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.

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1 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

2 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

3 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

4 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

5 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。

6 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

7 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

8 二、分类

9

10

11 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

12 7.2 甲类功率放大器 Q ic uce VCC Rb uo VCC ui RE ib uo t uo

13 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

14 1. 直流电源提供平均功率

15 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:

16 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

17 变压器耦合功率放大器

18 输出功率 结论：输入信号越大, 输出功率越大

19 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。

20 静态时管耗最大，即 效率 最高效率

21 功放管的选择 三极管的极限工作区

22 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。

23 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。

24 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。

25 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)

26 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。

27 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。

28 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：

29 1、输出功率 ui + - +VCC -VCC uo

30 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。

31 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。

32 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

33 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。

34 4 、效率 最高效率max

35 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、

36 小结: 1、乙类功放两管轮流工作 2、 3、

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

38 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。

39 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

40 存在交越失真  t uo 交越失真 ui 消除交越失真的OCL电路

41 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
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

42 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

43 一、输出功率 数值较大不可忽略 大功率管的UCES常为2~3V。

44 二、效率 电源电流

45 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

46 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

47 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。

48 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

49 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

50 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。

51 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。

52 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。

53 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：

54 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：

55 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：

56 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。