低频功率放大电路

第9章 低频功率放大电路 本章要点  功放的特点与分类  OCL电路原理与特性分析  OTL电路原理与调试方法  BTL电路组成与原理  VMOS功放的特点与应用

本章难点  OCL电路性能指标分析  OTL电路调试方法

无论分立元件放大器还是集成放大器，其末级都要接实际负载。一般负载上的信号的电流和电压多要求较大，即负载要求放大器输出较大的功率以便推动如扬声器、电动机之类的功率负载，故称之为功率放大器，简称功放。功率放大电路的主要任务是：放大信号功率。 功率放大电路按放大信号频率，可分为低频功率放大电路和高频功率放大电路。前者用于放大音频范围(几十赫兹到几千赫兹)的信号，后者用于放大射频范围(几百千赫兹到几十兆赫兹)的信号。本章仅介绍低频功率放大电路。

9.1 功率放大电路概述

9.1.1 功率放大电路的特点 功率放大器的主要任务是向负载提供较大的信号功率，故功率放大器应具有以下几个主要特点。

1. 输出功率要足够大 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。如输入信号是某一频率的正弦信号，则输出功率的表达式为 Po =IoUo (9-1) 改用振幅值表示，公式9-1又为

Po = 12IomUom (9-2)

2. 效率要高 功率放大器实质上是一个能量转换器，它是将电源供给的直流能量转换成交流信号的能量输送给负载，因此，要求转换效率高。 ODC=



P

P (9-3)

式中， Po为信号输出功率，PDC是直流电源向电路提供的功率。在直流电源提供相同直流功率的条件下，输出信号功率愈大，电路的效率愈高。

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，而且由于三极管是非线性器件，在大信号工作状态下，器件本身的非线性问题十分突出，因此，输出信号不可避免地会产生一定的非线性失真。在实际应用中，要采取措施减少失真，使之满足负载 要求。

4. 图解法进行估算 由于功放工作在大信号状态，实际上已不属于线性电路的范围，故不能用小信号微变电路的分析方法，通常采用图解法对其输出功率、效率等指标作粗略估算。

9.1.2 功率放大器工作状态的分类 功率放大电路按放大器中三极管静态工作点设置的不同，可分为甲类、乙类和甲乙类三种，如图9-1所示。 甲类功率放大电路的特征是工作点在负载线线性段的中点，在输入信号的整个周期内，晶体管均导通，有电流流过，功放的导通角θ=360°。 乙类功率放大电路的特征是工作点设置在截至区，在输入信号的整个周期内，晶体管仅在半个周期内导通，有电流流过，功放的导通角θ =180°。 甲乙类功率放大电路的特征是工作点设置在放大区内，但很接近截至区，管子在大半周期间导通，有电流流过，功放的导通角180°在甲类功率放大电路中，由于在信号全周期范围内管子均导通，故非线性失真较小，但是输出和效率均较低，因而在低频功率放大电路中主要用乙类或甲乙类功率放大电路。

图9-1 甲类、乙类、甲乙类功放电路工作状态 9.2 双电源互补对称功率放大电路(OCL电路) 单管甲类功率放大电路简单，只需要一个功率管便可工作。由于它的效率低，而且为了实现阻抗匹配，需要用变压器，而变压器具有体积大、重量重、频率特性差、耗费金属材料、加工制造麻烦等缺点，因而，目前一般不采用单管甲类功率放大电路。乙类功率放大电路具有能量转换效率高的特点，常作为功率放大器。但乙类放大电路只能放大半个周期的信号，常用两个对称的乙类放大电路分别放大正、负半周的信号，然后合成完整的波形输出，即采用互补对称功率放大电路。

9.2.1 电路组成和工作原理 双电源互补对称电路如图9-2所示，这类电路无输出电容的功率放大电路，简称OCL电路。图中T1为NPN型三极管，T2 为PNP型三极管。为保证工作状态良好，要求该电路具有良好的对称性，即T1、T2管特性对称，并且正负电源对称。当信号为零时，偏流为零，它们均工作在乙类放大状态。电路工作原理如下所述。

1. 静态分析 当输入信号ui=0时，两个三极管都工作在截止区，此时IBQ、ICQ、IEQ均为零，负载上无电流通过，输出电压uo=0。

2. 动态分析 当输入信号工作在正半周时，由于Ui >0，三极管T1导通，T2截止，T1管的射极电流ie1经+VCC自上而下流过负载电阻，在RL上形成正半周输出电压，uo >0。 当输入信号工作在正半周时，由于Ui <0，三极管T1截止，T2导通，T2管的射极电流ie2经-VCC自下而上流过负载电阻，在RL上形成负半周输出电压，uo >0。 不难看出，在输入信号ui的一个周期内，即T1、T2管交替工作，流过RL的电流为一完整的正弦波信号。

9.2.2 性能分析 双电源互补对称电路工作图解分析如图9-3所示。图9-3(a)为T1管导通时的工作情况。图9-3(b)是将T2管的导通特性倒置后与T1特性画在一起，让静态工作点Q重合。

形成两管合成曲线，图中交流负载线为一条通过表态工作点的斜率L1R的直线AB。

由图9-3可看出输出电流、电压的最大允放变化范围分别为2Icm和2Ucem，Icm和Ucem分别为集电极正弦电流和电压的振幅值。有关性能指标计算如下。

图9-2 基本OCL电路 cemUcemUcemU

cemU

图9-3 双电源互补对称电路图解分析 1. 输出功率Po 2cemcmcemocmcemL

11===2222UIUPIU

R (9-4)

当考虑饱和压降Uces时，输出的最大电压幅值为 Ucem=Ucc-Uces (9-5) 一般情况下输出电压的幅值Ucem总是小于电源电压VCC值，故引入电源利用系数

cemCC=

U

V (9-6)

将式9-6代入式9-4得 222cemCCoLL

11==22UVP

RR (9-7)

当忽略饱和压降Uces时，即=1，输出功率Pom可按下式估算 2CComL

1=2VP

R (9-8)

2. 效率η 由式9-3可知计算效率应先求出电源供给功率PDC。在乙类互补对称放大电路中，每个晶体管的集电极电流的波形均为半个周期的正弦波形。其波形如图9-4所示，其平均值ID(AV)为 2π2πD(AV)c1cmcm00

11=d()=sind()=2ππIitIttI (9-9)

因此，直流电源Vcc供给的功率为 2cemccDC1D(AV)cccmccccLL

11====πππUVPIVIVV

RR (9-10)

因考虑是正负两组直流电源，故总的直流电源的供给功率为 图9-4 集电极电流ic波形 2ccDCL

2=πUP

R

 (9-11)

将式(9-7)、式(9-11)代入式(9-3)是则得 oDC

π==4PP (9-12)

当=1时，效率最高，即 maxπ78.5%4 (9-13)

【例9-1】 在图9-2所示乙类互补对称放大电路中，已知Vcc=12V，RL=8，试求：当输入信号足够大，集电极电压充分运用时的Pom、PDCm、m。

解 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，由式(9-8)得，最大输出功率为 22

CComL

112=9228VP

R(W)

由式(9-11)得，=1时，电源供给最大功率为 2ccDCmomL

244===9=11.5πππVPP

R(W)

此时的效率为 ommDCm

9===78.5%

11.5PP

9.2.3 交越失真的消除 实际中晶体管输入特性的门限电压不为零，且电压、电流关系也不是线性关系，在输入电压较低时，输入基极电流很小，故输出电流也很小，因此输出电压在输入电压较小时，存在一小段死区，此段输出电压与输入电压不存在线性关系，产生了失真。由于这种失真出现在通过零值处，故称为交越失真。交越失真波形如图9-5所示。 克服交越失真的措施就是避开死区电压区，使每一个晶体管处于微导通状态。输入信号一旦加入，晶体管立即进入线性放大区，而在静态时，虽然每一个晶体管处于微导通状态，由于电路对称，两管静态电流相等，流过负载电流为零，从而消除了交越失真。 图9-6是OCL电路设置静态偏置消除交越失真的一种方法。偏置电路主要由二极管D1、D2和电位器RP组成。调节RP可以使三极管T1和T2的基极直流电位之差稍大于两管的死区电压之和，这样每个管子就能得到一个合适的静态偏压。而且二极管的接入还具有温度补偿作用，可以稳定T1、T2管的静态工作点。对于变化信号而言，由于二极管的动态电阻和电位器RP的值很小，可以认为加到T1、T2管基极上的信号电压基本相等，输出信号正负半周仍然对称。