第3章：功率放大器

仙桃职业学院机械电子工程学院第3章功率放大器

本章要点：正确理解典型功放电路的组成原则，工作原理以及工作在甲乙类状态的特点；熟悉功放电路最大输出功率的估算方法；了解功放管的选择方法；了解集成功率放大电路的工作原理。

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3.1功率放大器的概述3.2互补对称功率放大电路3.3功率放大电路的安全运行3.4集成功率放大器仙桃职业学院机械电子工程学院3.1功率放大器的概述3.1.1功率放大电路的特点一、输出功率足够大二、效率要高三、非线形失真要小四、图解分析法仙桃职业学院机械电子工程学院功率放大器从不同的角度可有不同的分类：一、按照静态偏置的不同分为，甲类、乙类、和甲乙类三种基本形式。

甲类：如图（a）所示，静态电流大,导通角θ=2π，效率低,管耗较大,波形失真小。3.1.2功率放大电路的分类

仙桃职业学院机械电子工程学院如图（b）所示，导通角θ=π,静态偏置电流IBQ=0,波形失真大,静态功耗为零,效率最高。乙类：仙桃职业学院机械电子工程学院甲乙类：二、耦合方式：变压器耦合、直接耦合。如图（c）所示，导通角π<θ<2π,它的IBQ较小,导通时间比半个周期稍长而不足整个周期,介于甲类和乙类中间，称为甲乙类,其效率接近乙类功放的效率。仙桃职业学院机械电子工程学院3.2互补对称功率放大电路3.2.1OCL电路的组成及工作原理

一、电路组成电路如图3.2所示。图中T1、T2是两个特性一致的NPN型和PNP型三极管。图3.2基本互补对称电路

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无信号时,发射极电压uE=0,RL中无静态电流,IBQ=0、ICQ=0,故电路中无静态损耗。有正弦信号ui输入时,两管轮流工作。正半周时,T1因发射结正偏而导通,在负载RL上输出电流iC1,如图中实线所示,T2因发射结反偏而截止。同理,在负半周时,T2因发射结正偏而导通,在负载RL上输出电流iC2,如图中细线所示,T1因发射结反偏而截止。这样在信号ui的一个周期内，电流iC1、iC2以正反两个不同的方向交替流过负载电阻RL，在RL上合成一个完整的略有点交越失真的正弦波信号。

二、电路分析：仙桃职业学院机械电子工程学院一、输出功率P0及最大不失真输出功率P0(max)

式中，Uo、Io为正弦交流有效值，Uom、Iom为正弦交流的幅值（半峰值）。上式是一般情况下的输出功率计算。3.2.2OCL电路的输出功率及效率

仙桃职业学院机械电子工程学院如果T1、T2参数对称，它们的幅值饱和管压降相等则当ui幅值足够大时，输出的正弦半峰的最大值为：Uom（max）=VCC-UCE(sat)≈Vcc

则电路的最大不失真输出功率为

或（忽略UCE(sat)时）

仙桃职业学院机械电子工程学院由于T1、T2管交替导通，可以认为iC1、iC2近似为正弦波的半波，每个电源各提供半个周期的电流，则两个电源提供的总功率PDC一般为：

最大输出时的功率PDC(max)的表达式为：二、直流电源提供的平均功率PDC、PDC(max)

仙桃职业学院机械电子工程学院一般输出时效率为：当Uom=VCC时效率最大:三、效率η、η（max）

仙桃职业学院机械电子工程学院总管耗PT（top）：每只管的最大管耗和最大功率之间的关系为:

四、总管耗PT（top）、最大管耗PT（max）

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例:3.1在图3.2中所示的乙类互补对称功放电路中,设VCC=12V,RL=8Ω,试求：

①当输入信号足够大，使集电极电压能够充分运用时的PO（max)、PDC（max)、η（max)、PT（top)；

②当输入信号电压有效值4V时的PO、PDC、η、PT；

③若三极管饱和压降UCE(sat)=1V，不可忽略，在计算①题中各参数。仙桃职业学院机械电子工程学院解：①输入信号足够大时，忽略管子饱和压降，输出电压幅值约等于电源电压，可输出最大功率。最大输出功率为

电源供给最大功率为:此时的效率为:总功耗为:仙桃职业学院机械电子工程学院

电源供给功率为：

②若输入电压有效值为4V，则

考虑到射极输出器的输出电压近似等于输入电压，故

输出功率为：

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双管的管耗:

③若三极管饱和压降不可忽略，则

效率为:仙桃职业学院机械电子工程学院

3.2.3OCL电路中晶体管的选择

若想得到预期的最大输出功率，则晶体管的有关参数须满足以下条件：

a.每只晶体管的最大管耗:

PT（max）（或0.2）

b.应选用的晶体管的晶体管

c.晶体管的最大集电极电流为。因此晶体管的IC（max）不宜低于此值（稍微低是允许的，因为集电极电流超过IC（max）），晶体管只是β下降，并不至于损坏。仙桃职业学院机械电子工程学院例3.2：电路如图3.3所示，晶体管临界饱和管压降为2V，试计算这个电路的最大不失真输出功率，此时的效率是多少？最大管耗是多少？

图3.3互补功率放大器

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此时的电源功率为：故效率：

晶体管的最大管耗：

每只晶体管的最大管耗约为2.85W。

解：最大输出功率为：仙桃职业学院机械电子工程学院例3.3已知互补对称功率放大电路如图3.2所示,已,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PDC和管耗PT1,并说明该功放电路对功率管的要求.

解：（1)求略去三极管饱和压降,最大不失真输出电压幅度为最大输出功率此时每管的管耗为

电源供给功率仙桃职业学院机械电子工程学院因此，为了保证功率管不损坏，则要求功率管的集电极最大允许损耗功率为：（2）功率管的选择

该功放晶体管实际承受的最大管耗为：

仙桃职业学院机械电子工程学院由于乙类互补对称功率放大电路中一只晶体管导通时，另一只晶体管截止，由图3.2可知，当输出电压达到最大不失真输出幅度时，截止管所承受的反向电压为最大，且近似等于2为了保证功率管不致被反向电压所击穿，因此要求三极管的。

放大电路最大功率输出状态时，集电极电流幅度达最大值，为使放大电路失真不致太大，则要求功率管最大允许集电极满足

仙桃职业学院机械电子工程学院图4.4单电源互补对称功率放大器

3.2.4OTL电路1．电路组成图4.4所示,为单电源供电的互补对称功率放大器。这种形式的电路无输出变压器，而有输入耦合电容，简称OTL。

仙桃职业学院机械电子工程学院2．电路分析

图3.4电路中，功放管工作于乙类状态。静态时，因电路对称，两管发射极E点电位为电源电压的一半，负载中没有电流。动态时，在输入信号正半周T1导通，T2截止，T1以射极输出的方式向负载RL提供电流i0=iC1，使负载RL上得到正半周输出电压，同时对电容C充电。

仙桃职业学院机械电子工程学院在输入信号负半周，T1截止，T2导通，电容C通过T2、RL放电，T2放电，T2也以射极输出的方式向RL提供电流i0=iC2在负载RL上得到负半周输出电压。电容C这时起到负电源的作用。为了使输出波形对称，即iC1与iC2大小相等，C的容量足够大。

在前面各参数计算式中，只要将VCC改为，就可用于单电源互补电源对称功率放大器。

仙桃职业学院机械电子工程学院3.3.1功放管的二次击穿

一、功放管二次击穿曲线

（a）二次击穿现象（b）二次击穿临界曲线

图3.5晶体管的二次击穿仙桃职业学院机械电子工程学院二、二次击穿的原因二次击穿是由于管子内部结构缺陷（如发射结表面不平整、半导体材料电阻率不均匀等）和制造工艺不良等原因引起的，为不可逆击穿，时间过长（如一秒种）将使管子毁坏。进入二次击穿的点随基极电流IB的不同而变，把进入二次击穿的点连起来就成为图（b）所示的二次击穿临界曲线。为此，必须把晶体管的工作状态控制在二次击穿临界曲线之内。仙桃职业学院机械电子工程学院三．防止二次击穿的措施

使用功率容量大的晶体管，改善管子散热情况，以确保其工作在安全区之内；使用时应避免电源剧烈波动、输入信号突然大幅度增加、负载开路或短路等，以免出现过压过流；在负载两端并联二极管（或二极管和电容），以防止负载的感性引起功放管过压或过流，在功放管的c、e端并联稳压管以吸收瞬间过电压。仙桃职业学院机械电子工程学院3.3.2功放管散热问题一、功放管发热原因功率放大器的工作电压、电流都很大，管耗大，使管子本身升温发热。当管子温度升高到一定程度（锗管一般为75—90℃，硅管为150℃）后，就会损坏晶体结构。二、功放管散热措施给功放管加装由铜、铝等导热性能良好的金属材料制成的散热片子（板）。

仙桃职业学院机械电子工程学院3．4集成功率放大器一、集成功率放大器的品种和型号二、电路结构多半和运算放大器基本相同或相似，如LM384及LM386等集成功率放大器都由输入极、中间极和输出极组成。输入极是复合管差动放大电路，它有同向和反向两个输入端，它的单端输出信号传送到中间共发射极放大级，以提高电压放大倍数，输出极是OLT互补对称放大电路，故为单电源供电。中间极和输出极的电路和复合管的组成的互补对称放大电路大致相同。仙桃职业学院机械电子工程学院图3.6LM386构成的功率放大电路

三、集成功率放大器实例仙桃职业学院机械电子工程学院本章小节

1、各种功率放大电路的工作点（重点）

2、互补对称功率放大电路的工作原理（1）基本OCL电路的原理，及存在的问题（重点：交越失真）

（2）交越失真的产生原因，克服交越失真的两种方法。

（3）单电源（OTL）电路。

（4）最大不失真输出功率