第 5 章 低频功率放大器.

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1 第 5 章 低频功率放大器

2 目录 5.1 概述 5.2 互补推挽功率放大器 5.3 其它形式的功放电路 5.4 功率器件、散热及保护电路

3 第五章作业(p188~p189) 5-9 (1) (2) (3) (4)

4 5.1 概述 5.1.1 功率放大器的主要指标 5.1.2 功率放大器的分类

5 5.1.1 功率放大器的主要指标 1.预备知识 功率放大实质上也是能量转换电路，它的主要特点 就是工作在大信号状态下。
电压放大：不失真地增大输出信号电压幅度，以驱动功放。 功率放大：以输出功率为重点 ，驱动负载。 电压放大和功率放大有不同的特点及指标要求，在多级 放大器中，电压放大器处于前置级和中间级，而功率放大处 在末级（也可能包括末前级），以驱动负载。 功率放大实质上也是能量转换电路，它的主要特点 就是工作在大信号状态下。

6 2. 主要指标 a. 工作在线性区； b. 提供的最大交流功率（管子充分利用或称尽限运用）。 （1）输出功率
功率放大器在线性区能够向负载提供的最大交流功率。 a. 工作在线性区； 注意： b. 提供的最大交流功率（管子充分利用或称尽限运用）。 （2）功率放大器的效率η和晶体管集电极效率 效率η：放大器的输出信号功率 与直流电源供给功率 之比。 ：直流电源供给集电极和偏置电路等直流功率之和。 晶体管集电极效率 ：输出功率Po与电源供给集电极的直流功率 之比。

7 2.主要指标 直流电源供给功率 一部分变成了有用的输出信号， 剩余的部分主要变成了晶体管的管耗 ，即： （3）非线性失真
直流电源供给功率 一部分变成了有用的输出信号， 剩余的部分主要变成了晶体管的管耗 ，即： （3）非线性失真 由于功放工作在大信号状态下，所以很容易导致输出 信号产生非线性失真。要求功放产生的非线性失真尽可能小。 结论： 功率放大器的任务是: 在确保晶体管安全运用情况下， 获得尽可能大的输出功率，尽可能高的效率和尽可能小的 非线性失真。

8 5.1.2 功率放大器的分类 功率放大器根据功放管的导通时间的长短进行分类。 （1）甲类（A类）工作状态 在输入信号的整个周期内晶体管
都是导通的。 （2）乙类（B类）工作状态 在输入信号的半个周期内晶体管 导通。

9 5.1.2 功率放大器的分类 （3）甲乙类（AB类）工作状态 是介于甲类和乙类之间的工作状态，晶体管导通的时间大于
半个周期，但小于一个周期。 （4）丙类（C类）工作状态 晶体管导通的时间小于半个周期。

10 5.1.2 功率放大器的分类 （5）丁类（D类）工作状态 此时，晶体管处于开关状态，即在输入信号的半个周期内
饱和导通；在另外半个周期内，晶体管截止。 饱和导通： 五类功放的效率满足下式：

11 5.2 互补推挽功率放大器 5.2.1 乙类推挽功率放大器的工作原理 5.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算 5.2.3 乙类推挽功率放大器的非线性失真

12 5.2.1乙类推挽功率放大器的工作原理 采用乙类的原因：由于晶体管只在半个周期内 导通，因此晶体管的集电极静态电流 ，所以
导通，因此晶体管的集电极静态电流 ，所以 一个周期内晶体管的平均功耗小。 显然，集电极电流产生了严重的非线性失真 如何解决非线性失真和高效率的矛盾？ 选用两只特性完全相同 的异型晶体管 ，轮流工作在 乙类状态。 从而在负载上获得完整的输出波形。

13 1.电路结构 （1） 和 是一对对称的异型晶体管； （2） 和 分别与负载组成射极跟随器； （3）采用 两组电源供电。
（1） 和 是一对对称的异型晶体管； （2） 和 分别与负载组成射极跟随器； （3）采用 两组电源供电。 两管交替工作，一只在输入 信号正半周导通，另一只在负半 周导通，犹如一推一挽，在负载 上合成完整的波形。

14 2.工作原理 注：以下的分析中不考虑门限电压。 电路 两管基极的静态电位为零 两管均截止

15 2.工作原理 电路 输入信号在正半周的情况 导通， 截止 与 组成射极跟随器 在 上得到上半周波形

16 2. 工作原理 输入信号在负半周的情况 电路 导通， 截止 与 组成射极跟随器 在 上得到下半周波形

17 2. 工作原理

18 5.2.2 乙类推挽功率放大器的分析计算 1.组合特性曲线 由于功放电路工作在大 信号状态下，不能采用微变 等效电路分析，必须采用图
解法分析。为了便于分析， 将VT2的特性曲线倒置在VT1 特性曲线的下方，它们的静 态工作点重合。 静态时 两管的Q重合 组合特性曲线

19 工作原理分析

20 2.输出功率 两个晶体管的输出功率为： 不考虑uCES时，输出功率是 ΔAQO的面积，此时输出功 率最大。 通常所指的输出功率 是指在线
通常所指的输出功率 是指在线 性区得到的最大输出功率。如一功率放大器输出功率为10W，就是这 个意思。实际输出功率与激励信号的大小有关。 定义电压利用系数 结论： 即忽略晶体管的饱和压降

21 3.直流电源供给晶体管集电极的直流功率 直流电源供给晶体管集电极的直流功率是由两个电源供
给的，由于每个晶体管只导通半周期，故流过每个集电极的 电流为半个周期的非正弦波。 这说明电源供给的直 流功率不是恒定不变的， 而是根据输入信号大小而 变化。因此乙类功放的效 率高（与甲类进行比较）。 可见，输入信号越大，即ξ越大， 需要提供的直流电源供给功率PU就越大； 反之，输入信号越小，需要提供的直流 电压功率就越小。当输入信号为零时， 直流电源不需要提供功率。

22 4.集电极效率 可见，乙类推挽功放的集电极效率与电压利用系数ξ成正比。 ηcmax称为理论极限效率。

23 5.对晶体管的要求 （1）集电极功耗Pc ：每管的集电极损耗。 上式均是对两管而言的，而集 电极功耗是对每一管子而言的。 管耗也与ξ有关。
能否认为输入信号越大 越大），管耗就越大呢？ 通过管耗的表达式可以画出 和ξ的关系曲线 在选管时，为了保证晶体管安 全工作，可以以此作为选管依据。

24 5. 对晶体管的要求 当 （2）反向击穿电压 处于截止状态的晶体管的c极和e极 之间承受的反压 ， 导通， 截止，
， 导通， 截止， 当 ， 导通， 截止，情况一样。 （3）集电极最大允许电流 指功放管导通时，流过管子的最大电流。 结论： 为确保晶体管安全工作，必须同时满足上面的三个条件。 图示的双电源供电的互补推挽功率放大器称为 OCL（Output Capacitor Less)电路。

25 例5－1 一双电源互补对称电路如图所示，设已知UCC=12V,
RL=16Ω,输入信号为正弦波，求（1）忽略饱和压降时，负 载得到的最大输出功率Pomax；(2)每个管子的PCM至少为多 少？(3)每个管子的耐压为多少？ 解： (2) 每管允许承受的管耗： 故要求管子允许的最大管耗为： (3) 每管的耐压为：

26 例5－2 电路如图所示，电源电压±UCC＝±20V，RL＝8Ω，
输出功率、管耗、直流电源供给功率和效率。 解： 导通时，VT1和VT2均构成共集电路，因此 输出功率： 每管实际承受的管耗：

27 直流电源供给的功率： 应当指出，由于输入信号偏小，这时电路未处于充分 利用或尽限运用，输出功率未达到线性区最大输出功率， 故效率偏低。

28 5.2.3 乙类推挽功率放大器的非线性失真 1.推挽电路对偶次谐波的抑制 推挽电路中，若两管的特性完全一致，则其电压、 电流波形也完全对称。
可见，对称的电路可以消除偶次谐波成分。

29 2.交越失真及消除方法 （1）传输特性 是NPN管的集电极饱和电压 在实际传输特性中，必须考虑三极 管发射结的门限电压值。
传输特性的斜率为什么为1？ （1）传输特性 是NPN管的集电极饱和电压 在实际传输特性中，必须考虑三极 管发射结的门限电压值。 理想传输特性（不考虑门限电压） 可以看出，当输入信号的绝对值 小于0.7V时，没有输出，因此输出 信号会出现明显的失真。

30 2.交越失真及消除方法 （2）交越失真 实际传输特性及输出电压波形如图所示： 交越失真 交越失真是指发生 在信号穿越过零点时产 生的失真。

31 2.交越失真及消除方法 原理电路 （3）消除交越失真的方法 a.改为甲乙类工作状态 由图看出，交越失真是由晶体管发射
结门限电压引起的，因此，若能给两个晶 体管发射结加入适当的正向偏置电压, 使 每个管子导通时间略超过T/2，以克服两管发 射结死区电压的影响，就可以消除交越失真。 交越失真 图中，给两个晶体管加入了同样 的正偏电压 ，由于此时晶体管的 导通时间已大于半个周期，因此此时 的工作状态是甲乙类工作状态。但由于 其工作状态十分接近于乙类，故仍可按 乙类的功放进行分析。 该图是原理电路，实际上，在集 成电路中，正向偏置不会直接采用电 压源的方式，可以用电阻、二极 管和三极管等元器件来提供。 原理电路

32 2.交越失真及消除方法 实际电路1： 在该电路中， 是放大级， 和 构成互补推挽功放， 正向偏压是利用流过 的直流
在该电路中， 是放大级， 和 构成互补推挽功放， 正向偏压是利用流过 的直流 电流 在 上产生的压降提供的。 电容 是保证在交流时，加在 和 基极的输入信号是相同的。 实际电路2： 显然，在该电路中，正向偏压是 由 和 的正向电压提供。

33 2.交越失真及消除方法 实际电路3： 在该电路中， 是放大级， 和 、 组成恒压源电 路，为 和 提供正向偏 压，以消除交越失真。
在该电路中， 是放大级， 和 、 组成恒压源电 路，为 和 提供正向偏 压，以消除交越失真。 恰当选择电阻R1、R2，使IB1 可以忽略不计，则 调整R1、R2比值，即可获得某一倍数 UBE 的 UBB，因此该电路又称为UBE倍增电路。

34 2.交越失真及消除方法 b.使用负反馈电路 在功率放大器前引入一级 电压放大器（在本图中引入了 集成运放），并构成电压串联负 反馈。
设死区电压为±0.7V， 则引入负反馈后，死区电压 为±0.7V/A0。A0为集成运放 开环增益。 R1是用来限制放大器A的输出电流，但同时RL又是靠R1上 的电流来驱动的。

35 小 结 电路结构 乙类工作状态的矛盾 工作原理 工作原理 电流波形图 组合特性曲线 性能指标 互补推挽功放 性能指标计算 极限参数选择
小 结 电路结构 乙类工作状态的矛盾 工作原理 工作原理 电流波形图 组合特性曲线 性能指标 互补推挽功放 性能指标计算 极限参数选择 交越失真 非线性失真 消除方法

36 5.3 其它形式的功放电路 5.3.1 单电源供电的互补推挽电路 5.3.2 准互补推挽功率放大器

37 5.3.1 单电源供电的互补推挽电路 1.原理电路 双电源供电的互补推挽电路需要两组正负电源，有时使用 不便，因此提出了单电源供电电路。
当电容C的容量很大时，对C的充放 电时间远大于信号的半个周期。因此， 当两管轮流导通时，电容两端电压基本 不变。

38 5.3.1 单电源供电的互补推挽电路 2.实际电路结构 电路中只采用 了一组电源供电； VT1是放大级，工 作在甲类状态。
VT2和VT3构成 互补推挽功放，R4 用来消除交越失真， C3用来旁路R4，使 加到VT2、VT3的基 极的激励信号相等。 VT2和VT3的输出通过电容C2和负载相接。

39 5.3.1 单电源供电的互补推挽电路 3.工作原理 调整VT1的静态工作点，使 由于C2的容量很大，因此C2充放电的时间常数远大于信号的
半个周期，所以两管轮流导通时，电容两端的电压基本不变 恒等于UCC/2，相当于直流电源电压，于是对VT2、VT3每管 工作时的直流电源电压均为UCC/2。。

40 5.3.1 单电源供电的互补推挽电路 4.性能指标 该电路的性能指标计算 等同于OCL电路，只是此时 的等效电源电压为UCC/2。
图示的单电源供电的互补推挽功率放大器称为 OTL(Output Transformer Less)电路。

41 5.3.2 准互补推挽功率放大器 ①复合管类型以第一个晶体管为准； ②应保证两管的基极电流能流通；
1.复合管 将两只或两只以上的晶体管按照一定的原则连接在一起， 以实现一定的目的。 （1）等效为NPN管 （2）等效为PNP管 （3）连接原则： ①复合管类型以第一个晶体管为准； ②应保证两管的基极电流能流通； ③第一管的C、E不能和第二管的B、E接在一起。

42 5.3.2 准互补推挽功率放大器 2.准互补推挽电路 VT5作为放大管，工作在甲类 工作状态。 VT1、VT3 以复合管的方式构
成NPN管。 VT2、VT4 以复合管的方式构 成PNP管。 Re1和Rc2的作用是为了减小 复合管的穿透电流。 注：VT3和VT4是同型管子，所以不具互补性，互补 作用是由VT1和VT2实现的。

43 5.4 功率器件、散热及保护电路 5.4.2 功放管的管耗与散热 5.4.3 保护电路

44 5.4.2 功放管的管耗与散热 热功率： （1）集电极功耗 与环境温度 的关系
（1）集电极功耗 与环境温度 的关系 集电极功耗Pc：管子在给负载输送功率的同时，本身所消耗的功率。 功放管的管耗是通过热传导的形式以散热的方式消耗掉的。 热传导：热能从高温点向低温点传送的现象。 热功率： 对于功放管而言 则当环境温度和热阻一定时，功放管的最高结温对应集电 极的最大允许功耗。 Si材料允许的最高结温约为150° Ge材料允许的最高结温约为70－90°

45 5.4.3 保护电路 限制管耗即可以有效地保护功放管，因此只要限制流过 集电极地电流，就可以限制管耗。 （1） 二极管保护电路
最大输出电流为：

46 5.4.3 保护电路 （2） 三极管保护电路