第5章 功率放大电路

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功率放大电路必须考虑效率问题。为了降低静态时的工作电 流，三极管从甲类工作状态改为乙类或甲乙类工作状态。此 时虽降低了静态工作电流，但又产生了失真问题。如果不能 解决乙类状态下的失真问题，乙类工作状态在功率放大电路 中就不能采用。推挽电路和互补对称电路较好地解决了乙类 工作状态下的失真问题。
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为提高效率、降低损耗，应从两方面考虑：一是增加放大电 路的动态工作范围来增加输出功率；二是减少电源供给的功率， 即在 U CC一定时使静态电流 I C 减小，也就是将静态工作点沿交流 负载线下移。
由
1 Pc πuCE ic d(t ) 2π
π
可知 功率放大器提高输出功率的途径： 减小放大管的集电极损耗！
当 u i 为正弦信号正半波时，T1 导通、T2 截止， 流过 R L 的电流为 ic1 ，
u o u i 。当 u i 为负半波时， T2 导通、 T1 截止，流过 R L 的电流为 i c 2 ，由
于 T1 、 T2 对称， i c 1 i c 2 ， u o u i 。
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4. 集电极效率
功率放大电路的效率是输出功率和电源供给功率之比。
Po π U om PE 4 U CC
(5-8)
输出信号越大，效率越高，当 U om(max) U CC 时，效率最大。
π 78.5% 4
当
U om U CC
时
c max
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5.2.3 单电源互补对称功率放大电路（OTL）
电容C起负电源 图 5-4 所示为单电源无输出变压器 –UCC的作用
互补对称功率放大电路的原理图， 它利 用电容 C L 的存贮电能的作用代替了负 电源。
ui
CC
U CC
T1
ui
A
CL
在静态时， 点的电位为 U CC / 2 ， U A 耦合电容 C L 上的电压为 U CC / 2 。为保 证正常工作，输入端的直流电位也应 为 U CC
（a） 电路原理图
U CC
U CC
ui
0
i c1
a. 当ui =0 时
Uo =0
T1、T2截止
t
ic1
uo
0
ic 2
t
静态功耗为零
T1
ic1
t
0
uo
ic1
RL
t
ui
0
ui
0
T2
t
0
t
RL
（b)输入输出波形图
uo
uo
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b. ui >0 时 T1导通 T2截止 c. ui <0 时 T2导通 T1截止
故最大不失真输出功率为： (忽略 U CES )
Pom
2 2 1 (U CC U CES ) 1 U CC 2 RL 2 RL
（5-2）
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2. 管耗 PT 1 、PT 2
管耗是指流过每只功率管瞬时电流 i C 与管压降 u CE 的乘积在一个 周期内的平均值，由于每只管子各导通半周，故有
π 78.5% 4
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5. 功率管的选择
由以上的计算可知，若想得到最大功率，每只管子的参数 必须满足下列条件： （1）每只管子的最大允许管耗 PCM 必须大于 PT1(max) 0.2Pom ； （2）当 T2 导通时， u CE 2 0 ，此时 u CE 1 2U CC 为最大值，应选 用 U ( BR) CEO 2U CC 的管子。 （3）通过管子的最大集电极电流为 U CC R L ，所选管子的 I CM 不 宜低于此值。
对交流输入信号而言， 输出耦合电容 C L 的容抗和电源内阻均忽略 不计，交流通路和图 5-2a 的相同。当 u i 为正半波时， T1 、 T2 基极电 位高于 A 点电位，故 T1 导通、 T2 截止，负载 R L 上得到与 u i 相同的正 半周电压。 u i 为负半波时，T1 、T2 基极电位低于 A 点电位， T2 导 当 故 通、T1 截止， 负载 R L 同样也得到和 u i 相同的负半周电压。 这样， R L 在 上得到一个合成的正弦电流及电压。波形与图 5-2b 相同。
U CC u CE
0
t
(a) 甲类
0
iC
Q
0
t
0
U CC u CE
iC (b) 甲乙类
iC
Q
0
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t
(c) 乙类
0
U CC u CE
5.2 乙类互补对称功率放大电路
5.2.1 无输出电容的双电源互补对称功率放大电路（OCL）
图 5-2a 所示为无输出电容(OCL)乙类双电源互补对称功率放大电 路原理图。T1 为 NPN 管，T2 为 PNP 管，要求 T1 、T2 的特性对称一致。 由于没有设置基极偏置电压，故 I B 、 I C 、U BE 均为零，是乙类工作状 态。 从电路形式看， 两个三极管都接成射极输出器的形式， 具有 u o u i ， 输入电阻高，输出电阻低的特点。
Po U o I L
U cem I cm 2
设 uo Uom sin t
U o U ce I c RL
2 2
Po
1 1 U cem 1 U om U cem I cm 2 RL 2 RL 2 2
（5-1）
当输出 uo max且波形不失真时，其最大值为 U om(max) U CC U CES
平均集电极电流IC(AV)为 1 π 1 π uo I C(AV) 0 iC1d t 2 π 0 RL d t 2π π 1 1 U om 0 U om sin td t π RL 2 πRL
直流电流提供的功率一部分消耗在管子上，一部分提供给负载，故有
两个电源供给的总电源功率 2 U CCU om PE 2 PT1 Po （5-6） π RL 2 2 U CC PE(max) （5-7） π RL 2 U CC 2 I Cm(max) 为电源在一个周期内提供的平均电流。 式中 π RL π
2 U om U CC 0.64U CC ，管耗最大，其最大值为 可求出当 π
2 U PT1(max) 2 0.2Pom π RL
2 2 U CC 0.4Pom 两管总损耗 P 1(max) 2 T π RL
2 CC
（5-5）
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3. 直流电源提供的功率 PE
U om(max) U CC 时，将此参数代入上式，有：
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PT1(U om U CC )
令
U 4π ( ) 0.137Pom RL 4π
2 CC
（5-4）
dPT 1 2VCC U om 0 dU om RL π
• • • • 5.1 5.2 5.3 5.4 功率放大电路的一般性问题 乙类双电源互补功率放大电路 甲乙类互补功率放大电路 集成功放
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5.1 功率放大电路的一般性问题
功率放大电路一般在多级放大电路的输出级，主要作用是在不失真或 轻微失真的前提下，尽可能地对功率进行放大，以推动负载如扬声器发声、 电机旋转、继电器动作、指示仪表偏转等。
0
I cm

t
0 0
B
U CC U CC
u CE1
Uopp=2(UCC – UCES)
T2通
U CES U cem
T1通
t
U ce m(max)
uCE 2
Q
U CC
0
t 2

iC 2
iC 2
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5.2.2 功率参数分析
1. 输出功率 Po
由图5-2、图5-3可知， I L I c
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基本要求
• 了解功率放大电路的特殊问题——效率和失 真的问题和解决这类问题的方法； • 掌握乙类功放的工作原理和功率参数计算及 存在的问题以及甲乙类功放电路的构成； • 了解集成功放及其应用。
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主要内容
π
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3．低频功率放大器的特点 1) 要有尽可能大的输出功率； 2) 效率要高； 3) 非线性失真要小； 4) 考虑放大器件的安全，要加装散热和保护装； 5) 放大器件在大信号条件下工作，采用图解法 分析。
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5.1.2 提高功率放大电路效率的主要途径
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1．工作状态分类
根据晶体管的静态工作点的位置不同可分以下几类。
(1) 甲类放大电路
静态工作 点位置
特点
a. 静态功耗大
iC
iC1
集电极电 流波形
PC UCEQ I CQ
b. 能量转换效率低
QA
ICQ
2=2 2 ωt
0
c. 放大管的导通角θ
=π
uCE 0
5.1.1对功率放大电路的基本要求 功率放大电路是一种以输出较大功率为目的放大电路。 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。