《电路与电子技术》课件第9章

第9章功率放大器

9.1功率放大器的概念、要求和类型9.2互补对称功率放大器9.3集成功率放大器9.1功率放大器的概念、要求和类型

1.功率放大器的概念

一般电子设备中的多级放大器，如图8.29所示，其输入级和中间级(前置级)大都属于电压放大器，其作用是将电压信号进行放大。而输出级（末级和末前级）一般为功率放大器（简称功放），其作用是把电压放大器送来的低频信号进行功率放大，即不但要向负载提供足够大的电压信号，而且要向负载提供足够大的电流信号，从而推动负载工作。

2.对功率放大器的要求

功率放大器和电压放大器在放大信号方面没有本质的区别，但对二者的要求不一样。对于电压放大器，要求其电压放大倍数大，工作稳定;而对功率放大器，则要求其输出功率大、效率高，而且非线性失真小。

功率放大器的效率定义为输出功率（负载获得的信号功率）Po与电源供给的直流功率PE之比，即(9.1)其中，输出功率Po为输出电压Uo和输出电流Io的乘积，即Po=UoIo

(9.2)

电源供给的直流功率PE为电源电压VCC和流过电源的直流电流IC的乘积，即PE=VCCIC

(9.3)

3.功率放大器的种类

根据功率放大器中三极管静态工作点位置的不同，可将功放分为甲类、乙类和甲乙类三种类型，如图9.1所示。

甲类功放的静态工作点Q大致工作在交流负载线的中点，无论有无输入信号，三极管在输入信号的一个周期内均导通。但由于三极管导通时间长、功耗大，使输出效率较低，因此实际的功率放大器并不采用甲类功放。

乙类功放的静态工作点设置在截止点IC≈0，三极管在输入信号的半个周期内导通，管耗最小，效率最高，但输出波形严重失真。甲乙类功放的静态工作点Q接近于截止区,特点是管耗和失真较小、效率较高，三极管导通时间小于输入正弦信号的一个周期，而大于半个周期。图9.1功率放大器的类型

(a)甲类；(b)乙类；(c)甲乙类 9.2互补对称功率放大器

9.2.1

OCL乙类互补对称功率放大器

1.工作原理

电路如图9.2所示。OCL是指输出端无输出电容，输出与负载RL直接耦合；互补对称是指V1（NPN）和V2（PNP）为导电类型相反、参数相同，且工作在乙类的两只功放管轮流导通，相互补足；OCL电路要求双电源供电。图9.2

OCL乙类互补对称功放原理电路

静态时(ui=0)，V1、V2

均处于零偏而截止，输出电压uo=0，此时电路不消耗功率。

当输入信号为正半周(ui>0)时，V1导通，V2截止，输出电流通过电源VCC流入V1的集电极，从发射极流出,经过负载RL到地，负载获得正半周输出电压uo>0。

当输入信号ui<0时，V1截止而V2导通，则负载RL上的电流方向与信号正半周时刚好相反，负载获得负半周输出电压uo<0。

由以上分析可知，在输入信号的一个周期内，经过V1和V2管的轮流导通，负载上正、负半波叠加后便形成了一个完整的正弦波输出信号，其工作波形如图9.3所示。图9.3工作波形

2.输出功率和效率

1)输出功率

静态时，io=0，没有功率输出。动态时，集电极电流都为半个周期的正弦波。设两个管子的饱和压降UCES≈0，则输出电压的最大幅度为Uom≈VCC，其最大输出功率为(9.4)

2)效率

直流电源提供的功率只有一部分转化为信号功率，另外一部分主要被管子本身消耗掉了(大约占输出功率的20％）。可以证明两组电源提供的总功率为(9.5)则效率为(9.6)

在理想情况下（UCES≈0，Uom≈VCC），η达到最大值，即η=π/4=78.5%。事实上，由于饱和压降及元件损耗等因素，乙类功放的实际效率一般为60%左右。

3)交越失真

乙类互补对称功率放大器，由于没有直流偏置，当输入信号ui的幅度低于管子的死区电压时，V1和V2截止，io=0，uo=0，这就使输出电流、电压的波形发生畸变。这种由于管子的死区电压，使得输入、输出电流的波形在正、负半周过零处产生的非线性失真,称为交越失真，如图9.4所示。图9.4交越失真例9.1如图9.2所示的乙类互补对称功率放大器，已知VCC=24V，RL=8Ω，试估算：

（1）该电路最大输出功率Pom；

（2）最大管耗PTm；

（3）说明该功放电路对功率管的要求。

解（1）最大输出功率（2）最大管耗（3）选择功率管应满足以下的条件：

为保证管子不被烧坏，功率管的最大允许管耗PCm应满足PCm≥PTm=7.2W当输出电压Uo达到最大不失真输出幅度时，截止管所承受的反向电压也为最大，且近似等于2VCC，故要求管子的最大反向击穿电压U(BR)CEO应为另外，功率管的最大集电极允许电流ICm应满足条件9.2.2

OCL甲乙类互补对称功率放大器

减小和克服乙类功放交越失真的方法是给两个功放管设置一个较小的静态偏压，从而使两个管子在静态时就处于导通状态。用这种方式设计的功放称为OCL甲乙类互补对称功率放大器，如图9.5所示。图中利用了二极管的直流压降作为功放管的基极偏压来克服交越失真。图9.5OCL甲乙类互补对称功率放大器9.2.3

OTL甲乙类互补对称功率放大器

OCL电路中的双电源供电方式在实际使用中有诸多不便，若在功放的发射极和负载RL之间加一大的电解电容C，且使电容C两端的电压稳定在VCC/2，则电容C就可以代替OCL电路中负电源的作用为V2管供电。图9.6所示的电路，为单电源供电甲乙类互补对称功率放大器，简称OTL电路，OTL是指输出无变压器。图9.6

OTL甲乙类互补对称功率放大器

OTL电路中有关输出功率、管耗等指标的计算方法与OCL电路相同，但由于OTL电路中每只三极管的工作电压仅为VCC/2，因此在应用OCL电路的有关公式时，应将VCC用VCC/2替代。

当要求功率放大器的输出功率较大时，选配符合电路对称要求的大功率NPN和PNP管就比较困难。解决这个问题的方法是：把两个型号和参数都相同的大功率管通过驱动管变成复合管，如图9.7所示。其中V1为驱动管，V2为大功率管。

从图9.7可知:图9.7复合管的连接方法和等效电路

(2)若V1、V2的放大倍数为β1和β2，则复合管的总放大倍数β=β1β2。

(3)复合管的等效管型与驱动管的管型相同。 9.3集成功率放大器

集成功率放大器是一种能完成功率放大功能的集成电路，其特点是性能稳定、可靠、适应长时间工作。有些种类的集成功率放大器内还有过载保护和热切断电保护电路，在输出过载或负载短路时起到保护作用。使用这种集成电路时，只需在电路外部接入规定数值的电阻、电容、电源及负载，就可向负载提供一定的功率。

图9.8是型号为SL33的集成功率放大器作为收音机的功放输出使用时的电路接线图。SL33外部有14个引脚，内部由9个三极管、10个电阻构成甲乙类互补对称电路，输出功率为130mW。图9.8SL33集成功率放大器接线图图中各元件的作用如下。

电容C1：电源的滤波电容，作用是保证引脚1端电位稳定；

电容C2：消振电容，作用是防止电路可能产生的高频振荡；

电阻Rf、电容C3：与负载（8Ω喇叭）并联构成阻尼网络，使并联电路成为纯电阻负载；

电容C4（输出耦