原创 跟我学模拟电子电路：功率放大电路

第一节 学习要求：

1．了解功率放大电路的主要特点及其分类；

2．熟悉常用功放电路的工作原理及最大输出功率和效率 的计算；

3．了解集成功率放大电路及其应用。

本章的重点：

OCL、OTL 功率放大器

本章的难点：

功率放大电路主要参数分析与计算

第二节　功率放大电路的一般问题

　　功放以获得输出功率为直接目的。它的一个基本问题就是在电源一定的条件下能输出多大的信号功率。功率放大器既然要有较大的输出功率，当然也要求电源供给更大的注入功率。因此，功放的另一基本问题是工作效率问题。即有多少注入功率能转换成信号功率。另外， 功放在大信号下的失真，大功率运行时的热稳定性等问题也是需要研究和解决的。

一、功率放大电路的特点、基本概念和类型

1、特点：

(1) 输出功率大

(2) 效率高

(3) 大信号工作状态

(4) 功率BJT的散热

2、功率放大电路的类型

(1) 甲类功率放大器

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
特点：

· 工作点Q处于放大区，基本在负载线的中间，见图5.1。

· 在输入信号的整个周期内，三极管都有电流通过。

· 导通角为360度。

缺点：

　　效率较低，即使在理想情况下，效率只能达到50%。
　　
　　由于有I_CQ的存在，无论有没有信号，电源始终不断地输送功率。当没有信号输入时，这些功率全部消耗在晶体管和电阻上，并转化为热量形式耗散出去；当有信号输入时，其中一部分转化为有用的输出功率。

作用：

　　通常用于小信号电压放大器；也可以用于小功率的功率放大器。

(2) 乙类功率放大器

　 　
特点：

· 工作点Q处于截止区。

· 半个周期内有电流流过三极管，导通角为180度。

· 由于I_CQ=0，使得没有信号时，管耗很小，从而效率提高。　

缺点：

　　波形被切掉一半，严重失真，如图5.2所示。

作用：

　　用于功率放大。

(3) 甲乙类功率放大器

　
特点：

· 工作点Q处于放大区偏下。
· 大半个周期内有电流流过三极管，导通角大于180度而小于360度。
· 由于存在较小的I_CQ，所以效率较乙类低，较甲类高。 　　　　

缺点：

　　 波形被切掉一部分，严重失真，如图5.3所示。

作用：

　　 用于功率放大。

第三节　乙类双电源互补对称功率放大电路

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
一、电路组成　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　在图5.4所示电路中，两晶体管分别为NPN管和PNP管，由于它们的特性相近，故称为互补对称管。

　　静态时，两管的I_CQ=0；有输入信号时，两管轮流导通，相互补充 。既避免了输出波形的严重失真，又提高了电路的效率。

　　由于两管互补对方的不足，工作性能对称， 所以这种电路通常称为互补对称电路。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　 　　
二、分析计算

1. 输出特性曲线的合成

　　　　　

　　因为输出信号是两管共同作用的结果， 所以将T₁、T₂合成一个能反映输出信号和通过负载的电流的特性曲线。合成时考虑到：

　　（1）v_i=0时,V_CEQ1=V_cc ， -V_CEQ2=V_cc， 因此 Q₁=Q₂ 。

　　（2）由流过R_L的电流方向知i_c1与i_c2方向相反。即两个纵坐标轴相反。

　　（3）特性的横坐标应符合：v_CE1+v_EC2=V_cc-(-V_cc)=2V_cc

　　 v_CE1的原点与-v_CE2=2V_cc点重合；-v_CE2的原点与+v_CE1=2V_cc点重合。

　　由以上三点，得两管的合成曲线如图5.6所示。这时负载线过V_cc点形成一条斜线，其斜率为-/R_L。显然，允许的i_C的最大变化范围为2I_Cm，v_CE的变化范围为2（V_CC-V_CES）=2V_cem=2I_cmR_L。如果忽略BJT的饱和压降V_CES，V_cem=I_cmR_L≈V_CC。

2. 计算输出功率P_o

　　在输入正弦信号幅度足够的前提下，即能驱使工作点沿负载线在截止点与临界饱和点之间移动。如图5.6所示波形。 输出功率用输出电压有效值V₀和输出电流I₀的乘积来表示。设输出电压的幅值为V_om，则　
　　
　　这恰好是图5.6中△ABQ的面积。因为I_om=V_om/R_L，所以
　　
　　图5.5中的T₁ 、T₂可以看成工作在射极输出器状态，A_V≈1。当输入信号足够大，使V_im=V_om= V_cem= V_CC- V_CES ≈V_CC和I_om=I_cm时，可获得最大的输出功率　　 　　

　　由上述对P_o的讨论可知，要提供放大器的输出功率，可以增大电源电压V_CC或降低负载阻抗R_L。 但必须正确选择功率三极管的参数和施加必要的散热条件，以保证其安全工作。

3.BJT的管耗P_T

4、电源提供的功率

5、效率η

三、功率BJT的选择

1、最大管耗和最大输出功率的关系

上式表明：当V_om" 0.6V_CC时，BJT具有最大的管耗，

　

因此，功率三极管的选择应满足以下条件：

例题：P220，5.2.3

已知：v_i为正弦波，R_L=8W， V_CES=0，P_om=9W

求 （1）±V_CC的最小值，

　 （2）BJT的I_CM、

　 （3）P_om=9W时的P_v 　（4）BJT的P_CM 　（5）v_i的有效值　

解(1)

　(2)BJT的I_CM＞ I_om

第四节　甲乙类互补对称功率放大器

　　图5.5所示电路具有电路简单，效率高等特点，广泛用于直流电机和电磁阀控制系统中。 但由于BJT的I_CQ=0, 因此在输入信号幅度较小时，不可避免地要产生非线性失真 --交越失真，如图5.7所示。　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　产生交越失真的原因：功率三极管处于零偏置状态，即：V_BE1+　V_BE2=0 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　解决办法：为消除交越失真，可以给每个三极管一个很小的静态电流，这样既能减少交越失真， 又不至于使功率和效率有太大影响。就是说，让功率三极管在甲乙类状态下工作。增大V_BE1+V_BE2。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

一、甲乙类双电源互补对称电路（OCL）　

1. 基本电路

　　甲乙类双电源互补对称电路如图5.8所示。其中图5.8（a）所示的偏置电路是克服交越失真的一种方法。由图可见， T₃组成前置放大级(注意,图中末画出T₃的偏置电路),T₁和T₂组成互补输出级。静态时,在D₁、D₂上产生的压降为T₁、 T₂提供了一个适当的偏压,使之处于微导通状态。由于电路对称，静态时i_c1=i_c2,i_L=0, v_o=0。有信号时，由于电路工作在甲乙类, 即使v_I很小(D₁和D₂的交流电阻也小)， 基本上可线性地进行放大。

　　上述偏置方法的缺点是，其偏置电压不易调整。而在图 5.8（b）中， 流人T₄的基极电流远小于流过 R₁、 R₂的电流， 则由图可求出V_CE4=V_BE4(R₁+R₂)/R₂，因此，利用T₄管的V_BE4基本为一固定值(硅管约为0.6~0.7V)，只要适当调节R₁、R₂的比值,就可改变T₁、T₂的偏压值。这种方法，在集成电路中经常用到。

2. 特点：

　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　图5.9是用NPN管驱动的OCL电路，其特点与图5.8所示电路一样。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　
　　（1） 静态时R_L上无电流 ；

　　（2） D₁、D₂（或R，或R、D）供给T₁、T₂两管一定的正偏压，使两管处于微导通状态 ；

　　（3） R_C是T₃的集电极负载电阻， A、B两点的直流电位差始终为1.4V左右，但交流电压的变化量相等；

　　（4）电路要求T₁、T₂的特性对称；

　　（5）需要使用对称的双电源。

二、甲乙类双电源互补对称电路（OTL）　

　　　
1、基本电路

　　图5.10是采用一个电源的互补对称原理电路， 图中由T₃组成前置放大级，T₁和T₂组成互补对称电路输出级。静态时，一般只要R₁、R₂有适当的数值，就可使I_C3、V_B2和V₁达到所需大小，给T₁和T₂提供一个合适的偏置，从而使K点电位V_K=V_CC/2。

　　当有信号v_i时， 在信号的负半周， T₁导电，有电流通过负载R_L,同时向C充电；在信号的正半周，T₂导电，则己充电的电容C起着图5.8中电源-V_CC的作用，通过负载R_L放电，如图5.11所示。 只要选择时间常数R_LC足够大(比信号的最长周期还大得多)， 就可以认为用电容C和一个电源V_CC可代替原来的+V_CC和-V_CC两个电源的作用。

　
2. 电路特点　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　（1） 静态时R_L上无电流 ；

　　（2） D₁、D₂（或R，或R、D）供给T₁、T₂两管一定的正偏压，使两管处于微导通状态 ，即工作于甲乙类状态；

　　（3） R_C3是T₃的集电极负载电阻，b₁、b₂两点的直流电位差始终为1.4V左右，但交流电压的变化量相等；

　　（4）仅需使用单电源，但增加了电容器C,C的选择要满足? =R_LC足够大（比v_i的最大周期还要大得多），使V_C=0.5V_CC；

　　（5）T₃的偏置电压取自K点,具有自动稳定Q点的作用，调节R₂可以调整V_K。

3. 静态工作点的调整　　　　　　　　　　　　　

　　电路如图5.12所示。

　

（1） V_C=0.5V_CC 的调整

　　用电压表测量K点对地的电压，调整R₂使V_K=0.5V_CC。

（2）静态电流I_C1、I_C2的调整

　　首先将R_W的阻值调到最小，接通电源后， 在输入端加入正弦信号用示波器测量负载R_L两端的电压波形， 然后调整R_W，输出波形的交越失真刚好消失为止。

4、存在的问题及解决办法

（1）存在问题

　　上述情况是理想的。实际上，图5.10的输出电压幅值达不到V_om= V_om/2，这是因为当v_i为负半周时，T₁导电，因而i_B1增加，由于R_C3上的压降和V_BE1的存在，当K点电位向+V_CC接近时，T₁的基流将受限制而不能增加很多，因而也就限制了T₁输向负载的电流，使R_L两端得不到足够的电压变化量，致使V_om明显小于V_CC/2。

（2）改进办法

　　如果把图5.10中D点电位升高， 使V_D＞+V_CC， 例如将图中D点与+V_CC的连线切断，V_D由另一电源供给，则问题即可以得到解决。通常的办法是在电路中引人R₃、C₃等元件组成的所谓自举电路，如图5.13所示。

（3）自举电路的作用

静态时　

　　当R₃C₃足够大时，V_C3不随v_i变化，可认为基本不变。这样，当v_i为负时，T₁导电， v_K将由V_CC/2向更正方向变化， 考虑到v_D=v_C3+v_K= V_C3+v_K，显然，随着K点电位升高，D点电位v_D也自动升高。 因而，即使输出电压幅度升得很高，也有足够的电流i_B1，使T₁充分导电。这种工作方式称为自举，意思是电路本身把v_D提高了。

5、几点说明

　　（1）由于T₁、T₂的工作电压均为0.5V_cc，因而P_O、P_T、P_V等的计算，只须将乙类互补电路指标计算中的V_cc代之以0.5V_cc即可。

　　（2）由于互补对称电路中的晶体管都采用共集电极的接法， 所以输入电压必须稍 大于输出电压。为此，输入信号需经1- 2 级电压放大后，再用来驱动互补对称功率放大器。


　　（3）应采取复合管解决功率互补管的配对问题。 异型管的大功率配对比同型管的大功率配对困难。为此，常用一对同型号的大功率管和一对异型号的互补的小功率管来构成一对复合管取代互补对称管 。

　　复合管的连接形式如5.14~5.16所示，

　　其等效电流放大系数和输入阻抗可以表示为：

　　（4）必要时注意增加功率管保护电路。