第7章功率放大器(17页)

第七章 功率放大器功率放大器的大体要求及分类7.1.1 功率放大器的要紧技术指标1．足够的输出功率为了取得足够大的输出功率，要求功放管应有足够大的电压和电流输出幅度，但又不许诺超过三极管的极限参数I CM （极限电流），P CM （极限功耗）和U (BR)CEO （极限击穿电压）。

2．效率要高功率放大器的效率是指负载取得的信号功率O P 与直流电源提供的直流功率DC P 之比，用η表示，即DC O P P /=η （7-1）这一点在小信号电压放大器中没必要考虑，因为电路的输出功率较小。

而在功率放大器中就必需考虑效率，即如何将必然的直流能量转换成尽可能大的交流能量。

3．非线性失真要小由于功放管工作于大信号状态，电压和电流信号转变幅度大，极可能会超出三极管特性曲线的线性范围，产生非线性失真。

在一些操纵电路中，输出功率是要紧问题，非线性失真问题不算突出，但也不可忽略；而在收音机及高保真音响设备中，对减小非线性失真就有很严格的要求。

4．功放管散热要好在功率放大器中，有相当一部份电能以热的形式消耗，使功放管温度升高。

因此，要利用散热装置来提高功放管的最大许诺耗散功率，从而提高功率放大器的输出功率。

例如，当3DD207（见图7-1所示，TO-3封装，硅NPN 低频大功率三极管，耗散功率30W ，集电极电流3A ，金属封装）不加散热器，环境温度在20ºC 时，该管P CM 仅为3W ；装置适合的散热器，P CM 可提高到30W 。

7.1.2 功率放大器的分类1．按功放管静态工作点的设置分类依照功放管静态工作点Q 在交流负载线上的位置不同，可分为甲类、乙类、甲乙类等，它前面所讨论的低频电压放大器的主要任务是把微弱的信号电压放大，输出功率并不一定大。

而在实际应用中，往往要求多级放大器的末级能输出足够的功率驱动负载正常工作，如使扬声器发声、继电器动作、仪表显示、伺服电动机转动等。

这类主要用于向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大器，简称功放。

本章主要讨论图7-1 三极管3DD207们的电路结构及工作特性对照见表7-1。

项目电路分类电路结构①输出特性曲线及电流波形Q在交流负载线的位置工作特点或优点缺点及使用甲类功放中间I CQ较大功放管在输入信号的整个周期内都处于放大状态，输出信号无失真静态电流大，管耗严重，效率很低，实际上很少采用乙类功放很低I CQ≈01．功放管仅在输入信号的半个周期内导通，输出为半波信号2．需要两只功放管组合起来，交替工作，在负载上合成一个完整的全波信号1．存在交越失真2．功放管静态电流约等于零，功耗极小，效率高，多用于要求不高的场合甲乙类功放较低I CQ较小1．功放管的导通时间略大于半个周期，输出波形比乙类削波程度小些，不是把整个半周全削掉2．需要两只功放管组合起来，交替工作，在负载上合成一个完整的全波信号3．消除交越失真功放管静态电流稍大于零，功耗较小，效率较高，最为常见的电路结构（表中一、5图都是在原图上更改过的，原图有错误或不妥的地方）①关于每种电路的结构分析和原理描述见后文。

2．按功率放大器的输出端的特点分类 （1）变压器耦合功率放大器（2）输出无变压器功率放大器（OTL ②） （3）输出无电容功率放大器（OCL ③） （4）桥式推挽功率放大器（BTL ④）变压器耦合功率放大器可通过变压器变换阻抗，使负载取得最大功率，但由于变压器体积大、笨重、频率特性差，且不便于集成化，目前应用较少。

OTL 、OCL 和BTL 电路都不用输出变压器，它们都有现存的集成电路，在实际工程中较多采纳。

7.1.3 功率放大器的分析方式因为功率放大电路输出电压和输出电流幅值均专门大，功率管特性的非线性不可忽略；因此在分析功放电路时，不能采纳仅适合于小信号的交流等效电路法，而应采纳图解法。

另外，由于功放电路的输入信号较大，输出波形容易产生非线性失真，电路中应采纳适当方式改善输出波形，如引入交流负反馈。

变压器耦合功率放大器在电源电压确信后，输出尽可能大的功率和提高转换效率，始终是功率放大器要研究的要紧问题。

因此围绕这两个性能指标的改善，可组成不同电路形式的功放。

理论分析证明：共射放大电路输出功率和效率都很小，不适合于作为功放电路。

于是，人们想到把集电极电阻用变压器的一次（侧）绕组来代替，经阻抗变换后，由变压器的二次（侧）绕组输出驱动负载，这确实是变压器耦合功率放大器。

7.2.1 电路原理图7-2a 所示为甲类单管变压器耦合功率放大器，图中T 1和T 2别离为输入和输出变压器。

通常功率放大器负载R L （一样为扬声器）阻抗比较小，而功放管集电极所需最正确负载R ’L比较大，二者阻抗不匹配。

用变压器T 2一次（侧）绕组代替负载，由于T 2一次（侧）线圈电阻可忽略不计，因此直流负载线是垂直于横轴且过（G V ，0）的直线，如图7-2b 所示。

经输出变压器T 2阻抗变换后，等效（到VT 集电极）负载R ’LR ’L =L R n 2 （7-2）式中21/N N n =，是变压器一、二次（侧）匝比数。

合理选择匝比数n ，可实现阻抗匹配，使交流负载线与横轴交叉点约为G V 2（即A 点）。

② OTL 指Output Transformerless③OCL 指Output Capacitorless ④BTL 指Balanced Transformerlessa ）原理图b ）图解分析图7-2 变压器耦合功率放大器理想情形下，最大输出功率为G CQ G CQ cm cm om V I V I V I P 212222==⨯=（7-3） 式中，cm I 指负载R ’L 电流峰值（图7-2a 中'cm I ），CQ I 指静态工作点电流，二者数量相等；cmV 指负载R ’L 电压峰值（即图7-2a 中'cem V ），最大时等于电源电压G V 。

最大不失真时，集电极电流平均值为CQ I ，因此直流电源提供功率为G CQ D C V I P =，可见电路的最大效率DComP P =η=50% （7-4） 7.2.2 变压器耦合乙类推挽功率放大器电路如图7-3所示，设功放管VT 1和VT 2特性完全相同，且三极管b 、e 极间开启电压可忽略不计（输入信号为正弦波）。

当输入电压为零时，两尽管子均处于截止状态。

当输入信号为正半周时，VT 1导通、VT 2截止，电流为1C i ；当输入信号为负半周时，VT 1截止、VT 2导通，电流为2C i 。

由图7-4以看出，等效负载R ’L 上能够取得的最大电压幅值近似等于G V ，负载R L 上得到变换的正弦波电压。

如忽略三极管的饱和压降CES V ，那么每只功放管导通时，集电极交流电流的幅值应为cm I'LGcm R V I =（7-5） 图7-3 乙类推挽功率放大器及波形因此，乙类推挽功放的最大输出功率为'2'2)(2122L GLG cm cm om R V Vcc R V V I P === （7-6） 理论证明：乙类推挽功放的最大效率ηDCom P P=η=% （7-7）图7-4 乙类推挽功率放大器图解7.2.3 甲乙类推挽功率放大器图7-3所示乙类推挽功率放大器集电极电流在过零处产生失真，称为交越失真，这是由于三极管发射结死区电压造成的。

为了排除交越失真，就要给功放管设置适合的静态工作点，使两管处于临界导通或微导通状态，即让放大器工作于甲乙类状态。

图7-5所示为甲乙类推挽功率放大电路。

电阻1b R 、2b R 分压偏置固定三极管基极电压，发射极电阻e R 为两尽管子共用（具有交、直流负反馈作用）。

同一时刻只有一个管子真正导通，输入电压i v 经变压器T 1耦合到二次（侧），推动功放管交替工作，输出经变压器T 2耦合，在负载上得到正、负半周完整的输出波形。

图7-6所示为六管超外差式调幅收音机音频放大器，其中V 4及其周围附属元件组成低频电压放大器，放大的电压信号由变压器T 4耦合到乙类推挽功率放大器，变压器T 4及后级电路和图7-5电路结构大体一样，区别仅在于电源极性和管子的型号不同。

完整的六管超外差式调幅收音机电路见图6-11所示。

图7-5 甲乙类推挽功率放大器 图7-6 六管超外差式调幅收音机音频放大器互补对称功率放大器目前，变压器耦合功率放大器大体被淘汰，利用最普遍的是无输出变压器的功率放大器（OTL ）和无输出电容的功率放大器（OCL ）。

它们都是采纳不同类型的两只功放管交替工作，而且都接成射极跟从器的输出形式，工作原理大体相同。

7.3.1 单电源互补对称功率放大器（OTL ）1．OTL 功放电路大体模型如图7-7a 所示为OTL 功放的大体模型。

功放管VT 1和VT 2特性对称，两只功放管都接成射极跟从器的形式（输出电阻小），因此无需变压器就能够与低阻抗负载较好地匹配。

输出耦合电容C 容量常选用几百～几千微法的电解电容，在VT 2导通时充当电源。

静态时，前级电路应使两管基极电压A V =G V /2，由于VT 1和VT 2特性对称，则B V ≈G V /2，故电容上的电压也为G V /2。

当输入信号i v 为正半周时，VT 1导通、VT 2截止，电源G V 通过VT 1向电容C 充电，电流如图中长虚线所示；当输入信号i v 为负半周时，VT 2导通、VT 1截止，电容C 代替电源G V 向VT 2供电，电流如图中短虚线所示。

在输入信号i v 正负半周时，OTL 功放模型电路的工作状态见表7-2。

功放管VT 1和VT 2交替工作，在负载上能得到正负半周完整的输出波形。

表7-2v 正负半周时电路工作状态i v 正半周 VT 1导通，VT 2截止 电流路径：V G →VT 1→C →R L →GND i v 负半周VT 2导通，VT 1截止电流路径：GND →R L →C →VT 2尽管，电容持在G V /2。

若是VT 1和VT 2在导通时都能接近饱和状态，那么输出信号的最大幅度om V 可接近G V /2，因此最大不失真输出电压的有效值om V =G V /22，因此负载可取得的最大功率。

LG L Gom R V R V P 81)22(22== （7-8）图7-7 OTL 电路⑤2．有效的OTL 电路如图7-7b 所示为有效的OTL 功放电路，它由鼓励放大级和功率放大输出级组成。

（1）鼓励放大级鼓励放大级由三极管VT 1组成份压偏置稳固工作点放大器，输入信号i v 放大后由集电极输出，加到VT 3的基极。

RP 1引入电压并联负反馈（读者想一想：什么缘故？），能够稳固静态工作点和提高输出信号电压的稳固度——静态时A 点电压约为G V /2，即电源电压的一半。

（2）功率放大输出级三极管VT 2、VT 3组成互补对称功放电路，RP 2为VT 2、VT 3提供适当的发射结电压，使两管在静态时处于微导通状态，以排除交越失真。