《模拟电子技术》课件第6章

6.1功率放大器的特点和分类

6.1.1功率放大器的特点

1.输出功率足够大

功率放大器的主要任务是在失真尽可能小的情况下向负载提供较大的信号功率，以驱动负载工作。这就要求其输出的电压和电流具有较大的幅度，因此，功率放大器的晶体管工作在大信号且在极限运用状态下。若输入信号为某一频率的正弦信号，则输出功率为

Po=IoUo

(6.1)

式中,Io、Uo分别为负载RL上正弦信号的电流、电压的有效值。若用振幅值表示：,

,代入式(6.1)，则有：

(6.2)功率放大器的主要技术指标是最大输出功率Pomax。Pomax是指在正弦输入信号作用下，输出波形不超过规定的非线性失真指标时，放大电路最大输出电压和最大输出电流有效值的乘积。

2.效率高

功率放大器的输出交流功率是由直流电源供给的直流功率转换而来的。在输出功率比较大时，效率问题尤为重要。如果功率放大器的效率不高，不仅造成能量的浪费，而且消耗在电路内部的功率将转换为热量，使管子、元件的温度升高。所以功率放大器的另一个技术指标就是转换效率。为了定量反映电路效率的高低，功率放大器的效率用符号η表示，定义为

(6.3)

式中：Po为信号的输出功率；PE为直流电源向电路提供的直流功率。可见，效率η反映了功率放大器把电源的直流功率转换成输出交流信号功率(即有用功率)的能力。

3.非线性失真小

因为功率放大器的位置处于一台电子设备的后级，所以晶体管处于大信号工作状态，信号的动态范围是整个放大区，接近截止区和饱和区。由于晶体管特性的非线性，将使功率放大器不可避免地产生较大失真。因此，对于功率放大器来讲，在保证最大输出功率的同时，尽可能减小其非线性失真，应根据负载的要求将输出功率限制在规定的失真度范围之内。

4.功率管的散热问题

在功率放大器中，电源供给的直流功率一部分转换为负载的有用功率，而另一部分则成为功率管的损耗，使功放管发热，导致功放管性能变差，甚至会烧坏。为了使功放管输出足够大的功率，又保证其安全可靠地工作，管子的散热和击穿问题就必须考虑。6.1.2功率放大器的分类

功率放大电路按其晶体管导通时间的不同，可分为甲类、乙类、甲乙类三种。

1.甲类

若功率管的静态工作点Q的位置较高，一般取在放大区的中间部位，当输入正弦信号时，则功率管在一个周期内均导通(360°)。甲类的工作状态如图6.1(a)所示。图6.1功率放大器的工作状态

(a)甲类；(b)乙类；(c)甲乙类

2.乙类

若功率管的静态工作点的位置处于放大区与截止区的交界处，当输入正弦信号时，则功放管在一个信号周期内只有半周导通(180°)，半周截止。乙类的工作状态如图6.1(b)所示。

3.甲乙类

若功率管的静态工作点Q的位置略高于乙类，但低于甲类，当输入正弦信号时，则功率放大管的导通大于半周(180°<θ<360°)。甲乙类的工作状态如图6.1(c)所示。复习与讨论

6.1-1功率放大器有哪些特点？

6.1-2功率放大器分为哪几类？

6.1-3什么叫做功率管的甲类、乙类和甲乙类工作状态？

6.1-4功率放大器与电压放大器的主要区别是什么？

本节内容对应本章练习题中的6.1、6.2。

6.2乙类互补对称功率放大器(OCL)

6.2.1电路组成

乙类互补对称功率放大器电路如图6.2所示。图中V1、V2分别为NPN型和PNP型晶体管，要求V1和V2管的特性对称，并且正负电源对称。两管的基极和发射极分别连接在一起，信号从基极输入，射极输出，RL为负载。OCL实际上是两个射极输出器的组合。图6.2乙类互补对称功率放大器6.2.2工作原理

在图6.2中，当输入信号为零时，由于两管均无偏置，故两管基极电流均为零，即IB1=IB2=0，因此两管均为截止状态。

当输入信号大于零时，在输入信号的正半周，输入端上正下负，两管基极电压同时升高，NPN型管V1因正偏而导通，PNP型管V2因反偏而截止。V1的集电极电流iC1从电源+UCC经V1的集电极到发射极流经负载RL到地，RL上得到被放大的正半周信号电流，形成输出电压波形的正半周。在输入信号的负半周，输入端上负下正，两管基极电位下降，PNP型V2管因正偏而导通，NPN型管V1因反偏而截止。V2的集电极电流iC2从接地端经RL到V2发射极再到集电极至电源-UCC，RL上获得被放大的负半周信号电流，形成输出电压波形的负半周。

从以上分析可见，输入信号变化一周，V1、V2

分别放大信号的正、负半周，使负载获得一个周期的完整的正弦波形。若V1、V2

两管的β值和饱和压降等参数一致，则两管交替工作时互为补充，电路结构上下对称，且工作在乙类，所以把这种电路称为乙类互补对称功率放大器，又称OCL电路(无输出电容的互补对称功率放大器)。6.2.3交越失真及其消除方法

1.交越失真

在前面讨论的电路中，只有输入信号电压大于三极管发射结的导通电压，管子才能导通；而输入信号电压小于导通电压时无电流流出。这样，在输出波形正负半周的交界处将造成波形失真，通常把这种失真叫做交越失真。交越失真的波形如图6.3所示。图6.3互补对称功率放大器的交越失真

2.消除交越失真的方法

乙类互补对称功率放大器为什么会产生交越失真呢？那是因为没有设置合适的静态工作点。

为了减小交越失真，改善输出波形，通常设法使晶体管在静态时有一个较小的基极电流，以避免当ui较小时两管同时截止。因此，在两管的基极之间，接入电位器RP与两个二极管VD1、VD2串联。这样，在两个晶体管基极之间产生一个偏压，使得当ui=0时，V1、V2已经微导通，静态工作点刚刚进入放大区；在输入信号很小时，两个管子的基极存在一个较小的基极电流IB1和IB2，因而，在两管的集电极回路也各有一个较小的集电极电流，但静态时负载电流Io=IC1-IC2=0，如图6.4所示。图6.4加有偏置电路的OCL电路当加上正弦输入电压ui时，在正半周，iC1逐渐增大，而iC2逐渐减小，然后V2截止；在负半周则相反，iC2逐渐增大，而iC1逐渐减小，最后V1截止。iC1、iC2的波形见图6.5。可见，两管轮流导电的交替过渡曲线比较平滑，最终得到的io和uo的波形更接近于理想的正弦波，从而消除了交越失真。图6.5

OCL互补对称功率放大电路的波形图知识窗

为什么用二极管给OCL电路互补管的

发射结提供偏置电压？

若在V1、V2两互补管的基极之间仅串入一个电阻，利用电阻上的压降虽然可以得到偏置电压，但电阻的串入对有用信号会产生衰减作用，则信号送到V1管的基极要经电阻衰减，使V1、V2的基极信号大小不一，造成输出信号波形失真，即正负半周不对称。但是二极管VD1、VD2

的动态电阻很小，所以送到互补管V1、V2基极的交流信号可以认为幅度基本相等，即失真在工程的允许范围之内。

此外，二极管为负温度系数，对互补管具有温度补偿作用。其补偿原理为：当环境温度升高时，互补管的β、ICEO、ICBO增大，使静态集电极电流IC有上升的趋势；而二极管的管压降却随温度升高略有下降，从而使互补管的静态电流保持稳定。实际电路常用二极管串联一小电阻提供偏置的方式，该电阻的作用是微调偏置电压的大小，以保证输出配对管有合适的静态电流。6.2.4性能指标估算

1.输出功率Po

输出功率Po可由下式计算：

(6.4)

从式(6.4)可见，输出电压Uom越大，输出功率Po越大。

最大不失真输出电压:

Uomax=UCC-UCES≈UCC(6.5)最大不失真输出电流：

(6.6)

故最大不失真输出功率：

(6.7)

2.电源提供的直流功率PE

由式(6.3)定义可知，要估算效率η，需求出电源供给的直流功率PE。

在乙类互补对称功率放大器中，每个晶体管的集电极电流波形均为半个周期的正弦波形，每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

(6.8)因此，两个电源提供的功率为

(6.9)

输出功率最大时，电源提供的最大功率为

(6.10)

3.效率η

输出功率与电源的直流功率之比定义为电路的效率。在理想情况下，电路的最大效率为

(6.11)

4.管耗Pc

电源提供的直流功率与输出功率之差就是消耗在三极管上的功率，即

(6.12)可求得当Uom=0.63UCC时，三极管消耗的功率最大，其值为

(6.13)

单管的最大功率为

(6.14)

复习与讨论

6.2-1什么是OCL电路？OCL电路是怎样工作的？

6.2-2什么叫交越失真？

6.2-3乙类互补对称功率放大器为什么会产生交越失真？怎样消除交越失真？

6.2-4图6.4中A点的静态电位是多少？

6.2-5乙类互补对称功率放大器的负载RL上怎样得到完整的输出信号波形？

6.2-6图6.4中的VD1、VD2起什么作用？

本节内容对应本章练习题中的6.3、6.4。

6.3单电源互补对称功率放大器(OTL)

6.3.1电路组成及工作原理

OCL互补对称功率放大器具有效率高等优点，但由于需要正、负两个电源供电，因此给使用、维修带来不便。实际应用中，常采用单电源供电的互补对称功率放大器。如图6.6所示的电路中，V2、V3两管的射极通过一个大电容C接到负载RL上，二极管VD1、VD2和R用来消除交越失真，向V2、V3提供基极偏置电压，使其工作在甲乙类状态。图6.6单电源互补对称功率放大器(a)原理电路；(b)实物接线图静态时，调整电路使V2、V3的发射极节点P的电压为电路电源电压UCC的一半，即UCC/2，则电容C两端的直流电压为UCC/2。

当输入正弦交流信号时，电容C上的电压UC=UCC/2维持不变，可视为恒压源。这使得V2和V3的集电极—发射极回路的等效电源均为UCC/2，OTL功率放大器的工作原理与OCL功率放大器的工作原理基本相同。只要用UCC/2取代OCL功率放大器有关公式中的UCC，就可以估算OTL功率放大器的各项技术指标。6.3.2采用复合管的OTL电路

在OTL电路中，要使输出信号的正负半周对称，就要求NPN与PNP两个互补管的特性基本一致。一般小功率的异型管容易配对，但是要选配大功率异型管就非常困难。因此常用一对同型号的大功率管(即全用NPN型或全用PNP型)和一对异型的对称小功率管组成一对复合管，以取代原互补对称管，组成准互补对称功率放大器。其次，大功率管的电流放大系数β低，也是组成复合管的原因之一。

1.复合管

把两个或两个以上三极管的电极按一定的规则连接起来，等效为一个管子使用即为复合管。它共有四种连接方式，如图6.7所示。图6.7复合管的四种连接方式(a)NPN型;(b)PNP型;(c)NPN型;(d)PNP型

1)组成复合管的两个原则

(1)要保证两只管子的各极电流都能按正常的方向流通。

(2)前管的c、e极只能与后管的c、b极连接，否则前管的UCE电压会受到后管的UBE的钳制，致使两管均无合适的工作电压。

2)复合管的三个特点

(1)复合管的电流放大倍数β近似等于V1和V2管的β值之积，即β≈β１β２。

(2)复合管的管型取决于前一只管的管型。

(3)前一只管的基极作为复合管的基极，根据前管的发射极与集电极确定复合管的发射极与集电极。

2.复合管OTL功率放大器

实用的单电源复合管功率放大器如图6.8所示。

图6.8中，V2、V2

组成NPN型复合管，V3、V5组成PNP型复合管。三极管V1组成前置电压放大电路，工作在甲类状态，其集电极负载R3、R4、VD为功放级的偏置电路，其上的电压使复合管工作在甲乙类状态，以消除交越失真。

RP为V1的偏置电阻，同时起交直流负反馈作用，调节RP可使中点电压UB=UCC/2。R7、R8为穿透电流分流电阻(或称泄放电阻)，如图6.9中的Re1也是穿透电流分流电阻。R9、R10为输出限流电阻，C2、R6组成自举电路，以使V2、V4最大限度导通，提高负半周的输出幅度。

由图6.8可见，采用复合管后，大功率管V4、V5都是NPN型管，为同一导电类型，配对就比较容易了。图6.8复合管组成的功率放大器图6.9减小穿透电流电路复习与讨论

6.3-1什么是OTL电路？

6.3-2

OTL电路是怎样进行工作的？

6.3-3

OTL电路工作在乙类状态将会出现什么问题？应该采取什么办法解决？

6.3-4组成复合管时应遵循哪些原则？

6.3-5复合管有什么特点？

6.3-6功率放大器有哪些主要性能指标？

6.3-7图6.6中的P点电位是多少？

6.3-8图6.6中的电容C起什么作用？

本节内容对应本章练习题中的6.6、6.7。

6.4集成功率放大器

目前国内外的集成功率放大器已有多种型号的产品。它们都具有体积小，工作稳定，易于安装和调试等优点。对于使用者来说，只要了解其外部特性和外部线路的正确连接方法，就能方便地使用它们，下面举例介绍。6.4.1集成功放LM386

LM386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。但在脚1和脚8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。输入端以地为参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半。在6V电源电压工作条件下，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。它的突出优点是频响宽，功耗低，电源电压适应范围宽，外接元件很少。由于它能灵活地使用于许多场合，通常又称为万用放大器。图6.10是LM386的管脚排列图。它采用8脚双列直插式塑料封装，其额定工作电压范围为4~16V；当电源电压为6V时，静态工作电流为4mA，因而极适合用电池供电；脚1和8之间用外接电阻、电容元件来调整电路的电压增益；电路的频响范围较宽，可达到300kHz；最大允许功耗为660mW(25℃)，使用时不需散热片；工作电压为4V，负载电阻为4Ω时，输出功率约(失真为10%)300mW；工作电压为6Ｖ，负载电阻为4Ω、8Ω、16Ω时，输出功率分别为340mW、325mW、280mW。图6.10

LM386管脚排列图

LM386有两个信号输入端，当信号从２端输入时，构成反相放大器；从３端输入时，构成同相放大器。每个输入端的输入阻抗都为５０kΩ，而且输入端对地的直流电位接近于零，即使与地短路，输出直流电平也不会产生大的偏离。上述输入特性使LM386的使用显得既灵活又方便，下面介绍它的应用电路实例。6.4.2用LM386组成OTL应用电路

图6.11所示是用LM386组成OTL功放电路的应用电路。脚７接去耦电容C2(防自激电容)，其容量可通过测试确定。脚５为输出端，接R1、C3串联支路组成容性负载，以抵消扬声器部分的感性负载，防止在信号突变时扬声器上呈现较高的瞬时电压而使其损坏，也可省去不用。脚1、8为增益设定端，所接阻容网络RP2、C1是为了调整电路的电压增益而附加的，C2取值为10μF，RP2约为20kΩ。脚1、8间也可开路使用。C5为电源退耦电容。图6.11用LM386组成的ＯＴＬ电路综上所述，LM386用于音频功率放大时，最简电路只需一只输出电容接扬声器。当需要高增益时，也只需要增加一只10μF电容短接在脚1、8之间。例如在用做唱机放大器时，可采用最简电路；在用做收音机检波输出端时，可用高增益电路。知识窗

集成电路的基本特点

集成电路(IC)是将二极管、三极管、电阻、电容等元器件及导线集中制作在一块半导体晶片上，从而缩小体积，减轻重量，降低成本，提高电路工作的可靠性，减小组装电路、调试电路的难度。按集成电路的集成度分类，集成电路可分为小规模、中规模、大规模和超大规模集成电路。目前超大规模集成电路能在几十平方毫米的芯片上集成百万个元器件。按电路功能，集成电路可分为模拟集成电路和数字集成电路。模拟集成电路主要有集成功率放大器、集成运算放大器和集成稳压器等。

塑料扁平封装双列直插式集成电路引脚编号排列的识读方法是，面对集成电路，即有型号、文字的表面，从有标记端的左侧第一脚起逆时针依次为1、2、3…

读完一侧后，逆时针转至另一侧再读，如图6.12(a)所示。金属圆筒封装集成电路的识读方法是，管脚朝下，以间隙最大处或凸键(定位键)为标记，右边起逆时针方向依次为引脚1、2、3…

当然也可以面对引脚，改为从凸键开始右起顺时针方向依次为引脚1、2、3…

如图6.12(b)所示。图6.12集成电路的识读(a)塑料封装集成电路；(b)金属圆筒封装集成电路复习与讨论

6.4-1试分析图6.11所示的用LM386组成的OTL电路的各外接元件的作用。

6.4-2在图6.11中，如果电容C1开路，电路还能正常工作吗？

6.4-3在图6.11中，如果脚5所接10Ω电阻断路，电路将会出现什么问题？

本节内容对应本章练习题中的6.8。

6.5功率管的安全使用

功率放大器中的晶体管通常是在接近极限参数的情况下工作的，如果使用不当，就容易超过极限状态，导致功率管的损坏。下面讨论功率管安全使用的有关问题。6.5.1功率管的散热

在功率放大器中，电源提供的直流功率主要分为两部分，一部分用来给负载输送功率；另一部分由功率管自身消耗，并转化为热能，使功率管集电结结温升高。如果集电结的结温超过一定数值(锗管约为90℃，硅管约为150℃)，功率管将被损坏。因而输出功率受到管子允许的最大集电极耗散功率PCM的限制。值得注意的是，管子允许的功耗与管子的散热情况有密切的关系。如果采取适当措施散热，就有可能发挥管子的潜力，提高功率管的输出功率Po;反之，就有可能由于结温升高而导致管子损坏。所以功率管的散热问题，是功率管使用中的一个重要问题。必须引起足够重视。6.5.2二次击穿及防护措施

功率管在正常工作时，有时会突然失效，但管壳温度并不高，这种现象一般属于“二次击穿”。

1.二次击穿现象

图6.13(a)所示为晶体三极管二次击穿曲线。下面用图6.13(a)来说明二次击穿现象。当集电极电压uCE从0点逐渐增大至A点时，出现一次击穿。一次击穿是由于uCE过大而引起的正常的雪崩击穿。当一次击穿出现时，只要立即采取措施，适当控制功率管的集电极电流iC，且进入一次击穿的时间也不长，功率管不会损坏，即可以恢复原状。这就是所谓的一次击穿可逆。但是一次击穿出现后，如果没有采取有效措施，使iC继续增大至B点，功率管将迅速进入低电压大电流区(BCD段)，这种现象称为二次击穿。二次击穿不可逆，功率管将彻底损坏。由于二次击穿点因Ib的不同而不同，若把对应于每一个Ib的B点连成一条曲线，则称这条曲线为二次击穿临界线。如图6.13(b)中EF虚线所示。图6.13晶体三极管二次击穿曲线和二次击穿临界特性曲线(a)二次击穿曲线;(b)二次击穿临界特性曲线

2.产生二次击穿的原因

产生二次击穿的原因与制造工艺有关。有的管子在制造时PN结表面不平整，可以理解为单位面积的电阻值不等，导致流过PN结面的电流不均匀，个别部位的电流密度超过其它部分，于是出现局部过热。局部过热又引起局部电阻值下降，这又使电流在个别点上进一步集中，即电流密度更大。经过这种恶性循环，很快使PN结面在该点受到迅速破坏(穿透)而造成功率管永久性击穿，所以二次击穿是不可逆的。由于二次击穿速度极快，过程很短，管子仅因局部过热而损坏，因此功率管并不发烫(因为来不及)。

3.防护措施

二次击穿发生在大功率高频放大器中，所以在制作这类功率放大器时，常采用输入保护和输出保护电路，如图6.14所示。图6.14功率放大器的保护电路

4.功率管的安全工作区

小功率管有安全工作区。对于大功率管，为了确保功放管的安全工作，其安全工作区不仅受集电极允许的最大电流ICM、集电极允许的最大电压U(BR)CEO和集电极允许的最大功耗PCM(图6.15中AB曲线)的限制，还必须加上二次击穿临界曲线(图6.15中CD曲线)与坐标轴，这样围成的区域称为功率管的安全工作区，如图6.15所示。由图6.15可见，要使功率管不发生二次击穿，功率管的安全工作区域变小了。所以在选择功放管时，对极限参数的选择要留有余地，以确保功率管能够安全工作。图6.15功率管的安全工作区知识窗

功率放大管怎样散热？

在功率放大器中，由于功率管在极限运用状态下工作，集电极的工作电流大，使集电结的结温升高，如果不采取措施把这些热量散发出去来降低结温，就会使功率管过热而损坏。

降低结温的措施是加装散热片。散热片应当用具有良好导热性能的金属材料制成。因为铝材料既经济又轻便，所以常用它制成铝型材散热片，如图6.16所示。

散热效果与散热片的面积和其表面颜色有关，即面积、颜色与散热效果成正比，所以常把散热片涂成黑色，以提高散热效果。在安装散热片时，要注意功放管与散热片之间贴紧靠牢，上紧螺钉。在绝缘条件允许的情况下，可以把功率管直接安装在金属机箱或金属底板上。例如实验室的直流稳压电源就是把管子直接安装在机壳背面。图6.16功率管安装的散热片复习与讨论

6.5-1小功率硅、锗三极管的最高结温是多少？

6.5-2什么叫一次击穿？为什么说一次击穿是可逆的？

6.5-3什么叫二次击穿？为什么说二次击穿是不可逆的？

6.5-4是什么原因造成的二次击穿？

6.5-5定性画出功率管的安全工作区。本章小结

1.分析功率放大器

在前面几章中讨论的电压放大器是在小信号状态下工作的，讨论的重点是电压放大或电流放大，主要用微变等效电路法进行分析。而本章讨论的功率放大器要求输出足够大的功率，是在大信号即极限运用状态下工作的，讨论的重点是怎样才能在允许失真的情况下，尽最大可能