功率放大电路

课堂教学安排一、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C I ，这时管耗C P 大, 电路能量转换效率低。

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C I =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。

1V 为NPN 型管，2V 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B I 、C I 、E I 均为零，负载上无电流通过，输出电压0=o u 。

2.动态分析设输入信号为正弦电压i u ，如图5.2.2(b)所示。

在输入信号为正半周，i u ＞0，三极管1V 导通，2V截止，1V 管的射极电流1e i 经CC U +自上而下流过负载，在L R 上形成正半周输出电压，o u ≈i u 。

在输入信号为负半周，i u ＜0，三极管2V 导通，1V 截止，2V 管的射极电流2e i 经CC U -自下而上流过负载，在负载L R 上形成负半周输出电压，o u ≈i u 。

这样在负载L R 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o u 虽未被放大，但由于b e o i i i )1(β+==，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C i 和电压CE u 的波形。

图中为了便于分析，将2V 管的特性曲线倒置在1V 特性曲线的右下方。

由图可见，允许的C i 的最大变化范围为cm I 2，CE u 的变化范围为L cm cem CES CC R I U U U 22)(2==-，如果忽略管子的饱和压降CES U ，则L cm cem R I U =≈CC U 。

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o P输出功率是负载L R 上的电流和电压有效值的乘积，即2m o o o o I U I P ==•2m o U L om R U 221= 当信号足够大时，CES CC cem m o U U U U -==，所以最大不失真输出功率 LCES CC L cem o R U U R U P 22(max))(2121-==≈21L CC R U 22.直流电源供给的功率DC P直流电源供给的功率是电源供给管子的电流平均值CAV I 与电源电压CC U 的乘积。

我们知道，对于最大电流为cm I 的正弦半波电流，其直流平均电流CAV I cm I π1=，所以,电源CC U 提供的功率 CC cm DC U I πP 1=1CC Lom U R U π1= 考虑到正、负两组电源供电，所以电路电源供给的总功率 πP DC 2=CC Lom U R U 当输出功率做大时，cem om U U =≈CC U ，所以 LCC DC R U P 2(max)2π= 3.管耗C P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-=-==CC L om O DC C C U R U P P P P π2(21)(2121)212Lom R U Lom CC L om R U U R U π241-1= 显然，当0=om U ，即无信号时，管子的损耗为零。

当输出电压om U ≈CC U 时，由式可求出乙类互补对称电路每个管子的管耗为 ππR U P L CC C -4=21≈0.137om P 可用求极值的方法，求出最大管耗。

对式（5.2.6）求导，并令其为零0)2(11=-=om CC L om C U U R dU dP π 得 CC om U πU 2=说明当CC om U πU 2=≈0.6CC U 时，管耗最大，代入式（5.2.6）得到每只管子的最大功耗值为 LCC C R U P 22(max)11π=≈0.2(m ax)O P 4.效率η效率是指输出功率与电源供给的功率之比，即CC om DC O U U P P 4πη== 当CC om U U =时=4=πη78.5℅ 5.功率管的选择条件功率管的极限参数CM P 、CM I 、CEO BR U )(，应满足下列条件（1）功率管最大允许功耗 =≥(max)CI CM P P 0.2(m ax)o P（2）功率管的最大耐压CEO BR U )(≥2CC U 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2CC U 。

（3）功率管的最大集电极电流LCC CM R U I ≥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 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B i 必须在BE u 大于一个数值（即门坎电压，NPN 硅管约为0.6V ，PNP 锗管约为0.2V ）时，才有显著变化。

当输入信号i u 低于这个数值时，1V 和2V 管都截止，1C i 和2C i 基本为零，负载L R 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1V 上的集电极静态电流流经1VD 、2VD 、P R 形成的压降，供给2V 和3V 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L R 上无静态电流流过，两管的发射极电压K U =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o u 和i u 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1V 组成前置放大级，2V 和3V 组成互补对称电路输出级。

静态时，通过调节P R 的阻值，可使Κ点的电位CC K U U 21=，电容C 两端的静态电压也为CC C U U 21=，这样两管的集、射极之间如同分别加上了CC U 21+和CC U 21-的电源电压，取代了双电源功放电路中的CC U -。

另外，Κ点的电位通过1R 、2R 、P R 分压后，作为1V 管放大电路的偏置电压。

当有输入信号i u 时，在信号的负半周，1V 的集电极电压信号为正半周，2V 导通，3V 截止，2V 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，2V 处于饱和状态，Κ点的电位接近于CC U +，由于电容C 的容量大，其两端的电压CC C U U 21=基本不变，使负载获得输出信号电压正半周的幅值为(m ax)om U ≈CC U 21；在输入信号的正半周，1V 的集电极电压信号为负半周，3V 导通，2V 截止，这时电容C 上的电压（CC C U U 21=）作为3V 管的直流工作电源，通过3V 向L R 放电，只要选择时间常数C R L 足够大（比信号周期大得多），可认为电容两端的电压CC C U U 21=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，3V 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(m ax)om U ≈CC U 21-。

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CC U 21，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CC U 参数全部改为CC U 21就可以了。

例如最大输出信号电压的幅值为(m ax)om U ≈CC U 21，而其最大输出功率(m ax)o P ≈21LCC L CC R U R U 2281=21)(。