第7章 功率放大电路 四川理工学院自动化与电子信息学院 模电教研组

第7章 功率放大电路 § 7.2 甲类功率放大电路 § 7.3 互补对称功率放大电路 § 7.4 集成功率放大器 第7章 功率放大电路 § 7.1 功率放大电路概述 § 7.2 甲类功率放大电路 § 7.3 互补对称功率放大电路 § 7.4 集成功率放大器

7.1 概述 什么是功率放大电路？ 在电子系统中，模拟信号被放 大后，往往要去推动一个实际的负载。如使扬声器发声、继 电器动作、 仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率 很大。能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放 大电路 例： 扩音系统 实际负载 功率放大 电压放大 信号提取

例：温度控制 R1 a R2 vo Vsc + R3 Rt 功 放 b 温控室 A - vo1 R1-R3:标准电阻 Ua : 基准电压 功 放 b 温控室 A - vo1 加热元件 R1-R3:标准电阻 Ua : 基准电压 Rt :热敏电阻 A：电压放大器 T Rt Ub UO1 UO T

输出信号电压大； 输出信号电流大； 放大电路的输出电阻与负载匹配。 功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。为了获得大的输出功率，必须使 输出信号电压大； 输出信号电流大； 放大电路的输出电阻与负载匹配。

在大功率三极管的输出特性中，除了与普通三极管一样分有放大区、饱和区、截止区外，从使用和安全角度还分有 一、功放电路的特点和要求 1、输出功率尽可能大 过电流区是由最大允许集电极电流 确定的，超过此值，β将明显下降。 过电压区由c、e间的击穿电压 U(BR)CEO所决定。 在大功率三极管的输出特性中，除了与普通三极管一样分有放大区、饱和区、截止区外，从使用和安全角度还分有 过电流区 过电压区 过损耗区 它们的位置如图所示。 过损耗区由集电极功耗PCM所决定。 三极管的极限工作区

放大电路输出给负载的功率是由直流电源提供的，若效率不高，则能量浪费，管子温度升高，减短管子的寿命 2、非线性失真要小 3、效率要高 4、功放管散热和保护问题不可忽视 5、分析方法：图解法

二、分类

甲类功放： 在一个信号周期内都有电流流过晶体管 管子的导通角为360o 静态电流大于0，管耗大，效率低 乙类功放： 管子只有半个周期内导通 管子的导通角为180o 静态电流等于0，效率高 甲乙类功放： 管子的导通时间大于半个周期但是小于一个周期，比半个周期稍多些 丙类功放：管子导通时间小于半个周期

7.2 甲类功率放大器 Q ic uce VCC Rb uo VCC ui RE ib uo t uo

为使输出信号的幅值尽可能大(要保证不失真)，静态工作点（Q）设置较高（靠近负载线的中部）。 交流负载线 静态工作点： Q Ic uCE VCC UCEQ = 0.5VCC 直流负载线 若忽略晶体管的饱和压降和截止区，输出信号uo的峰值最大只能为： uo的取值范围

1. 直流电源提供平均功率

2.输出功率（负载上的有用Po，动态功耗 iC M Q ICQ N uCE 功率三角形 输出功率: Iom UCEQ ICQ VCC 输出功率: M N Iom 要想PO大，就要使功率三角形的面积大，即必须使Vom 和Iom 都要大。 Uom 最大输出功率:

3. 效率 甲类功率放大器存在的优点：不失真 甲类功率放大器存在的缺点： 输出功率小 静态功率大，效率低

变压器耦合功率放大器

输出功率 结论：输入信号越大, 输出功率越大

电源提供的功率 无信号时: 有信号时: 结论: 有无信号时电源供给的功率都相同，因此输出功率小时，管耗大。

静态时管耗最大，即 效率 最高效率

功放管的选择 三极管的极限工作区

小结： 1、输入信号越大，Po, 越大。 2、Po越小，管耗越大，静态管耗最大，等于电源供给功率。 3、甲类功放最高效率为50%。 4、要管子安全工作的重要参数是PCM、ICM和U(BR)CEO。 5、效率低的主要原因是静态损耗大。

提高效率的主要途径 如何解决效率低的问题？ 功率放大电路必须考虑效率问题。 提高效率的主要途径 如何解决效率低的问题？ 办法：降低Q点(希望ui=0,PD=0(小), ui↑,PD↑)。三极管从甲类工作状态改为乙类或甲乙类工作状态。

缺点：但又会引起截止失真。 既降低Q点又不会引起截止失真的办法：结构上采用推挽电路——互补对称射极输出器。 互补对称：电路中采用两支晶体管，NPN、 PNP各一支；两管特性一致。

无输出电容乙类互补功率放大电路 （OCL电路）(P168及486) 7.3 互补对称功率放大器 ＋ － u Ｔ １ ２ V CC o i L R 结构特点: 互补对称： 电路中采用两个晶体管：NPN、PNP各一支； 两管特性一致。组成互补对称式射极输出器。 互补推挽电路 无输出电容乙类互补功率放大电路 （OCL电路）(P168及486)

二、工作原理（设ui为正弦波） 静态时： V ui = 0V  ic1、ic2均=0（乙类工作状态）  uo = 0V Ｔ ic1 u ＋ V CC ic1 ui = 0V  ic1、ic2均=0（乙类工作状态）  uo = 0V Ｔ １ u o u 动态时： i ui > 0V T1导通，T2截止 ic2 R Ｔ L ２ iL= ic1 ; ui  0V T1截止，T2导通 V － iL=ic2 CC T1、T2两个管子交替工作，在负载上得到完整的正弦波。

当输入信号处于正半周时，且 幅度远大于三极管的开启电压，此 时NPN型三极管导电，有电流通过 负载RL，按图中方向由上到下，与 假设正方向相同。 当输入信号为负半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时PNP型三极管导电，有电流通过负 载RL，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。于是两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电，在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个完整的不失真波形。

三、分析计算(P488) Icm2 ui + - +VCC -VCC uo ic的最大变化范围为： uCE的最大变化范围为：

1、输出功率 ui + - +VCC -VCC uo

2、电源功率PD 直流电源提供的功率为半个正弦波的平均功率，信号越大，电流越大，电源功率也越大。 即PD ∝Uom 。当Uom趋近VCC时，显然PD 近似与电源电压的平方成比例。

3．三极管的管耗PT 管转换为输出功率，剩余的部分则消耗在三极 管上，形成三极管的管耗。显然 将PT画成曲线， 如图所示。 电源输入的直流功率，有一部分通过三极 管转换为输出功率，剩余的部分则消耗在三极 管上，形成三极管的管耗。显然 将PT画成曲线， 如图所示。

一个管子的管耗 ＋ V CC Ｔ １ u o u i Ｔ R L ２ － V CC 两管管耗

三极管的最大管耗 Uom=？ PT1最大, PT1max=？ 用PT1对Uom求导，并令导数=0，得出： PT1max发生在Uom= ≈ 0.64VCC处。

4 、效率 最高效率max

选功率管的原则： 1、每只管子的最大允许管耗必须大于0.2倍的最大输出功率： 即： 三极管的极限工作区 2、 3、

小结: 1、乙类功放两管轮流工作 2、 3、

ui 死区电压 当 IB=0 时 ui + - +VCC -VCC uo iL=0

严格说，输入信号很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不导电。因此在正、负半周交替过零处会出现一些非线性失真，这个失真称为交越失真。

乙类互补对称功放的缺点 V Ｔ u u Ｔ V 输入输出波形图 ui 死区电压 uo ´ uo 交越失真 ＋ R １ o i L ２ CC － CC

存在交越失真  t uo 交越失真 ui 消除交越失真的OCL电路

7.3.2 甲乙类功率放大器电路 一. 甲乙类双电源互补对称电路 1.基本原理 静态时: 电路中增加 R、 D1、D2、R3支路 7.3.2 甲乙类功率放大器电路 一. 甲乙类双电源互补对称电路 1.基本原理 电路中增加 R、 D1、D2、R3支路 静态时: 两管均处于微弱导通状态——甲乙类工作状态 动态时：设 ui 加入正弦信号。正半周 T2 截止，T1 基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；负半周T1截止，T2 基极电位进一步降低，进入良好的导通状态。 消除交越失真的OCL电路

波形关系： 特点：存在较小的静态电流 ICQ 、IBQ 。每管导通时间大于半个周期，基本不失真。 uBE iB t iB IBQ uB1 t iC Q uce VCC IBQ iC ib ICQ

一、输出功率 数值较大不可忽略 大功率管的UCES常为2~3V。

二、效率 电源电流

调节R1、R2的比值，便可调节T3、T2的偏压。 利用uBE倍增电路进行 偏置的互补对称电路

二、复合管互补功率放大电路 1、复合管 输出管 推动管 IC IC1 IC2 IB IE1 =IB2 IE

晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。 增加复合管的目的：扩大电流的驱动能力。 复合PNP型 复合NPN型   1 2 晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。

复合管的特点 复合管的β是两个管β1、β2的乘积。 复合管的管型取决于推动管。 使用复合管时，要注意的问题是：输出管的输入电流应与推动管的输出电流一致。 复合管的特点

合理选择R1、R2，b3、b5间可得到 UBE2 任意倍的电压。 2. 带复合管的OCL互补输出功放电路 ＋ Ｖ ＣＣ T1：电压推动级（前置级） v i T 1 T2、R1、R2：UBE倍增电路 T 3 R T 1 4 v o T 2 合理选择R1、R2，b3、b5间可得到 UBE2 任意倍的电压。 R 2 T 5 R T3、T4、T5、T6： 复合管构成互补对称功放 R L T 3 6 输出级中的T4、T6均为NPN型晶体管，两者特性容易对称。 － Ｖ ＣＣ

7.3.3 单电源OTL互补功率放大电路 一、电路组成 它由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成。这种电路也称为OTL互补功率放大电路。

二、工作原理 静态时，UB = UA = VCC /2 ，T1、T2截止，即处于乙类工作状态，电容两端的电压为 UB VCC /2 UA 动态时，当输入信号处于正半周时，T1导通，T2截止，ie1流过负载，产生uo,同时对电容充电。 当输入信号为负半周时，T1截止，T2导通，电容放电，产生电流ie2通过负 载RL，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。 于是两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电，在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个完整的不失真波形。

和双电源供电的乙类功率放大器的计算公式的唯一区别是 电源电压，只要将原公式中的 用 取代即可。

例题：在OTL和OCL电路中，VCC均为15V，RL=10Ω, UCES=1V，分别求两电路最大不失真输出时的最大输出功率、电源提供的功率、效率. 解：在OTL电路中，最大不失真 输出时最大输出功率为： 电源提供的功率和效率为：

在OCL电路中，最大不失真 输出时最大输出功率为： 电源提供的功率和效率为：

解： 例题:如图所示电路中,已知Vcc=15V,输入电压为正弦波,晶体管的饱和管压降UCES=3V,电压放大倍数约为1,负载电阻RL=4。 （1）求负载上可能获得的最大功率和效率； （2）若输入电压最大有效值为8V，则负载上能够获得的最大功率为多少？ 解：

功率放大电路的最大输出功率除了决定于功放自身的参数外，还与输入电压是否足够大有关。 （2） 最大输出功率 功率放大电路的最大输出功率除了决定于功放自身的参数外，还与输入电压是否足够大有关。