。

C2—容量很大的电容器,当充电过程中使其有足够的电量,在工作中不管是充电或放电,两端的电压几乎保持不变,即UC2=恒量

,这样使D点电位的上升成为可能。(三)自举电路2.自举电路

自举电路的工作过程：

静态时,电源对C2充电使两端电压升至UC2，因为C2容量很大，充电后的UC2在工作过程中基本保持恒量。UC2恒量+－

由图可得出:UD=UK+UC2

因为UC2是常量,所以UK升高时UD亦跟着上升

,这样就有效地解决了Ub1下降的问题。因为D

点电压是依靠电路本身的电容C2抬高的,所以称为自举(三)自举电路2.自举电路

自举电路的工作过程：耦合，使D点电位也上升到接近于自举作用:使K点电位UK上升到接近UCC，即K点电位变化了，这一变化经C2(三)自举电路2.自举电路

自举电路的工作过程：Ub1也升高到接近UCC。这样便有足够的基极电流Ib1使V1接近饱和导通，V1管得到了充分利用，提高到输出信号正半周的幅度，也就提高了最大不失真输出功率。“自举”电路实际上是一个电压并联正反馈电路，它把D点电位“自举”了一个变化量，而R3的作用是把D点和电源UCC隔开，为D点电位的升高创造条件。若不接R3，则D点电位将被固定于UCC值，无法实现“自举”。四、采用复合管的互补功率放大电路

1.复合管

互补对称放大电路中两个互补管应为特性及参数相同的异型对管。小功率时，异型管配对好选择，但输出功率较大时，难以制成特性相同的异型管，在实际电路中常采用复合管来实现异型管的配对。所谓复合管，就是由两只或两只以上的三极管按一定方式连接起来，组成一只等效的三极管。复合管的与组成该复合管的第一只三极管相同，而其输出电流、饱和压降等基本特性，主要由最后的输出三极管决定。1.复合管(又称达林顿管)作用：实现异型管子的配对、提高电流放大倍数等如图所示为由两只三极管组成的复合管的四种情况，图（a）、（b）为同型复合，（c）、（d）为异型复合，可见复合后的管型与第一个三极管相同。1.复合管(又称达林顿管)作用：实现异型管子的配对、提高电流放大倍数等如图所示为由两只三极管组成的复合管的四种情况，图（a）、（b）为同型复合，（c）、（d）为异型复合，可见复合后的管型与第一个三极管相同。复合管的电流放大系数近似为组成复合管的各三极管值的乘积，其值很大。由图（a）NPN同型可得由图（a）可得同型复合管的输入电阻为复合管的构成原则构成规则：保证各管工作在放大状态；电流正常流通。故通常B1为

B，C1或E1接B2

，C2、E2为

C或E下列图不能构成复合管：V1V2V1V2通常要接泄放电阻，以减小等效穿透电流。+

复合管的特点类型同首管。同型复合管输入电阻增大，异型复合管输入电阻同首管。输出电流和饱和压降同末管。β

≈

β1

β22.复合管互补对称放大电路VD1~

VD3、RP—克服交越失真V1、V3—NPNV2、V4—PNPRE1、RE2—稳定“Q”、过流保护,取值0.1~

0.5ΩR3、R5—穿透电流泄放电阻R4—使V3、V4输入电阻平衡V5—构成前置电压放大RB1—引入负反馈，提高Q点稳定性，改善交流性能+uo

准互补对称电路RLRPV4+UCCVD1V1V2R2RB1RB2+ui

+++VD2VD3V5EUB3R1R5R3IC5RE1RE2R4V3UB5

UEEUE

↓UB5

↓IB5

↓IC5

↓UB3

UE

↓第三节

变压器耦合推挽功率放大器

一、电路的构成及各元件的作用

电路如图所示，由电源UCC供电，要求功放管V1和V2配对（即两管参数尽量一致）。电阻Rb1、Rb2和RE为功放管的偏置电阻，以确保它们工作在甲乙类放大状态，达到消除交越失真的目的。第三节

变压器耦合推挽功率放大器

一、电路的构成及各元件的作用

Tr1是输入变压器，次级绕组带中心抽头，起传递输入信号并完成倒相作用，以保证功放管V1和V2的基极获得差模信号。Tr2是输出变压器，初级绕组带中心抽头，起传递输出信号作用，并使V1和V2管的集电极输出的半个周期信号在负载上合成，以获得一个完整的周期信号。二、工作过程

静态ui=0时，输入变压器Tr1中无交流信号，电源UCC经Rb1、Rb2和RE向功放管提供偏流，使它们处于微导通状态，UCC经输出变压器初级绕组的中心抽头分别供给V1和V2管极微小的集电极电流。该电流在Tr2初级绕组N1和N2上流动的方向相反且大小相等，不会使Tr2磁化。此时输出信号为零。二、工作过程

当输入信号ui为正半周时，Tr1次级绕组感应的电压ui1

和ui2是差模信号，ui1是正半周，ui2是负半周，它们大小相等、相位相反。ui1使V1管发射结反偏而截止，ic1=0。ui2使V2管发射结正偏而导通并起放大作用，其集电极电流ic2的流通路径为：UCC正极→RE→V2管射－基极→Tr2的N2→

UCC负极。由于ic2从Tr2初级绕组N2的异名端（不带·端）流入，所以Tr2次级绕组N3感应的电流iL也是从的异名端（不带·端）流入、同名端（带·端）流出，经负载RL，形成回路。二、工作过程

当输入信号ui为负半周时，ui2为正半周，V2管发射结反偏而截止。ui1为负半周，V1管发射结正偏而导通并起放大作用，其集电极电流ic1的流通路径为：UCC正极→RE→V1管的射－基极→Tr2的N1→UCC负极。由于ic1从N1的同名端（带·端）流入，所以Tr2次级绕组N3感应的电流iL也是从同名端（带·端）流入，异名端流出，经负载RL，形成回路。