清华 杨素行 第三版 模电 第4章
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在正弦输入信号下，输出波形不超过规定的非线性失真指标时， 在正弦输入信号下，输出波形不超过规定的非线性失真指标时， 放大电路最大输出电压和最大输出电流有效值的乘积。 放大电路最大输出电压和最大输出电流有效值的乘积。 电压和最大输出电流有效值的乘积
共射接法下 Pom=
Ucem 2
Icm 1U I · = cem cm 2 2
iC1
NPN C1 + VCC VT2 2 PNP
+VCC
O iC1
t
uo
O iC
2
t
iL
RL
O iL O
t
iC2
t
OTL甲乙类互补对称电路的波形图 OTL甲乙类互补对称电路的波形图
仿真
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首页
3. OCL甲乙类互补对称电路 OCL甲乙类互补对称电路
iC1
VT1 NPN uo VT2 PNP +VCC
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首页
二、放大电路中三极管的工作状态
1.功放电路中，三极管工作在大信号状态， 1.功放电路中，三极管工作在大信号状态， 功放电路中 使得管子的特性曲线的非线性问题充分暴露出来。 非线性问题充分暴露出来 使得管子的特性曲线的非线性问题充分暴露出来。 2.电源提供的功率除了消耗在负载上外，其余部分基 2.电源提供的功率除了消耗在负载上外， 电源提供的功率除了消耗在负载上外 本消耗在放大管上，应使管消耗功率尽可能小。 本消耗在放大管上，应使管消耗功率尽可能小。为此 通常使管在静态时工作在临界导通 甚至截止状态， 静态时工作在临界导通， 通常使管在静态时工作在临界导通，甚至截止状态， 使其直流功耗趋于零。从这一点看， 使其直流功耗趋于零。从这一点看，前述各电路均不 适合做功放。 适合做功放。 3.当功率放大电路工作时，应防止三极管的工作点超 3.当功率放大电路工作时， 当功率放大电路工作时 出安全工作区的范围。选用放大三极管时， 出安全工作区的范围。选用放大三极管时，极限参数 应留有一定的余地。并根据手册安装合适的散热器。 应留有一定的余地。并根据手册安装合适的散热器。
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▼ 集电极最大允许耗散功率PCM 集电极最大允许耗散功率P 在OCL互补对称电路中，直流电源提供的功率PV， OCL互补对称电路中 直流电源提供的功率P 互补对称电路中， 一部分转换成输出功率P 传送给负载， 一部分转换成输出功率Po传送给负载，另一部分则 消耗在三极管内部，成为三极管的耗散功率P 消耗在三极管内部，成为三极管的耗散功率PT ，使 管子发热。 管子发热。 当集电极输出电压的峰值U 当集电极输出电压的峰值UOM ≈0.6 VCC时，三极管 的功率损耗达到最大， 此时， 的功率损耗达到最大，即PT= PTm 。此时，每个三 极管的最大管耗为: 极管的最大管耗为: 2
仿真
静态时 UCE1 = +VCC , UCE2 = – VCC Icm = (VCC – UCES )/RL (V
OCL电路省去了大电容， OCL电路省去了大电容，既改 电路省去了大电容 善了低频响应， 善了低频响应，又有利于实现 集成化，应用更为广泛。 集成化，应用更为广泛。
R1 ui b1 R VD1 VD2 b2 R2
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（3）功率三极管的极限参数 ▼ 集电极最大允许电流ICM 集电极最大允许电流I 在OCL互补对称电路中，流过三极管的最大集电极 OCL互补对称电路中 互补对称电路中， 电流为： 电流为：
VCC − UCES VCC Icm = ≈ RL RL
因此选择功率三极管时，其集电极最大允许电流应为： 因此选择功率三极管时，其集电极最大允许电流应为：
第一节 功率放大电路的主要特点
对放大电路的要求 放大电路中三极管的工作状态 放大电路的分析方法
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一、 对放大电路的要求
在一些电子设备中，常要求放大电路的输出级能 在一些电子设备中， 带动某种负载， 带动某种负载，因而要求放大电路有足够大的输 出功率。这种放大电路通称为功率放大器 功率放大器。 出功率。这种放大电路通称为功率放大器。 1. 根据负载要求，提供足够的输出功率。 根据负载要求，提供足够的输出功率。 最大输出功率P 最大输出功率Pom ：
当忽略饱和管压降U 当忽略饱和管压降UCES 时，OCL乙类和甲乙类互补 OCL乙类和甲乙类互补 对称电路的效率为 Pom π η= P ≈ = 4 78.5% V 如果考虑三极管的饱和管压降U 如果考虑三极管的饱和管压降UCES ，则OCL乙类和 OCL乙类和 甲乙类互补对称电路的效率将低于此值。 甲乙类互补对称电路的效率将低于此值。
根据功率放大电路的上述特点，可以组成功率放大的具体电路。 根据功率放大电路的上述特点，可以组成功率放大的具体电路。 考虑电路的具体形式时， 考虑电路的具体形式时， 主要应注意使放大电路具有足够的输出功率和较高的效率， 主要应注意使放大电路具有足够的输出功率和较高的效率， 并尽量减小输出波形的非线性失真。 并尽量减小输出波形的非线性失真。
第二节 互补对称式功率放大电路
电路的组成和工作原理
互补对称电路主要参数的估算
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一、 电路组成和工作原理
1. OTL乙类互补对称电路 OTL乙类互补对称电路
R1 +VCC VT1 uI C1+ VT2 R2
R1 和 R2确定放大电路的 静态电位。 静态电位。 调整R 调整R1 和 R2的值，使静态时 的值， 两管的发射极电位为 VCC
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功率放大电路的分类
传统功放多采用变压器耦合方式，目前应用的有： 传统功放多采用变压器耦合方式，目前应用的有： • OTL电路：无输出变压器功率放大电路 output transformerless 电路： 电路 • OCL电路：无输出电容的功率放大电路 output capacitorless 电路： 电路 • BTL电路：桥式推挽电路 balanced transformerless 电路： 电路 上述三种电路均采用射极输出方式，即共集接法。 上述三种电路均采用射极输出方式，即共集接法。 输出电阻低， （输出电阻低，带负载能力强）
iC1
+VCC
R 、VD1和VD2为两 管提供了静态基极 电流I 电流IB1和IB2 iC1 和 iC2不为零， 不为零， 静VT2 2 PNP
uo
iL
RL
iB2
iC2
避免了u 避免了ui较小时两管同时截止 减小了交越失真。 减小了交越失真。
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ui
R1 ui + b1 R VD1 VD2 b2 R2 VT1
VCC P = 2 Tm π RL
当忽略三极管的管压降时， 当忽略三极管的管压降时，PTm = 0.2 Pom 因此，在选择功率三极管时应满足，PCM > 0.2 Pom 因此，在选择功率三极管时应满足，
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2. 具有较高的效率。 具有较高的效率。 放大电路的效率可表示为η = po pv
式中 po 为放大电路输出给负载的功率， 为放大电路输出给负载的功率， 而 pv 为直流电源VCC所提供的功率。 为直流电源V 所提供的功率。 如果功率放大电路的效率不高， 如果功率放大电路的效率不高，不仅造成能量的浪 费，而且消耗在放大电路内部的电能将转换成为热 使管子、元件等温度升高， 量，使管子、元件等温度升高，因而不得不选用较 大容量的放大管和其他设备，很不经济。 大容量的放大管和其他设备，很不经济。
三、放大电路的分析方法
在功率放大电路中， 在功率放大电路中， 由于三极管的工作点在大范围内变化， 由于三极管的工作点在大范围内变化， 因此，对电路进行分析时， 因此，对电路进行分析时， 一般不能采用微变等效电路法 一般不能采用微变等效电路法， 不能采用微变等效电路法， 常采用图解法分析放大电路的静态和动态工作情况。 常采用图解法分析放大电路的静态和动态工作情况。 图解法分析放大电路的静态和动态工作情况
功率放大管的工作状态
甲类：在信号整个周期中，放大管均导通。 不使用） 甲类：在信号整个周期中，放大管均导通。360 °（不使用） 乙类：放大管仅在信号半个周期导通。 乙类：放大管仅在信号半个周期导通。180 ° 甲乙类：放大管导通时间大于半个周期。 α 甲乙类：放大管导通时间大于半个周期。180 °<α<360 °
2
NPN C + 2PNP
uO
RL
电容C2两端的电压也等于 2
VCC
OTL乙类互补对称电路 OTL乙类互补对称电路
动态时电容两端的电压保持0.5V 的数值基本不变。 动态时电容两端的电压保持0.5VCC的数值基本不变。
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R1 VT1 ui C1 + VT2 R2
iC1
NPN C + 2PNP
VCC ICM > RL
首页
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▼ 集电极最大允许反向电压U(BR)CEO 集电极最大允许反向电压U 在OCL互补对称电路中，两个三极管的集电极电压 OCL互补对称电路中 互补对称电路中， 之和等于2 之和等于2VCC，即
UCE1 + UEC2 = 2VCC
或 UCE1+ | UCE2 |= 2VCC
+VCC
ui
o
动画
uO
t
ic1
o
iL
RL
ic2 iL
o
t t t
iC2
ui > 0时VT1导通VT2截止。 导通VT 截止。 ui < 0时VT2导通VT1截止。 导通VT 截止。 iL = iC1 – iC2
o
交越失真
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2. OTL甲乙类互补对称电路 OTL甲乙类互补对称电路
R1 ui + b1 R VD1 VD2 b2 R2 VT1 NPN
iL
RL
iC2 -VCC
OCL甲乙类互补对称输出级 甲乙类互补对称输出级 上页 下页 首页
OCL电路存在的主要问题： OCL电路存在的主要问题： 电路存在的主要问题 两个三极管的发射极直接连到负载电阻上， 两个三极管的发射极直接连到负载电阻上， 如果静态工作点失调或电路内元器件损坏， 如果静态工作点失调或电路内元器件损坏， 将造成一个较大的电流长时间流过负载， 将造成一个较大的电流长时间流过负载， 可能造成电路损坏。 可能造成电路损坏。 为了防止出现此种情况，实际使用的电路中， 为了防止出现此种情况，实际使用的电路中， 常常在负载回路接入熔断丝作为保护措施。 常常在负载回路接入熔断丝作为保护措施。
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首页
二、 互补对称电路主要参数的估算
1. OCL互补对称电路主要参数的估算 OCL互补对称电路主要参数的估算
iC1 VCC RL A
若VT1、VT2对称 Ucem= VCC - UCES
Q Ucem1 VCC O
Icm1 O UCES
-uCE2
uCE1
ui > 0时工作点沿QA上移。 时工作点沿QA上移 上移。 ui < 0时工作点沿QB下移。 时工作点沿QB下移 下移。
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（2）效率 当输出最大功率时，放大电路的效率等于最大输 当输出最大功率时， 出功率P 与直流电源提供的功率P 之比。 出功率Pom与直流电源提供的功率PV之比。 1 PV = VCC × π
π
0
Icmsinωtd(ωt) = sinωtd(ωt)
2VCCIcm ≈ π
2V2CC πRL
OCL互补电路的图解法 互补电路的图解法 B i C2 上页 下页 首页
（1）最大输出功率 Ucem = VCC – UCES
Ucem VCC − UCES Icm = = RL RL
U2cem (VCC – UCES)2 1 1 Pom = 2 = RL 2 RL 当满足条件U <<V 当满足条件UCES <<VCC时 Pom ≈ V2CC 2RL
当VT2导电时， VT1截止，此时VT1的集电极承 导电时， 截止，此时VT 受反向电压。 饱和时， 受反向电压。当VT2饱和时， VT1的集电极电压 达到最大，此时： 达到最大，此时：
UCE1 = 2VCC − | UCES2 |≈ 2VCC
因此，功率三极管的集电极最大允许反向电压应为 因此，
U(BR)CEO > 2VCC
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极限参数
a. 集电极最大允许 电流 ICM b. 集电极最大允许 耗散功率 PCM
iC/mA 过流区 过 损
iCuCE=PCM
ICM
耗 安 全 工作区 c. 极间反向击穿电压 O 区
过 压 区
U(BR)CEO
三极管的安全工作区
uCE/V
集射反向击穿电压U 集射反向击穿电压U(BR)CEO 集基反向击穿电压U 集基反向击穿电压U(BR)CBO
共射接法下 Pom=
Ucem 2
Icm 1U I · = cem cm 2 2
iC1
NPN C1 + VCC VT2 2 PNP
+VCC
O iC1
t
uo
O iC
2
t
iL
RL
O iL O
t
iC2
t
OTL甲乙类互补对称电路的波形图 OTL甲乙类互补对称电路的波形图
仿真
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3. OCL甲乙类互补对称电路 OCL甲乙类互补对称电路
iC1
VT1 NPN uo VT2 PNP +VCC
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二、放大电路中三极管的工作状态
1.功放电路中，三极管工作在大信号状态， 1.功放电路中，三极管工作在大信号状态， 功放电路中 使得管子的特性曲线的非线性问题充分暴露出来。 非线性问题充分暴露出来 使得管子的特性曲线的非线性问题充分暴露出来。 2.电源提供的功率除了消耗在负载上外，其余部分基 2.电源提供的功率除了消耗在负载上外， 电源提供的功率除了消耗在负载上外 本消耗在放大管上，应使管消耗功率尽可能小。 本消耗在放大管上，应使管消耗功率尽可能小。为此 通常使管在静态时工作在临界导通 甚至截止状态， 静态时工作在临界导通， 通常使管在静态时工作在临界导通，甚至截止状态， 使其直流功耗趋于零。从这一点看， 使其直流功耗趋于零。从这一点看，前述各电路均不 适合做功放。 适合做功放。 3.当功率放大电路工作时，应防止三极管的工作点超 3.当功率放大电路工作时， 当功率放大电路工作时 出安全工作区的范围。选用放大三极管时， 出安全工作区的范围。选用放大三极管时，极限参数 应留有一定的余地。并根据手册安装合适的散热器。 应留有一定的余地。并根据手册安装合适的散热器。
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▼ 集电极最大允许耗散功率PCM 集电极最大允许耗散功率P 在OCL互补对称电路中，直流电源提供的功率PV， OCL互补对称电路中 直流电源提供的功率P 互补对称电路中， 一部分转换成输出功率P 传送给负载， 一部分转换成输出功率Po传送给负载，另一部分则 消耗在三极管内部，成为三极管的耗散功率P 消耗在三极管内部，成为三极管的耗散功率PT ，使 管子发热。 管子发热。 当集电极输出电压的峰值U 当集电极输出电压的峰值UOM ≈0.6 VCC时，三极管 的功率损耗达到最大， 此时， 的功率损耗达到最大，即PT= PTm 。此时，每个三 极管的最大管耗为: 极管的最大管耗为: 2
仿真
静态时 UCE1 = +VCC , UCE2 = – VCC Icm = (VCC – UCES )/RL (V
OCL电路省去了大电容， OCL电路省去了大电容，既改 电路省去了大电容 善了低频响应， 善了低频响应，又有利于实现 集成化，应用更为广泛。 集成化，应用更为广泛。
R1 ui b1 R VD1 VD2 b2 R2
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（3）功率三极管的极限参数 ▼ 集电极最大允许电流ICM 集电极最大允许电流I 在OCL互补对称电路中，流过三极管的最大集电极 OCL互补对称电路中 互补对称电路中， 电流为： 电流为：
VCC − UCES VCC Icm = ≈ RL RL
因此选择功率三极管时，其集电极最大允许电流应为： 因此选择功率三极管时，其集电极最大允许电流应为：
第一节 功率放大电路的主要特点
对放大电路的要求 放大电路中三极管的工作状态 放大电路的分析方法
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一、 对放大电路的要求
在一些电子设备中，常要求放大电路的输出级能 在一些电子设备中， 带动某种负载， 带动某种负载，因而要求放大电路有足够大的输 出功率。这种放大电路通称为功率放大器 功率放大器。 出功率。这种放大电路通称为功率放大器。 1. 根据负载要求，提供足够的输出功率。 根据负载要求，提供足够的输出功率。 最大输出功率P 最大输出功率Pom ：
当忽略饱和管压降U 当忽略饱和管压降UCES 时，OCL乙类和甲乙类互补 OCL乙类和甲乙类互补 对称电路的效率为 Pom π η= P ≈ = 4 78.5% V 如果考虑三极管的饱和管压降U 如果考虑三极管的饱和管压降UCES ，则OCL乙类和 OCL乙类和 甲乙类互补对称电路的效率将低于此值。 甲乙类互补对称电路的效率将低于此值。
根据功率放大电路的上述特点，可以组成功率放大的具体电路。 根据功率放大电路的上述特点，可以组成功率放大的具体电路。 考虑电路的具体形式时， 考虑电路的具体形式时， 主要应注意使放大电路具有足够的输出功率和较高的效率， 主要应注意使放大电路具有足够的输出功率和较高的效率， 并尽量减小输出波形的非线性失真。 并尽量减小输出波形的非线性失真。
第二节 互补对称式功率放大电路
电路的组成和工作原理
互补对称电路主要参数的估算
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一、 电路组成和工作原理
1. OTL乙类互补对称电路 OTL乙类互补对称电路
R1 +VCC VT1 uI C1+ VT2 R2
R1 和 R2确定放大电路的 静态电位。 静态电位。 调整R 调整R1 和 R2的值，使静态时 的值， 两管的发射极电位为 VCC
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功率放大电路的分类
传统功放多采用变压器耦合方式，目前应用的有： 传统功放多采用变压器耦合方式，目前应用的有： • OTL电路：无输出变压器功率放大电路 output transformerless 电路： 电路 • OCL电路：无输出电容的功率放大电路 output capacitorless 电路： 电路 • BTL电路：桥式推挽电路 balanced transformerless 电路： 电路 上述三种电路均采用射极输出方式，即共集接法。 上述三种电路均采用射极输出方式，即共集接法。 输出电阻低， （输出电阻低，带负载能力强）
iC1
+VCC
R 、VD1和VD2为两 管提供了静态基极 电流I 电流IB1和IB2 iC1 和 iC2不为零， 不为零， 静VT2 2 PNP
uo
iL
RL
iB2
iC2
避免了u 避免了ui较小时两管同时截止 减小了交越失真。 减小了交越失真。
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ui
R1 ui + b1 R VD1 VD2 b2 R2 VT1
VCC P = 2 Tm π RL
当忽略三极管的管压降时， 当忽略三极管的管压降时，PTm = 0.2 Pom 因此，在选择功率三极管时应满足，PCM > 0.2 Pom 因此，在选择功率三极管时应满足，
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2. 具有较高的效率。 具有较高的效率。 放大电路的效率可表示为η = po pv
式中 po 为放大电路输出给负载的功率， 为放大电路输出给负载的功率， 而 pv 为直流电源VCC所提供的功率。 为直流电源V 所提供的功率。 如果功率放大电路的效率不高， 如果功率放大电路的效率不高，不仅造成能量的浪 费，而且消耗在放大电路内部的电能将转换成为热 使管子、元件等温度升高， 量，使管子、元件等温度升高，因而不得不选用较 大容量的放大管和其他设备，很不经济。 大容量的放大管和其他设备，很不经济。
三、放大电路的分析方法
在功率放大电路中， 在功率放大电路中， 由于三极管的工作点在大范围内变化， 由于三极管的工作点在大范围内变化， 因此，对电路进行分析时， 因此，对电路进行分析时， 一般不能采用微变等效电路法 一般不能采用微变等效电路法， 不能采用微变等效电路法， 常采用图解法分析放大电路的静态和动态工作情况。 常采用图解法分析放大电路的静态和动态工作情况。 图解法分析放大电路的静态和动态工作情况
功率放大管的工作状态
甲类：在信号整个周期中，放大管均导通。 不使用） 甲类：在信号整个周期中，放大管均导通。360 °（不使用） 乙类：放大管仅在信号半个周期导通。 乙类：放大管仅在信号半个周期导通。180 ° 甲乙类：放大管导通时间大于半个周期。 α 甲乙类：放大管导通时间大于半个周期。180 °<α<360 °
2
NPN C + 2PNP
uO
RL
电容C2两端的电压也等于 2
VCC
OTL乙类互补对称电路 OTL乙类互补对称电路
动态时电容两端的电压保持0.5V 的数值基本不变。 动态时电容两端的电压保持0.5VCC的数值基本不变。
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R1 VT1 ui C1 + VT2 R2
iC1
NPN C + 2PNP
VCC ICM > RL
首页
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▼ 集电极最大允许反向电压U(BR)CEO 集电极最大允许反向电压U 在OCL互补对称电路中，两个三极管的集电极电压 OCL互补对称电路中 互补对称电路中， 之和等于2 之和等于2VCC，即
UCE1 + UEC2 = 2VCC
或 UCE1+ | UCE2 |= 2VCC
+VCC
ui
o
动画
uO
t
ic1
o
iL
RL
ic2 iL
o
t t t
iC2
ui > 0时VT1导通VT2截止。 导通VT 截止。 ui < 0时VT2导通VT1截止。 导通VT 截止。 iL = iC1 – iC2
o
交越失真
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2. OTL甲乙类互补对称电路 OTL甲乙类互补对称电路
R1 ui + b1 R VD1 VD2 b2 R2 VT1 NPN
iL
RL
iC2 -VCC
OCL甲乙类互补对称输出级 甲乙类互补对称输出级 上页 下页 首页
OCL电路存在的主要问题： OCL电路存在的主要问题： 电路存在的主要问题 两个三极管的发射极直接连到负载电阻上， 两个三极管的发射极直接连到负载电阻上， 如果静态工作点失调或电路内元器件损坏， 如果静态工作点失调或电路内元器件损坏， 将造成一个较大的电流长时间流过负载， 将造成一个较大的电流长时间流过负载， 可能造成电路损坏。 可能造成电路损坏。 为了防止出现此种情况，实际使用的电路中， 为了防止出现此种情况，实际使用的电路中， 常常在负载回路接入熔断丝作为保护措施。 常常在负载回路接入熔断丝作为保护措施。
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二、 互补对称电路主要参数的估算
1. OCL互补对称电路主要参数的估算 OCL互补对称电路主要参数的估算
iC1 VCC RL A
若VT1、VT2对称 Ucem= VCC - UCES
Q Ucem1 VCC O
Icm1 O UCES
-uCE2
uCE1
ui > 0时工作点沿QA上移。 时工作点沿QA上移 上移。 ui < 0时工作点沿QB下移。 时工作点沿QB下移 下移。
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（2）效率 当输出最大功率时，放大电路的效率等于最大输 当输出最大功率时， 出功率P 与直流电源提供的功率P 之比。 出功率Pom与直流电源提供的功率PV之比。 1 PV = VCC × π
π
0
Icmsinωtd(ωt) = sinωtd(ωt)
2VCCIcm ≈ π
2V2CC πRL
OCL互补电路的图解法 互补电路的图解法 B i C2 上页 下页 首页
（1）最大输出功率 Ucem = VCC – UCES
Ucem VCC − UCES Icm = = RL RL
U2cem (VCC – UCES)2 1 1 Pom = 2 = RL 2 RL 当满足条件U <<V 当满足条件UCES <<VCC时 Pom ≈ V2CC 2RL
当VT2导电时， VT1截止，此时VT1的集电极承 导电时， 截止，此时VT 受反向电压。 饱和时， 受反向电压。当VT2饱和时， VT1的集电极电压 达到最大，此时： 达到最大，此时：
UCE1 = 2VCC − | UCES2 |≈ 2VCC
因此，功率三极管的集电极最大允许反向电压应为 因此，
U(BR)CEO > 2VCC
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极限参数
a. 集电极最大允许 电流 ICM b. 集电极最大允许 耗散功率 PCM
iC/mA 过流区 过 损
iCuCE=PCM
ICM
耗 安 全 工作区 c. 极间反向击穿电压 O 区
过 压 区
U(BR)CEO
三极管的安全工作区
uCE/V
集射反向击穿电压U 集射反向击穿电压U(BR)CEO 集基反向击穿电压U 集基反向击穿电压U(BR)CBO