模拟电子技术（第四版）课件：功率放大器

功率放大器8.1功率放大器的特点和分类

8.2乙类互补对称功率放大电路（OCL电路）

8.3单电源互补对称功率放大电路（OTL电路）

8.4复合互补对称功率放大电路

8.5集成功率放大器

本章小结

习题

8.1功率放大器的特点和分类

1．电路特点功率放大器作为放大电路的输出级,具有以下几个特点:

(1)由于功率放大器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)由于输出信号幅度较大,使三极管工作在饱和区与截止区的边沿,因此输出信号存在一定程度的失真;

(3)功率放大器在输出功率的同时,三极管消耗的能量亦较大,因此,不可忽视管耗问题。

2.电路要求根据功率放大器在电路中的作用及特点,首先要求它输出功率大、非线性失真小、效率高。其次,由于三极管工作在大信号状态,要求它的极限参数ICM、PCM、U（BR）CEO等应满足电路正常工作并留有一定余量,同时还要考虑三极管有良好的散热功能,以降低结温,确保三极管安全工作。

3．功率放大器的分类

根据放大器中三极管静态工作点设置的不同,可分成甲类、乙类和甲乙类三种。（1）甲类放大器的工作点设置在放大区的中间,这种电路的优点是在输入信号的整个周期内三极管都处于导通状态,输出信号失真较小（前面讨论的电压放大器都工作在这种状态）,缺点是三极管有较大的静态电流ICQ,这时管耗PC大,电路能量转换效率低。

（2）乙类放大器的工作点设置在截止区,这时,由于三极管的静态电流ICQ=0,所以能量转换效率高,它的缺点是只能对半个周期的输入信号进行放大,非线性失真大。（3）甲乙类放大电路的工作点设在放大区但接近截止区,即三极管处于微导通状态,这样可以有效克服乙类放大电路的失真问题,且能量转换效率也较高,目前使用较广泛。

思

考

题

1．什么叫三极管的甲类、乙类和甲乙类工作状态？

2．

对功率放大器和电压放大器的要求有何不同？

8.2乙类互补对称功率放大电路（OCL电路）

1.电路组成及工作原理图8.1是双电源乙类互补功率放大电路。这类电路又称无输出电容的功率放大电路,简称OCL电路。V1为NPN型管,V2为PNP型管,两管参数对称。电路工作原理如下所述。

图８.1双电源乙类互补对称功率放大器

1）静态分析当输入信号ui=0时,两三极管都工作在截止区,此时IBQ、ICQ、IEQ均为零,负载上无电流通过,输出电压uo=0。

2）动态分析（1）当输入信号为正半周时,ui>0,三极管V1导通,V2截止,V1管的射极电流ie1经＋ＵCC自上而下流过负载,在RL上形成正半周输出电压,uo>0。（2）当输入信号为负半周时,ui<0,三极管V2导通,V1截止,V2管的射极电流ie2经－ＵCC自下而上流过负载,在RL上形成负半周输出电压,uo<0。不难看出,在输入信号ui的一个周期内,V1、V2管轮流导通,而且ie1和ie2流过负载的方向相反,从而形成完整的正弦波。由于这种电路中的三极管交替工作,即一个“推”,一个“挽”,互相补充,故这类电路又称为互补对称推挽电路。

2.功率和效率的估算

1）输出功率Po

在输入正弦信号作用下,忽略电路失真时,在输出端获得的电压和电流均为正弦信号,由功率的定义得

（8.1）

可见,输出电压Uom越大,输出功率Po越高,当三极管进入临界饱和时,输出电压Uom最大,其大小为

若忽略UCES,则

由式(8.1)可得电路最大不失真输出功率为

（8.2）

2）直流电源提供的功率PDC

两个电源各提供半个周期的电流,故每个电源提供的平均电流为

因此两个电源提供的功率为

（8.3）

输出功率最大时,电源提供的功率也最大:（8.４）

3）效率输出功率与电源提供的功率之比称为电路的效率。

在理想情况下,电路的最大效率为

（8.5）

4）管耗PC

直流电源提供的功率与输出功率之差就是消耗在三极管的功率,即

（8.6）

可求得当Uom=0.63UCC

时,三极管消耗的功率最大,其值为每个管子的最大功耗为

（8.７）

3.交越失真及其消除演示电路如图8.2（a）所示,在放大器的输入端加入一个1000Hz正弦信号,用示波器观察输出端的信号波形,发现输出波形在正、负半周的交界处发生了失真,观察到的输出波形如图8.2(b)所示。

图8.2交越失真波形（a）演示电路;（b）

输出波形

产生这种失真的原因是:在乙类互补对称功率放大电路中,没有施加偏置电压,静态工作点设置在零点,UBEQ=0,IBQ=0,ICQ=0,三极管工作在截止区。由于三极管存在死区,当输入信号小于死区电压时,三极管V1、V2仍不导通,输出电压uo为零,这样在输入信号正、

负半周的交界处,无输出信号,使输出波形失真,这种失真叫交越失真。

为了解决交越失真,可给三极管加适当的基极偏置电压,如图

8.3所示。

图中的R1、R2、V3、V4用来作为V1、V2的偏置电路，适当选择R1、R2的阻值，可使V3、V4连接点的静态电位为0，V1、V2的发射极电位也为0，

这样V

3上的导通电压为V

1提供发射结正偏电压，V4上的导通电压为V

2提供发射结正偏电压，

使之工作在甲乙类状态，保证了三极管对小于死区电压的小信号也能正常放大，

从而克服了交越失真。

图８.3甲乙类互补对称功率放大电路

思

考

题

1．交越失真是怎样产生的？如何消除交越失真？

2．乙类互补对称电路RL上完整的输出信号波形是怎样得到的？为什么说这种电路的效率高？

8.3单电源互补对称功率放大电路（OTL电路）

双电源互补对称功率放大电路由于静态时输出端电位为零,负载可以直接连接,不需要耦合电容,因而它具有低频响应好、输出功率大、便于集成等优点,但需要双电源供电,使用起来有时会感到不便；如果采用单电源供电,只需在两管发射极与负载之间接入一个大容量电容C2即可。这种电路通常又称无输出变压器电路,简称OTL电路,如图8.4所示。

图８.4单电源互补对称功率放大电路

图中R1、R2为偏置电阻。适当选择R1、R2阻值,可使两管静态时发射极电压为UCC/2,电容C2两端电压也稳定在UCC/2,这样两管的集、射极之间如同分别加上了UCC/2和-UCC/2的电源电压。在输入信号正半周,V1导通,V2截止,V1以射极输出器形式将正向信号传送给负载,同时对电容C2充电;在输入信号负半周时,V1截止,V2导通,电容C2放电,充当V2管直流工作电源,使V2也以射极输出器形式将负向信号传送给负载。这样,负载RL上得到一个完整的信号波形。

在这种电路中,电容C2的容量应选得足够大,使电容C2的充、放电时间常数远大于信号周期。该电路中的每个三极管的工作电源已变为UCC/2,已不是OCL电路的UCC了,请同学们自行推出该电路的最大输出功率的表达式。

与OCL电路相比,OTL电路少用了一个电源,但由于输出端的耦合电容容量大,电容器内铝箔卷绕圈数多,呈现的电感效应大,它对不同频率的信号会产生不同的相移,输出信号有附加失真,这是OTL电路的缺点。思

考

题

OCL电路和OTL电路各有何优缺点？

8.4复合互补对称功率放大电路

8.4.1复合管复合管是由两个或两个以上三极管按一定的方式连接而成的。复合管又称为达林顿管。图8.5是四种常见的复合管,其中图（a）、（b）是由两只同类型三极管构成的复合管,图（c）、（d）是由不同类型三极管构成的复合管。组成复合管时要注意两点:①串接点的电流必须连续;②并接点电流的方向必须保持一致。

图8.5复合管(a)NPN型;(b)PNP型;(c)NPN型;(d)PNP型

由图8.5可以看出,复合管的类型总是由V1管来决定的。例如,图8.5(d)中,V1管为PNP型,V2管为NPN型,则复合管等效为PNP型。复合管的电流放大系数,近似为组成该复合管各三极管β

的乘积,其值很大。由图

8.5(a)

可得

图

8.6接有泄放电阻的复合管

复合管虽有电流放大倍数高的优点,但它的穿透电流较大,且高频特性变差。这是因为复合管中第一只晶体管的穿透电流会进入下级晶体管放大,致使总的穿透电流比单管穿透电流大得多。为了减小穿透电流的影响,常在两只晶体管之间并接一个泄放电阻R,如图8.6所示,R的接入可将V1管的穿透电流分流,R越小,分流作用越大,总的穿透电流越小。

当然,R的接入同样会使复合管的电流放大倍数下降。

8.4.2电路举例

1.OTL互补对称功率放大电路图8.7为一典型OTL功率放大电路。由运算放大器A组成前置放大电路,对输入信号进行放大。V4～V7组成互补对称电路,其中,V4和V6组成NPN型复合管,V5和V7组成PNP型复合管。V1、V2和V3为两复合管基极提供偏置电压,R7、R8用于减少复合管的穿透电流,稳定电路的静态工作点,R7、R8也称为泄放电阻。V4集电极所接电阻R6是V4、V5管的平衡电阻。R9、R10分别是V6、V7的发射极电阻,用以稳定静态工作点,减少非线性失真,还具有过流保护作用。R11和R1构成电压并联负反馈电路,用来稳定电路的电压放大倍数,提高电路的带负载能力。

图

8.7集成运放驱动的OTL功率放大器

该电路工作原理简述如下:静态时,由R4、R5、V1、V2、V3提供的偏置电压使V4～V7微导通,且ie6=ie7,中点电位为UCC/2,uo=0V。当输入信号ui为负半周时,经集成运放对输入信号进行放大,使互补对称管基极电位升高,推动V4、V6管导通,V5、V7管趋于截止,ie6自上而下流经负载,输出电压uo为正半周。当输入信号ui为正半周时,由运放对输入信号进行放大,使互补对称管基极电位降低,V4、V6管趋于截止,V5、V7管依靠C2上的存储电压（UCC/2）进一步导通,ie7自下而上流经负载,输出电压uo为负半周。这样,就在负载上得到了一个完整的正弦电压波形。

2.OCL互补对称功率放大器图8.8是一种集成运放驱动的实际OCL功率放大器。集成运算放大器主要起前置电压放大作用。V4～V7组成OCL互补对称电路,其中,V4和V6组成NPN型复合管,V5和V7组成PNP型复合管。V1、V2和V3为两复合管基极提供偏置电压。R3、R1和C2构成电压串联负反馈电路,用来稳定电路的电压放大倍数,提高电路输出的带负载能力。该电路的工作过程与前节讨论的OCL电路基本相同。

图8.8集成运放驱动的OCL功率放大器

思考题在大功率放大电路中,为什么要采用复合管的接法来实现互补?8.5集成功率放大器

1．TDA2030A音频集成功率放大器简介

TDA2030A是目前使用较为广泛的一种集成功率放大器,与其它功放相比,它的引脚和外部元件都较少。

TDA2030A的电器性能稳定,并在内部集成了过载和热切断保护电路,能适应长时间连续工作,由于其金属外壳与负电源引脚相连,因而在单电源使用时,金属外壳可直接固定在散热片上并与地线（金属机箱）相接,无需绝缘,使用很方便。

图8.9TDA2030A集成功放的内部电路

TDA2030A使用于收录机和有源音箱中,作音频功率放大器,也可作其它电子设备中的功率放大。因其内部采用的是直接耦合,亦可以作直流放大。主要性能参数如下:

电源电压UCC±3～±18V

输出峰值电流3.5A

输入电阻>0.5MΩ

静态电流<60mA（测试条件:UCC=±18V）电压增益30dB频响带宽（BW）

0~140kHz

在电源为±15V、RL=4Ω时,输出功率为14W。

图

8.10TDA2030引脚排列及功能

在电源为±15V、RL=4Ω时,输出功率为14W。外引脚的排列如图8.10所示。

2．TDA2030A集成功放的典型应用

1）双电源（OCL）应用电路图8.11电路是双电源时TDA2030A的典型应用电路。输入信号ui由同相端输入,R1、R2、C2构成交流电压串联负反馈,因此,闭环电压放大倍数为为了保持两输入端直流电阻平衡,使输入级偏置电流相等,选择R3=R1。V1、V2起保护作用,用来泄放RL产生的感生电压,将输出端的最大电压限制在±（UCC+0.7）V范围内。C3、C4为去耦电容,用于减少电源内阻对交流信号的影响。C1、C2为耦合电容。

图

8.11由TDA2030A构成的OCL电路

2）单电源（OTL）应用电路对仅有一组电源的中、小型录音机的音响系统,可采用单电源连接方式,如图8.12所示。由于采用单电源供电,故同相输入端用阻值相同的R1、R2组成分压电路,使K点电位为UCC/2,经R3加至同相输入端。在静态时,同相输入端、反向输入端和输出端皆为UCC/2。

其它元件作用与双电源电路相同。

图

8.12由TDA2030A构成的单电源功放电路

思考题

TDA2030A为什么具有两个输入端?这两个输入端分别具有什么功能?本

章

小

结

(1)功率放大器要求输出足够大的功率,这样输出电压和电流的幅度都很大,对它的要求为输出功率大,效率高,非线性失真小,并应保证三极管安全可靠地工作。

(2)互补对称功率放大电路有OCL和OTL电路两种,前者为双电源供电,后者为单电源供电。

(3)乙类互补对称功率放大电路效