功率放大器及其应用

5.1.2功率放大器的分类
功率放大器通常是根据功放管工作点选择的不同来进行分 类的，分为甲类放大、 乙类放大和甲乙类放大等形式。当静态 工作点Q设在负载线线性段的中点、在整个信号周期内都有电 流iC通过时，称为甲类放大状态，其波形如图 5.1.1(a)所示。 若将静态工作点 Q 设在截止点，则iC仅在半个信号周期内通过， 其输出波形被削掉一半，如图5.1.1(b)所示，称为乙类放大状态。 若将静态工作点设在线性区的下部靠近截止点处，则其iC的流 通时间为多半个信号周期，输出波形被削掉少一半，如图 5.1.1(c)所示，称为甲乙类放大状态。
PT =UCCICQ- Po
此式说明，当未加输入信号时， 输出功率Po=0，管耗最 大，为 UCCICQ，电源给出的功率全部损耗在管子上。而当加入 信号时，输出功率Po≠0，管耗减小，所减小的部分正是输出的 信号功率 Po。 当输出最大功率时，管耗则最小。
5.2.2 推挽功率放大器
对于前述单管功率放大器，当其工作于甲类状态时，即使 是最理想情况，其效率也只有50%。这个数值在以功率输出为 主的功放电路中是不理想的。在甲类放大电路中，静态电流I CQ是造成管耗高、效率低的主要原因。降低静态电流， 使管 子工作于乙类状态，可以减少管耗、提高效率，但这样会使输 出波形被削掉一半，出现严重失真。若采用工作于乙类或甲乙 类的推挽功率放大器，既可提高放大电路的效率， 同时又能减 少信号的波形失真。下面就来讨论这种电路。
将工作状态设置为甲乙类（如图5.2.2所示）便可大大减少 交越失真。这时，由于两管的工作点稍高于截止点，因而均有 一很小的静态工作电流ICQ。 这样，便可克服管子的死区电压， 使两管交替工作处的负载中电流能按正弦规律变化，从而克服 了交越失真， 波形如图5.2.4（b）所示。
由于ICQ1与ICQ2大小相等，它们在输出变压器原边中的流 向相反，因而不会在铁芯中产生直流磁势， 工作时不致产生 饱和现象。另外，图5.2.2中，电阻Rb1、Rb2、Re的数值均比 电压放大器取的小得多。Rb1一般为几千欧，Rb2约为几十欧 至几百欧，Re是稳定工作点用的， 约为几欧至十几欧。
(四) 实训内容
1. 调整静态工作点
(1) 将直流毫安表接入电路。调节电位器RP，使两管的集 电极电流（即毫安表的读数）为3 mA左右。
(2) 将f=1kHz的正弦电压信号接到输入变压器原边， 用示 波器观察负载两端的输出电压波形。逐渐加大输入信号幅度， 直到负载上输出波形刚好不失真为止。用毫伏表测出此时负载 的端电压有效值Uo，并读取直流毫安表的指示IC。
2. 推挽功率放大器
功率放大器的主要任务是向负载提供足够大的不失真功率, 同时要有较高的效率。为了输出较大功率,功放管的工作电流、 电压的变化范围往往很大。为了提高效率，可将放大电路做成 推挽式电路，并将功放管的工作状态设置为甲乙类， 以减小交 越失真（关于交越失真的含义可暂不研究，待实训后思考）， 如实图5.1所示。
供给的功率PU与输出信号电流 iC无关，仅与电源电压UCC及静 态电流ICQ有关。也就是说，无论有无信号输入输出，电源供 给的功率是固定不变的。由此也可得出，这类功放电路的输
出功率越大，电路的效率就越高。当电路输出最大不失真功
率时，效率最高，
η-m = Pom

1 2
U
cc
ICQ
50%
PUU c c IFra bibliotekCQ图5.2.2是一个典型的推挽功率放大电路。两只晶体管V1 和V2型号相同， 参数一致。输入变压器T1副边设有中心抽头， 以保证输入信号对称地输入，使V1 和V2 两管的基极信号大小 相等、相位相反。输出变压器T2 的原边亦设有中心抽头，以分 别将V1和V2的集电极电流耦合到T2的副边，向负载输出功率。
第 5 章 功率放大器及其应用
实训5 推挽功率放大器的组装与测试
(一) (1) 通过组装测试， 初步了解推挽功率放大器的组成及工 作特点。 (2) 通过观察功放对管的电流波形，初步认识推挽电路中 两功放管交替导通的工作过程，为后面的理论学习打下“感性 认识”的基础。
(三)
1. 功率放大器的分类
按照功率放大管（简称功放管）静态工作点Q位置的不同， 功率放大器的工作状态可分为三类。
图中，电路结构对称，两个功放管V1、V2特性一致。其工 作过程为：在输入信号的正半周，V1导通、V2截止，在输出变 压器原边上半个绕组中产生电流， 耦合到副边，在负载RL中 产生半个周期输出信号；在输入信号的负半周，V2导通， V1 截止，在输出变压器原边下半个绕组中产生电流，耦合到副边，
在负载RL中产生另半个周期输出信号。这样在一个信号周期内， V1、V2“一推一挽”， 轮流工作， 便在负载上输出一个完整 的信号波形。这个工作过程在实训中要重点体会。
此时的输出功率最大。在这样条件下，根据交流负载线的
斜率可得出交流等效电阻
R′L=
U CC I CQ
在图5.2.1（b）中，最大输出电压有效值为UCEM / 2 =
ICQ / 2，最大输出电流有效值为ICM/ 2 ICQ / 2 ，故其最大不
这就是变压器耦合甲类功率放大器的最大不失真输出功率 Pom的表达式，显然，Pom为图中三角形ABQ的面积。
为了获得尽可能大的输出功率，可将 Q 点提高到靠近 PCM （集电极最大允许耗散功率）线附近。
动态时，交流等效电阻为R′L(RL），故交流负载线是一条 通过静态工作点 Q、斜率为-1/R′L 的直线，其斜率取值多少应 以输出功率既最大又不失真为最佳， 此时的R′L称为最佳负载 电阻。为此，其静态工作点的位置必须处于交流负载线的中点， 即工作于甲类放大状态。
(六) 思考题
5.1.1 功率放大器的特点
1. 输出功率足够大
为获得足够大的输出功率， 功放管的电压和电流变化范 围应很大。
2. 效率要高
功率放大器的效率是指负载上得到的信号功率与电源供 给的直流功率之比。
3. 非线性失真要小
功率放大器是在大信号状态下工作，电压、 电流摆动幅 度很大，极易超出管子特性曲线的线性范围而进入非线性区， 造成输出波形的非线性失真，因此，功率放大器比小信号的 电压放大器的非线性失真问题严重。
2. 观察放大器的输出波形及两功放管的电流波形
逐渐加大输入信号电压，直到输出电压波形刚好不失真 为止，观察并描出负载两端不失真的最大输出电压波形。再观 察此时Re1及Re2上的电压波形，由此描出两个管子的iC波形。 观察时注意比较两管的电流峰值是否相等，电流相位之间有何 关系。
将输入变压器中心抽头B点接地， 观察并描出输出电压波 形（此时波形有交越失真）。
2. 效率η
前已指出，功率放大器的效率是指负载得到的信号功率Po
和电源供给的功率PU之比，即
PO
PU
式中，PU
PU

1
2
2
0 Uccicdwt
1
2
2
0 UCC (ICQ Icm sin wt)d (wt)
UCC ICQ
由式(5.2.5)可知，功率放大器工作在甲类状态时，其电源
例5.2.1 设图5.2.1（a）中负载RL为8Ω的扬声器，集电极 电流交流分量的有效值Ic =10 mA，输出功率Po=20 mW。试求 输出变压器的变比。 若扬声器直接接入集电极电路中，可得到 多大功率？
若扬声器直接接入集电极电路中，
Po=
I
2 C
RL

(10
10 3 )2
8

0.8mW
此式说明， 甲类功率放大器的最高效率为50%。
应该说明， 这个数值只是个理想效率。 在实际电路中， 由于存在变压器损耗、管子饱和压降及 Re上压降等原因，实 际效率还要低些。比如，设变压器的效率为ηT（小型变压器 的ηT一般为0.75~0.85），则放大器最大输出功率时的总效率
η′m=ηmηT
(5.2.7)
只有这样， 输出电压、电流才能在线性放大区有最大振幅， 才能输出最大不失真功率。 理想情况下，略管子的饱和压降 UCES、穿透电流ICEO 并使管子尽限运用时，其最大集电极—发 射极交流电压幅值UCEM约等于UCC，其最大集电极交流电流 幅值ICM约等于ICQ，交流负载线是与横轴交于2UCC、与纵轴交 于2ICQ 的斜线，如图5.2.1(b)所示
图中，两个功放管V1、V2 工作在甲乙类放大状态，静态工 作点靠近截止区， 因而静态电流 IC1、IC2很小，可近似为零。 当有正弦信号 ui输入时，通过输入变压器T1 的耦合，在T1的副 边感应出大小相等、极性相反（对中心抽头而言）的信号，分
别加在V1与V2的输入回路中。
比如，在ui的正半周，设A点电位高于B点电位，即uAO>0、 uBO<0，于是V1工作、V2截止；在ui的负半周 ，B点电位高于A 点电位，即uAO<0、uBO>0，于是V2工作、V1截止。 这样，在一 个信号周期内， 两个管子轮流导通、 交替工作， 两管集电极
(五)
(1) 整理数据。 用式
pom

U02 RL
, PU
UCC IC ,

Pom pU
分别计算放大器的最大输出功率Pom、电源供给的功率PU 及效率η。
(2) 绘出所观察的波形图。
(3) 根据波形图,简述两个功放管交替工作、 在负载上完成 波形合成的工作过程。
(4) 参考输入变压器中心抽头B点接地时的输出电压波形图, 试推测产生交越失真的原因。
3. 管耗PT
功放电路的管耗PT主要是功放管消耗的功率，发生在集电 结上，是集电极耗散功率。 PT可由下式求出：
1 2
PT= 2 0 uCEic (wt)
式中, uCE、iC为总瞬时值，
uCEQ=UCEQ-Ucemsinωt iC=ICQ+Icmsinωt