第六章 模拟集成单元电路

6.7 功率放大器 在实际电子电路中： 电压型负载--有些负载需要有足够的电压范围才能保证其应用效果，如模－数转换器就要有一定的电压范围才能保证它的精度。 电流型负载--有的负载需要有足够的电流驱动才能正常工作，如发光二极管只有在一定的电流流过时才会发光， 功率型负载--而有些负载既需要足够的电压，也需要有足够的电流，即需要有足够的功率才能正常工作，如音频喇叭。 在本书前面讲述的是电压和电流信号的放大问题，本节主要讲述功率放大问题。

功率放大既要求处于大信号放大状态，但仍然要求晶体管工作在放大区，否则会引起严重失真。 即使工作在放大区，因为信号幅度较大，线性近似与元件实际特性仍有差别。 一般地，功率放大器的这种非线性失真，如BJT的输入特性是指数关系，通过台劳级数展开就可表示成直流、基波分量和各次谐波分量。其中各次谐波是由元件的非线性引起的，在放大电路中我们所不期望得到的。 通常用总谐波失真（THD）来度量非线性失真的大小。

6.7.1 功率管的极限参数 最大集射电压（ BVCEO）--避免反偏的集电结击穿； 最大集电极电流（ICmax）--避免连接PN结至封装引脚之间的导线融化； 最大功率（PTmax）--避免功率过大而导致的热烧坏。 PTmax≠BVCEOICmax

6.7.2 功率放大器的分类 功率放大器是根据功率管在电路中工作时在一个正弦信号周期内的导通时间的多少来分类的。 主要有四种基本类型：甲类、乙类、甲乙类和丙类。图6.56是输入为正弦信号时各类功率放大器的输出情况。 下面分析各类功率放大器的直流偏量、负载线和效率。

图6.56 输入为正弦信号时各类功率放大器集电极电流的输出情况： （a）甲类功率放大器 （b）乙类功率放大器 （c）甲乙类功率放大器 （d）丙类功率放大器

1.甲类功率放大器 前面讨论的BJT和MOSFET小信号放大器都偏置于甲类状态。 图6.57(a)是一个基本的共射放大电路（基极直流偏置电路）。 图6.57(a)所示电路的直流负载线如图6.57(b)所示。 假设静态工作点Q位于直流负载线的中间位置，即 图中给出了最大的集电极电流信号和相应的最大集射电压信号 （忽略饱和压降 和穿透电流 ）。

图6.57 (a)共射放大器 （b）直流负载线 （c）晶体管的瞬时耗散功率与时间的关系

下面分析甲类功率放大器的功率和效率。 忽略基极电流，晶体管消耗的瞬时功率为 (6.170) 假设输入为正弦信号，则集电极电流和集射电压分别可表示为 (6.171) (6.172) 式中， Ip和Vp分别为集电极正弦电流的振幅和集射正弦电压的振幅。

考虑极限时的情况，Icp=IcQ，Vp= Vcc/2， 则晶体管消耗的瞬时功率为 (6.173) 它的波形如图6.57(c)所示，其平均功率为 由例6.24可知，晶体管在静态时消耗的功率最大。 因此当输入信号为零时， 晶体管若能承受大小为 的这一连续最大功率，则加入输入信号后，晶体管就能正常工作。

我们用什么来衡量一个功率放大器的好坏呢？ 除了用总谐波失真(THD)外，一个重要的参数就是负载获得的信号平均功率占电源提供的总平均功率的比例，即功率效率 (6.174) 负载电阻 的瞬时功率为

负载平均功率为 (6.175) 式中第一项为负载消耗的直流功率，第二项为负载获得的信号平均功率。因为信号平均功率才是负载所真正想获得的平均功率，所以我们只考虑信号平均功率： (6.176) 由图6.57(b)可知， 的最大值为 所以负载的最大平均信号功率为：

又此时的 ，即 所以 (6.178) 直流电压源 提供的平均功率为 (6.179) 因此，最大效率为 (6.180)

由此可见，甲类功率放大器的效率非常低。因此，当需要输出功率大于1W时，就不宜使用甲类功率放大器了。 在实际应用中，输出信号的最大电压不能达到Vcc，最大电流 也达不到IcQ，为了避免严重的非线性失真，即避免晶体管进入饱和 区或截止区，输出信号电压就要小于Vcc/2，电流也要小于IcQ。 另外在计算功率时忽略了直流偏置电路的功率损耗。 所以在一般情况下，甲类功率放大器的效率在10％～20％之间。

[例6.25]目的：计算甲类功率放大器的效率。 共源极电路如图6.58所示。电路参数为 场效应管参数为 为减小非线性失真， 设不失真输出电压的范围在临界点和 之间。 图6.58 共源极电路

解：直流负载线方程为： 在临界点，有 将以上三个方程联立，可得临界点方程为 代入数据得 解得

要想获得最大不失真输出电压，需要使静态工作点Q位于 和 的中间位置，即 负载电阻上的最大振幅的交流分量为 传送给负载的信号最大平均功率为

直流电压源提供的平均功率为 由式(6.180)可得 说明：通过限制输出漏源电压的幅值，可避免饱和及截止产生的 非线性失真，但电路的转换效率小于甲类功率放大器的最大效率。

在分立元件电路中，可以通过使用电感或变压器来提高甲类 功率放大器的转换效率，达到近50％。 图6.59(a)是用电感代替集电极电阻的共射极放大电路。 图6.59 (a) 电感耦合甲类功率放大器 (b)直流和交流负载线

在直流时，电感相当于短路，在高频交流信号作用时相当于 开路。因此交流电流可全部耦合到负载上。 设信号频率最低时仍满足 静态集射电压 集电极交流电流为 (6.181) 为了得到最大不失真输出信号，静态工作点设置于交流负载 线的中间位置， (6.182)

负载上电流的最大幅值为 ，因此，负载获得的最大平均功率为 (6.183) 忽略偏置电阻 消耗的功率，电压源 提供的平均功率为 因此，最大转换效率为 该结果表明，集电极电阻用电感代替后，其转换效率提高了一倍。

图6.60(a)是一个通过变压器将负载耦合到晶体管集电极的共射放大器。 图6.60(b)是图6.51(a)的直流和交流负载线。

忽略变压器自身的电阻，假设 足够小，则静态集射电压为 负载电阻等效到变压器初级后的电阻为 (6.184) 由于理想变压器不消耗功率，所以 (6.185) 式中 和 是负载上正弦信号的最大幅值。

电压源提供的平均功率为 所以最大转换率为 由图6.60(b)可知，变比 应满足 (6.186)

2. 乙类功率放大器 因为甲类功率放大器的静态工作点设置在放大区交流负载线的中间位置，所以晶体管本身要消耗功率，同时负载本身也消耗直流功率（如图6.57(a)所示电路，而图6.59(a)和6.60(a)所示电路中，负载不消耗直流功率，所以效率得以提高）。 为了减小甚至基本消除晶体管本身的功耗和负载本身的直流功耗，采用图6.61所示的电路。 图6.61 由两个互补对称BJT 构成的推挽功率放大器

如果vI为正且大于0.7V，则Qn导通，Qp截止，电路类似于 射极跟随器，此时通过Qn提供的负载电流iL为正。 当输入电压 时，两个BJT均截止，输出电压 假设发射结开启电压为0.7V，则当输入电压为 时，输出电压仍为零。 如果vI为正且大于0.7V，则Qn导通，Qp截止，电路类似于 射极跟随器，此时通过Qn提供的负载电流iL为正。 如果vI为负且绝对值大于0.7V，则Qp导通，Qn截止，电路 也类似于射极跟随器，此时通过Qp提供的负载电流iL为负。 综上所述，在输入信号电压满足|vI|>0.7V条件下，由于该电 路在任何时刻总是一个BJT导通，另一个截止，因此，该电路称为 互补推挽功率放大电路。

存在的问题： 即输入电压在 之间时，没有一个BJT导通， 负载上的电压为零，导致输出的波形失真。 因为这种失真是由晶体管交替工作时产生的，所以我们称这种 失真为交越失真。 图6.62 (a) 电压传输特性 图6.62 (b) 交越失真

互补推挽功率放大器的效率 如果将图6.61所示电路理想化，即假设发射结开启电压为零， 则每个晶体管的导通时间都刚好等于输入电压的半个周期。 图6.63是互补推挽功率放大器的直流负载线。 静态工作点Q处集电极电流为零，即静态时两个晶体管均截止。 因此每个晶体管静态时消耗的功率为零。 图6.63互补推挽功率 放大器的直流负载线

输出电压为 (6.187) 式中， 的最大值为 消耗的瞬时功率为 (6.188) 当 时，即输入电压正半周时，集电极电流为 (6.189) 式中， 是输出电压 的振幅。

当 时，即输入电压的负半周时，集电极电流为 (6.190) 又 (6.191) 因此， 消耗的总瞬时功率为 (6.192) 消耗的平均功率为 (6.193)

图6.64 每个晶体管消耗的平均功率与输出电压的振幅之间的关系 因为 与 是对称的，所以它消耗的平均功率与 的完全相同。 每个晶体管消耗的平均功率与输出电压的振幅之间的关系如图6.64所示。 图6.64 每个晶体管消耗的平均功率与输出电压的振幅之间的关系

由图6.64可知，输出电压较小时，晶体管消耗的功率随Vp的增加 而增大，达到某个值Vp=2VCC/π，时，晶体管消耗的功率随Vp的增大 而减小。 式(6.193)两端对 求导数，并令它等于零，可得 当 时，晶体管消耗的最大平均功率为 (6.194) 传送给负载的平均功率为 (6.195)

由于每个直流电压源提供的电流为半个周期的正弦波，因此 平均电流为 每个直流电压源提供的平均功率为 (6.196) 两个电压源提供的总平均功率为 (6.197)

转换效率为 (6.198) 当 时，可获得最大效率，即 (6.199) 由此可见，互补推挽功率放大器的效率比甲类功率放大器的 效率要高得多。

为了将失真限制在某个允许的范围内，输出电压的振幅值必须 比Vcc小几伏。 晶体管消耗的功率在 时达到最大， 此时的转换效率由式(6.198)可求得 故，乙类互补推挽功率放大器的转换效率在50％～78.5％之间。

3. 甲乙类功率放大器 为了消除交越失真，需要在静态时给每个晶体管加上一个很小的直流偏置，以使输入交流电压在整个周期内的所有值上都在负载上产生输出。这样的功率放大器称为甲乙类功率放大器。 图6.65 采用二极管偏置 的甲乙类功率放大器

[例6.26]目的：设计二极管偏置的甲乙类功率放大器，使其 满足指定的要求。 电路如图6.65所示，已知二极管 和 的反向饱和电流 和 的反向饱和电流 令 ，传送给负载的平均功率为5W。 输出电压振幅值 不大于 的80％，流过二极管的电流 不小于5mA。 解：由式(6.195)可得 电压源电压为

输出电压最大时， 的射极电流为 基极电流 当流过二极管的电流 时，选择 当输入电压为零时，若忽略基极电流，可得两个二极管上的电压降为

集电极静态电流为 输出电压最大时，流过二极管的电流为 此时的两个基极之间的电压为 的发射结电压为

的发射结电压为 的集电极电流为 说明：当输出为正时， 的集电极电流很小， 此时 的集电极 电流比 的高3个数量级。

图6.66是一种采用 倍增器提供偏量的甲乙类功率放大器。

图中晶体管Q及电阻 和 由电流源 提供直流偏置， 而Q及 和 又为互补推挽电路提供偏置电压。 若忽略基极电流，则 (6.200) 和 的基极之间的电压为 (6.201) 因为电压 等于 之乘积， 与一定的增益 所以我们称该电路为VBE倍增器。 可根据对 的要求来设计倍增 因子的大小。 (6.202)

图6.67 带输入缓冲器的甲乙类功率放大器

图中的电阻R1、R2和Q1、Q2构成的两个射极跟随器为互补 推挽放大器提供直流偏置。 当输入电压vI从0开始正向增大时， Q3的基极电压增大，输 出电压vo也增大。此时负载电流 io为正，为负载提供电流的 Q3的 射极电流也增大，从而引起流入Q3的基极的电流增大。Q3基极 电压升高使电阻R1上的压降减小，从而使流过R1的电流减小，这 意味着 iE1和iB1也减小。当 vI增大时， R2上的压降增大， iE2和 iB2增大。

(6.203) 忽略 和 上的压降以及 和 的基极电流，有 (6.204) (6.205) 式中， 分别为NPN型、PNP型晶体管的电流放大倍数。 若

由以上三式可得 (6.206) 由于输出级是射极跟随器电路，所以输出电流为 (6.207) 所以输出级电流增益为 (6.208)