(完整word版)功率放大电路

一、功率放大电路的特点

功率放大电路在多级放大电路中处于最后一级，又称输出级，其任务是输出足够大的功率去驱动负载，如扬声器、伺服电动机、指示仪表等。从能量控制的观点来看，功率放大电路与电压放大电路没有本质的区别，但由于功率放大电路的任务是输出功率，通常在大信号状态下工作，所以功率放大电路与电压放大电路相比，功率放大电路又有一些新的特点：

1.输出功率大

为了获得大的功率输出，功放管的输出电压和电流的幅度足够大，往往在接近极限状态下工作。 2.效率高

由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，这就存在一个效率问题。所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。 3.非线性失真

功率放大电路是在大信号下工作，通常工作在在饱和区与截止区的边沿，所以不可避免地会产生非线性失真。

4.三极管的散热

功率放大器在输出功率的同时，三极管消耗的能量亦较大，为了充分利用允许的管耗而使三极管输出足够大的功率，三极管的散热就成为一个重要问题。 5.性能指标

以分析功率为主，主要计算输出功率、管子消耗功率、电源供给的功率和效率。 此外，在分析方法上，由于三极管处于大信号下工作，通常采用图解法。 二、功率放大电路的分类

根据功率放大电路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

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），缺点是在没有输入信号时，三极管有较大的静态电流IC，这时管耗PC大,

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IC=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。

甲乙类放大电路的工作点设在放大区但接近截止区，静态时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。

乙类互补对称功率大电路（OCL电路） 一、电路组成及工作原理

图5.2.2(a)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。V为NPN型管，V为PNP型管,两管参数对称。两管的基极相连作为输入端，两管的射极相连作为接负载的输出端，两管的集电极分别接上一组正电源和一组负电源。从电路可知，每个管子组成共集电极组态放大电路，即射极电压跟随器电路。

1.静态分析

静态时，由于电路无偏置电压，两三极管都工作在截止区，此时IB、IC、IE均为零，负载上无电流通过，输出电压uo。

2.动态分析

设输入信号为正弦电压ui，如图5.2.2(b)所示。在输入信号为正半周，ui＞，三极管V导通，V

截止，V管的射极电流ie经UCC自上而下流过负载，在RL上形成正半周输出电压，uo≈ui。在输入信号为负半周，ui＜，三极管V导通，V截止，V管的射极电流ie经UCC自下而上流过负载，在

uo≈ui。负载RL上形成负半周输出电压，这样在负载RL上获得了完整的正弦波信号电压，如图5.2.2(c)

所示。输出电压uo虽未被放大，但由于ioie(1)ib，具有电流放大作用，因此具有功率放大作用。这种电路的结构和工作情况处于对称状态，且两管在信号的正、负半周轮流导通工作，故称之为互补对称电路。

图5.2.3中显示了乙类对称互补功率放大电路的电流iC和电压uCE的波形。图中为了便于分析，将V管的特性曲线倒置在V特性曲线的右下方。由图可见，允许的iC的最大变化范围为Icm，uCE的变化范围为2(UCCUCES)2Ucem2IcmRL，如果忽略管子的饱和压降UCES，则UcemIcmRL≈UCC。

二、乙类双电源互补功率放大电路功率参数计算

对功率放大电路主要根据图5.2.3所示的正弦波形来分析计算输出功率、电源供给功率、管耗及效率等参数。

1.输出功率Po

输出功率是负载RL上的电流和电压有效值的乘积，即

PoIoUo当信号足够大时，UomUcemUCCUCES，所以最大不失真输出功率

Iom2Uom21Uom 2RL221Ucem1(UCCUCES)2UCC≈ Po(max)RL2RL2RL

2.直流电源供给的功率PDC

直流电源供给的功率是电源供给管子的电流平均值ICAV与电源电压UCC的乘积。我们知道，对于最大电流为Icm的正弦半波电流，其直流平均电流ICAVIcm，所以,电源UCC提供的功率 πPDCUomUCC IcmUCCπRπL考虑到正、负两组电源供电，所以电路电源供给的总功率

PDCUomUCC

πRL当输出功率做大时，UomUcem≈UCC，所以

22UCC PDC(max)

RL 3.管耗PC

电源供给的功率的一部分转化为功率输出后，其余部分消耗在功率管上变为热量，利用式和（5.2.4）可得

PC1PC22112Uom1Uom(PDCPO)(UCC) 22RL2RLUomUom UCCπRLRL显然，当Uom，即无信号时，管子的损耗为零。当输出电压Uom≈UCC时，由式可求出乙类互补对称电路每个管子的管耗为

UCCπ PC≈0.137Pom

RLπ可用求极值的方法，求出最大管耗。对式（5.2.6）求导，并令其为零

dPC11UCCUom()0 dUomRL2得 Uom 说明当UomUCC πUCC≈0.6UCC时，管耗最大，代入式（5.2.6）得到每只管子的最大功耗值为 π21UCC PC1(max)2≈0.2PO(max)

RL4.效率η

效率是指输出功率与电源供给的功率之比，即

POUom PDC4UCC当UomUCC时

η5.功率管的选择条件

功率管的极限参数PCM、ICM、U(BR)CEO，应满足下列条件 （1）功率管最大允许功耗

π78.5℅ PCMPCI(max)0.2Po(max)

（2）功率管的最大耐压

U(BR)CEO2UCC 这是由于，当一只管子饱和导通时，另一只管子承受的最高反压为2UCC。 （3）功率管的最大集电极电流

ICM甲乙类互补对称功率放大电路

一、甲乙类双电源互不对称功率放大电路（OCL）

1.交越失真

UCC RL前面讨论了有两个射极输出器组成的乙类基本互补对称电路图5.2.2（a），实际上这种电路并不能使输出波形很好地反映输入的变化，由于没有直流偏置，管子的iB必须在uBE大于一个数值（即门坎电压，

V和V时，才有显著变化。当输入信号ui低于这个数值时，NPN硅管约为0.6V，PNP锗管约为0.2 V）

管都截止，iC和iC基本为零，负载RL上无电流电压，出现一段死区，如图5.3.1所示。这种现象称为交越失真。

2.甲乙类双电源互补对称功率放大电路

为减少和克服交越失真，通常采用图5.2.5所示的电路。由前置激励电压放大级V上的集电极静态电流流经VD、VD、RP形成的压降，供给V和V两管一定的正偏压，使两管在静态时处于微导通状态。由于电路对称，两管的静态电流相等，因而负载RL上无静态电流流过，两管的发射极电压UK=0。这样，当有信号时，就可使放大器输出在零点附近仍能基本得到放大，也就是uo和ui 基本呈线性关系，此时电路就工作在甲乙类。但是，为了提高工作效率，在设置偏压时，应尽可能接近乙类状态。 二、甲乙类单电源互补对称功率放大电路（OTL）

1.基本电路及工作原理

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C即可。这种电路通常又称无输出变压器的电路，简称OTL电路，如图5.2.6所示。图中V组成前置放大级，V和V组成互补对称电路输出级。静态时，通过调节RP的阻值，可使Κ点的电位UKUCC，电容C两端的静态电压也为

UCUCC，这样两管的集、射极之间如同分别加上了UCC和UCC的电源电压，取代了双电源功

放电路中的UCC。另外，Κ点的电位通过R1、R2、RP分压后，作为V管放大电路的偏置电压。

当有输入信号ui时，在信号的负半周，V的集电极电压信号为正半周，V导通，V截止，V以射极输出器形式将信号传送给负载, 同时对电容C充电，随着输入信号的减小，Κ点的电位逐渐上升。若输入信号足够大，在输入信号到达负的幅值时刻，V处于饱和状态，Κ点的电位接近于UCC，由于电容C的容量大，其两端的电压UCUCC基本不变，使负载获得输出信号电压正半周的幅值为Uom(max)≈UCC；在输入信号的正半周，V的集电极电压信号为负半周，V导通，V截止，这时电容C上的电压（UCUCC）作为V管的直流工作电源，通过V向RL放电，只要选择时间常数RLC足够大（比信号周期大得多），可认为电容两端的电压UCUCC基本不变，随着输入信号的增加，Κ点的电位逐渐下降，



若输入信号足够大，在输入信号到达正幅值时刻，V处于饱和状态，Κ点的电位接近于0，使负载获得输出信号负半周电压的幅值为Uom(max)≈UCC。

2.功率参数的计算

单电源互补对称功放电路的每一个功率管的实际工作电压为UCC，为双电源互补对称电路功放电路功率管电源电压的一半。因此在计算功率参数时，可利用双电源功放电路的计算公式（5.2.1）～（5.2.13），只需将其中的UCC参数全部改为UCC就可以了。例如最大输出信号电压的幅值为Uom(max)≈UCC，而

(UCC)UCC其最大输出功率Po(max)≈。 RLRL3.具有自举电路的OTL电路

从上述单电源互不对称功放电路的分析可知，在输入信号作用下，负载两端可获得输出电压最大幅值为Uom(max)≈UCC。上述情况时理想的，实际上，图5.2.6是达不到Uom(max)≈UCC的，这是因为当ui为负半周时，V导通，它输出到负载的电流增加，因而V的基极电流也增加，由于RC的压降和UBE的存在，当Κ点的电位向UCC接近时，V1的基极电流将受限制而不能增加很多，因而也就限制了V输向负载的电流，式负载两端得不到足够的电压变化量，致使输出电压幅值远小于UCC。

图5.2.7所示为具有自举电路的单电源甲乙类互补对称功放电路，该电路在图5.2.6电路的基础上增加了由R3、C组成的自举电路。静态时，若不考虑R3上较小的压降，uDUD≈UCC，而

11uKUKUCC，因此电容C两端电压被充电到UC2≈UCC。

22在动态时，由于R3C的时间常数足够大，电容C两端电压UC2基

本不变，不随输入信号的ui的变化而改变。这样当输入信号ui为负半周时，V导通，uK将有UCC向更正的方向变化，考虑到D点的电位uDUC2uK，显然，随着K点的电位升高，D点的电位也自动升高。在R3对uD和电源UCC隔离作用下，可使uD＞UCC，这样即使输出电压幅度升得很高，也有足够的电流流过V的基极，使V充分导通，使Uom(max)接近UCC。这种工作方式称为自举，意思是电路本身把uD提高了。

值得注意的是，图5.2.7中的互补对称电路与前置级是直接耦合的，前后级之间存在着互相联系何影



响。调整时不能采用分级调整的方法，因此调整比较困难。对于图5.2.7电路，一般可以改变RP1的阻值的大小来改变IC3，从而改变V、V的基极电位，使V和V的集电极和发射极之间的电压相等（均为

。RP2用来调节消除交越失真，使交越失真刚好消除。但由于调节RP1是为了改变IC3的大小，这UCC）

又会影响V、V的基极电位，致使功率管工作点改变，因此又可能重新产生交越失真或过调。调节RP2虽能消除交越失真，但又会影响K点的电位。因此，RP1和RP2要反复调整才能符合要求。另外，在调整时，千万不能将VD、VD、RP2断开，否则，会使V的基极电位升高，V的基极电位变低，使V、V的电流变得很大而导致损坏。 复合互补对称功率放大电路

在输出功率要求较大时，输出管就要求采用中功率或大功率管。但是，要是较大功率的PNP和NPN管的输入特性和输出特性都接近是很困难的，而选择特性相同的两个PNP管或两个NPN管作输出，则比较容易。可是这样在一个信号作用下难以实现两输出管交替工作。解决这个矛盾的方法通常时采用复合管。 一、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5.2.8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。

复合管连接原则和等效管型判断方法： 1. V、V管相连的电极，电流前后流向一致； 2.复合管的等效管型取决于前一只管V的管型；

3复合等效的电流放大系数近似为组成复合管的各三极管β的乘积，其值较大。这一结论，可从图5.2.8(a)得到证明。