第8章 功率放大电路
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7 功率放大电路
7.1 概述 ＊7.2 小功率放大器 7.3 互补对称功率放大电路 7.4 集成功率放大器 7.5 功率放大器实际应用电路
7.1
概述
功率放大就是在有较大的电压输出的同时，又 要有较大的电流输出。 前面学过的放大电路多用于多级放大电路的输 入级或中间级，主要用于放大微弱的电压或电 流信号。
7.3.2 单电源互补对称功率放大器 （OTL--无输出变压器电路） 当在电路中采用单电源供电 时，可采用图7-3-3所示的 电路。
图7-3-3 单电源互补对称功率放大器
图7-3-3中，功效管工作在乙类状态。静态时因电路对称， E点电位为 1 VCC ，负载中没有电流。
2
① vi正半周，T1导通，T2截止，io=iC1，负载RL上得到正半 周点
1、任务和特点：
（1）大信号工作状态
为输出足够大的功率，功放管的动态工作范围很大，功放管中的电 压、电流信号都是大信号，一般以不超过功放管的极限参数为限度。
（2）非线性失真问题
输出功率越大，电压和电流的幅度就越大，信号的非线性失真就越 严重，如何减小非线性失真是功放电路的一个重要问题。
4
78 .5%
7.3.1 双电源互补对称 电路（OCL电路） （4）管耗PT
2 1 1 2 Vom 1 Vom PT 1 PT 2 PV PO · ·CC V 2 2 RL 2 RL 2 1 VomVCC Vom R 4 L
dVom
2 VomVCC Vom 4
代入式（7-3-7）得，T1、T2消耗功率的极限值为：
PT max
Vom
2
VCC
PT 1.2 m
2 VCC 2 RL
（7-3-8）
7.3.1 双电源互补对称 电路（OCL电路）
根据式（7-3-2）知 Pom
（3）提高功放的效率、降低功放管的管耗
功放电路提供给负载的交流功率是在输入交流信号的控制下将直流 电源提供的能量转换成交流能量而来的。因为功率大，所以效率问题 十分重要，否则，不仅会带来能源的浪费，还会引起功放管的发热， 甚至损坏。
7.1.1 功率放大电路的主要特点 2、功放电路的分析方法
ic max
2 VCC 16 2 Pom 16W 2 RL 2 8 V 16V CC 2A RL 8
＜I CM
3 A 40V
VCE max 2VCC 32V
＜ V
BR CEO
5W
PT 1 max 0.2 Pom 0.2 16W 3.2W 说明所用功放管的工作是安全的。
（7-3-2）
7.3.1 双电源互补对称 电路（OCL电路）
(2)直流电源提供的功率PV 由于正、负电源都只 有半个周期内供电，
I C1 I C 2 1 2
图7-3-2 推挽功率放大器分析
因此在一个周期内的平均电流为：
0
I cm sin td (t )
7.3.3 甲乙类互补对称功率放大器
图7-3-5 甲乙类互补对称功率放大器
（b）图为OTL电路，利用D1、D2正向压降。 由于D1、D2的交流电阻很小，可视为短路，使T1、T2两管 基极信号基本相同。
＜PCM
例7-3-1续
（2）由式（7-3-6）
· 4 VCC 可求得 0.6 时的输出电压Vom为：
Vom
Vom
4 VCC · 16 0.6 12 .2V 3 .14
4
2 Vom 12 .2 2 PO 9 .3W 2 RL 28
7.3.3 甲乙类互补对称功率放大器
由于乙类功放中三极管存在死区电压（硅管约为0.5V），只 有当输入信号的幅度大于0.5V（对于T2应小于-0.5V）以后， 三极管才逐渐导通。因此，输出波形在输入信号零点附近的 范围出现交越失真。如图7-3-4所示。
图7-3-4 乙类双电源互补对称功率放大电路的交越失真
（7-1-1）
其中Vom和Iom分别为输出电压和电流的峰值。 最大不失真输出功率指输出在基本不失真情况下，放大电路最大输 出电压Vomax和最大输出电流Iomax有效值的乘积，记为Pom V I 1 Pom o max ·o max Vo max I o max （7-1-2） 2 2 2 （2）效率η 放大电路的效率定义为放大电路输出给负载的交流功率Po与直流电 源提供的功率PV 之比，即： PO 100 % PV （3）管耗PT 损耗在功放管上的功率称为功放管的损耗，简称管耗，用PT表示。
①凡是功率管在一个周 期内导通的称为甲类； 前面介绍的小信号放大 器就是在这种状态下工 作 ②仅在半个周期内导通 的称为乙类； ③介于甲类与乙类之间 ， 即大于半个周期小于一 个周期内 导通的称为甲乙类； ④小于半个周期内导通 的称为丙类。
7.1.2 功放电路的工作状态与效率的关系
② vi负半周，T1截止，T2导通，io=iC2，电容C通过T2和RL 放电。负载RL上得到负半周输出信号。
7.3.2 单电源互补对称功率放大器 （OTL--无输出变压器电路）
由此可见，单电源互补对称 电路的工作原理与正、负双 电源互补对称电路的工作原
图7-3-3 单电源互补对称功率放大器
理相似，不同之处在于VCC降为VCC/2，输出电压幅度也由 VCC降为VCC/2。 可见，电容C实际上等效为电压等于VCC/2的电源，使单电 源供电电路等效为VCC/2和-VCC/2的双电源供电电路。 因而前面式（7-3-1）～（7-3-4）各式中，只要将VCC改成 VCC/2即可。 具体见表7-3-1所示。（具体表格不讲）(教材上P.202)
7.1.1 功率放大电路的主要特点 4、功放管的保护和散热问题
功放管工作在高电压、大电流，所以损坏的可能性较大
→ 保护
功放电路中，有相当大的功率消耗在功放管的集电结上
→ 散热
7.1.2 功放电路的工作状态与效率的关系
根据三极管静态工作点的位置不同，放大电路的工作状态 可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类。它们的主要特点和用 途如表7-1-1所示（教材P.192）。 在输入正弦波激励下：
【图】(备课笔记 P．7.3-3)
7.3.1 双电源互补对称 电路（OCL电路） 3、功放管的选择：
由于功放管工作在高电压、大电流、大功耗状态，所以功放 管选择需满足下列条件： （1）每只功放管的最大允许管耗 PCM ＞ 0.2 Pom
（2）功放管的耐压 V BR CEO ＞ 2VCC
直流电源提供的功率PV与放大器输出功率PO之差就是功放管的管耗。 (7-3-7) 两个功放管总的管耗为：
2 PT PT 1 PT 2 RL
说明PT(或PT1、PT2)为Vom的函数，把式(7-3-7)对Vom求导 dP 数 T 1 0 ，可得到PT1(或PT2)为极限值时的Vom为：
它们的集电极电流波形如下图所示：
甲类功放
乙类功放
甲乙类功放
丙类功放
7.1.2 功放电路的工作状态与效率的关系
由表7-1-1可知，管子的导通时间越短，管子的功耗 越小，效率越高。 相同输入信号下如果维持输出功率不变，4类功效的 效率关系为：
甲 最高 50 % ＜甲乙 最高 50 ~ 78 % 乙 最高 78 % 丙 最高85 % ~ 90 % ＜ ＜
2 Vom I om 1 Vom 1 Vom PO VO I O · Vom · · RL 2 RL 2 2 2
（7-3-1）
由于 vo
V vi ， o max
Vi max VCC ，则
2 1 Vo2max 1 VCC · · 2 RL 2 RL
最大输出功率为： Pom
由于功放电路输入端为大信号，所以对功放电路分析常采 用图解法，
而小信号放大电路分析时用的微变等效电路法则不再适用。
7.1.1 功率放大电路的主要特点
3、主要技术指标：
（1）输出功率Po和最大不失真输出功率Pom 输出电压有效值与输出电流有效值的乘积定义为输出功率Po
Vom I om 1 PO VO I O · Vom I om 2 2 2
PT 1、 max 2
2 1 VCC · 2 RL
，则最大管耗可表示为：
2 2 VCC 2 2· 2 Pom 0.2 Pom 2 RL
（7-3-9）
当最大管耗发生时的效率为：
Vom
1 · · 50 % 4 VCC 4 VCC 2
2
VCC
下图为功率消耗PT与输出峰值电压Vom相对应的曲线图。
图7-3-1 推挽功率放大器
7.3.1 双电源互补对称 电路（OCL电路） 1、工作原理：
图中T1、T2为两个特 性配对的互补功率管 图7-3-1 推挽功率放大器 （NPN型和PNP型） ①当输入vi=0时，T1、T2截止，v0=0。 ②当vi为正半周时,T1导通,工作在射极跟随状态,T2截止； ③当vi为负半周时,T1截止,T2导通,工作在射极跟随状态。 说明电路工作在推挽状态： 当vi为正时，T1 推（提供）电流给负载； 当vi为负时，T2从负载上拉（挖掘）电流。
7.3.1 双电源互补对称 电路（OCL电路） 2、分析计算
图7-3-2表示推挽电路 在vi为正半周时T1的工
图7-3-2 推挽功率放大器分析
作情况。图中，假定只要vBE>0，T1管就开始导电，则在一周期内T1导电 时间约为半周期。
（1）输出功率Po和最大不失真功率Pom
设输出信号电压幅度为Vom，当输入正弦信号时，
7.2 小功率放大器（不讲）
图7-2-1（a）为变压器耦合单管功率放大器的典型电路。
图7-2-2为变压器耦合推挽功率放大器。
7.3 互补对称功率放大电路
7.3.1 双电源互补对称电路（OCL电路）
图7-3-1(a)为双电源互补对称电路，为乙类功放电路。 由于正负电源和电路结构完全对称，所以静态时输出端的 电压为零，不必采用耦合电容来隔直，因此称为无输出电 容电路（OCL电路）。
（3）功放管的最大允许集电极电流 I CM ＞
VCC RL
7.3.1 双电源互补对称 电路（OCL电路）
例7-3-1 功放电路如图7-3-1（a）所 示，设VCC=16V，RL=8Ω，晶体 管极限参数ICM=3A，V(BR)CEO=40V，PCM=5W，试求： （1）Pom值，并检验所用功放管是否安全； （2）放大器在 c 0 .6 时的Po值。 解（1）
7.3.3 甲乙类互补对称功率放大器
图7-3-5 甲乙类互补对称功率放大器
为了克服交越失真，可以利用PN结压降、电阻压降、或其它 元器件压降给两个功放管的发射结加上正向偏置电压，使功 放管处于刚刚导通状态，称为甲乙类。 如图7-3-5所示为甲乙类功放。 （a）图为OCL电路，利用D1、D2正向压降。
根据（7-3-1）和 （7-3-4）式，可得 一般情况下的效率为：
图7-3-2 推挽功率放大器分析
· PO PV · V
最大效率为： m
1 V0 m 2 RL 2 V om CC RL
2
Vom
· 4 VCC
（7-3-6）
当获得最大不失真输出幅度时， om Vo max VCC ，则 V
I cm
正负电源提供的总功率为：
PV 2 I C 1VCC I cm 2 Vom 2· ·CC · ·CC V V RL
（7-3-4）
当获得最大不失真输出时，电源提供的最大功率PVM为： 2 2 VCC PVM · （7-3-5） RL
7.3.1 双电源互补对称 电路（OCL电路） （3）效率η
7.1 概述 ＊7.2 小功率放大器 7.3 互补对称功率放大电路 7.4 集成功率放大器 7.5 功率放大器实际应用电路
7.1
概述
功率放大就是在有较大的电压输出的同时，又 要有较大的电流输出。 前面学过的放大电路多用于多级放大电路的输 入级或中间级，主要用于放大微弱的电压或电 流信号。
7.3.2 单电源互补对称功率放大器 （OTL--无输出变压器电路） 当在电路中采用单电源供电 时，可采用图7-3-3所示的 电路。
图7-3-3 单电源互补对称功率放大器
图7-3-3中，功效管工作在乙类状态。静态时因电路对称， E点电位为 1 VCC ，负载中没有电流。
2
① vi正半周，T1导通，T2截止，io=iC1，负载RL上得到正半 周点
1、任务和特点：
（1）大信号工作状态
为输出足够大的功率，功放管的动态工作范围很大，功放管中的电 压、电流信号都是大信号，一般以不超过功放管的极限参数为限度。
（2）非线性失真问题
输出功率越大，电压和电流的幅度就越大，信号的非线性失真就越 严重，如何减小非线性失真是功放电路的一个重要问题。
4
78 .5%
7.3.1 双电源互补对称 电路（OCL电路） （4）管耗PT
2 1 1 2 Vom 1 Vom PT 1 PT 2 PV PO · ·CC V 2 2 RL 2 RL 2 1 VomVCC Vom R 4 L
dVom
2 VomVCC Vom 4
代入式（7-3-7）得，T1、T2消耗功率的极限值为：
PT max
Vom
2
VCC
PT 1.2 m
2 VCC 2 RL
（7-3-8）
7.3.1 双电源互补对称 电路（OCL电路）
根据式（7-3-2）知 Pom
（3）提高功放的效率、降低功放管的管耗
功放电路提供给负载的交流功率是在输入交流信号的控制下将直流 电源提供的能量转换成交流能量而来的。因为功率大，所以效率问题 十分重要，否则，不仅会带来能源的浪费，还会引起功放管的发热， 甚至损坏。
7.1.1 功率放大电路的主要特点 2、功放电路的分析方法
ic max
2 VCC 16 2 Pom 16W 2 RL 2 8 V 16V CC 2A RL 8
＜I CM
3 A 40V
VCE max 2VCC 32V
＜ V
BR CEO
5W
PT 1 max 0.2 Pom 0.2 16W 3.2W 说明所用功放管的工作是安全的。
（7-3-2）
7.3.1 双电源互补对称 电路（OCL电路）
(2)直流电源提供的功率PV 由于正、负电源都只 有半个周期内供电，
I C1 I C 2 1 2
图7-3-2 推挽功率放大器分析
因此在一个周期内的平均电流为：
0
I cm sin td (t )
7.3.3 甲乙类互补对称功率放大器
图7-3-5 甲乙类互补对称功率放大器
（b）图为OTL电路，利用D1、D2正向压降。 由于D1、D2的交流电阻很小，可视为短路，使T1、T2两管 基极信号基本相同。
＜PCM
例7-3-1续
（2）由式（7-3-6）
· 4 VCC 可求得 0.6 时的输出电压Vom为：
Vom
Vom
4 VCC · 16 0.6 12 .2V 3 .14
4
2 Vom 12 .2 2 PO 9 .3W 2 RL 28
7.3.3 甲乙类互补对称功率放大器
由于乙类功放中三极管存在死区电压（硅管约为0.5V），只 有当输入信号的幅度大于0.5V（对于T2应小于-0.5V）以后， 三极管才逐渐导通。因此，输出波形在输入信号零点附近的 范围出现交越失真。如图7-3-4所示。
图7-3-4 乙类双电源互补对称功率放大电路的交越失真
（7-1-1）
其中Vom和Iom分别为输出电压和电流的峰值。 最大不失真输出功率指输出在基本不失真情况下，放大电路最大输 出电压Vomax和最大输出电流Iomax有效值的乘积，记为Pom V I 1 Pom o max ·o max Vo max I o max （7-1-2） 2 2 2 （2）效率η 放大电路的效率定义为放大电路输出给负载的交流功率Po与直流电 源提供的功率PV 之比，即： PO 100 % PV （3）管耗PT 损耗在功放管上的功率称为功放管的损耗，简称管耗，用PT表示。
①凡是功率管在一个周 期内导通的称为甲类； 前面介绍的小信号放大 器就是在这种状态下工 作 ②仅在半个周期内导通 的称为乙类； ③介于甲类与乙类之间 ， 即大于半个周期小于一 个周期内 导通的称为甲乙类； ④小于半个周期内导通 的称为丙类。
7.1.2 功放电路的工作状态与效率的关系
② vi负半周，T1截止，T2导通，io=iC2，电容C通过T2和RL 放电。负载RL上得到负半周输出信号。
7.3.2 单电源互补对称功率放大器 （OTL--无输出变压器电路）
由此可见，单电源互补对称 电路的工作原理与正、负双 电源互补对称电路的工作原
图7-3-3 单电源互补对称功率放大器
理相似，不同之处在于VCC降为VCC/2，输出电压幅度也由 VCC降为VCC/2。 可见，电容C实际上等效为电压等于VCC/2的电源，使单电 源供电电路等效为VCC/2和-VCC/2的双电源供电电路。 因而前面式（7-3-1）～（7-3-4）各式中，只要将VCC改成 VCC/2即可。 具体见表7-3-1所示。（具体表格不讲）(教材上P.202)
7.1.1 功率放大电路的主要特点 4、功放管的保护和散热问题
功放管工作在高电压、大电流，所以损坏的可能性较大
→ 保护
功放电路中，有相当大的功率消耗在功放管的集电结上
→ 散热
7.1.2 功放电路的工作状态与效率的关系
根据三极管静态工作点的位置不同，放大电路的工作状态 可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类。它们的主要特点和用 途如表7-1-1所示（教材P.192）。 在输入正弦波激励下：
【图】(备课笔记 P．7.3-3)
7.3.1 双电源互补对称 电路（OCL电路） 3、功放管的选择：
由于功放管工作在高电压、大电流、大功耗状态，所以功放 管选择需满足下列条件： （1）每只功放管的最大允许管耗 PCM ＞ 0.2 Pom
（2）功放管的耐压 V BR CEO ＞ 2VCC
直流电源提供的功率PV与放大器输出功率PO之差就是功放管的管耗。 (7-3-7) 两个功放管总的管耗为：
2 PT PT 1 PT 2 RL
说明PT(或PT1、PT2)为Vom的函数，把式(7-3-7)对Vom求导 dP 数 T 1 0 ，可得到PT1(或PT2)为极限值时的Vom为：
它们的集电极电流波形如下图所示：
甲类功放
乙类功放
甲乙类功放
丙类功放
7.1.2 功放电路的工作状态与效率的关系
由表7-1-1可知，管子的导通时间越短，管子的功耗 越小，效率越高。 相同输入信号下如果维持输出功率不变，4类功效的 效率关系为：
甲 最高 50 % ＜甲乙 最高 50 ~ 78 % 乙 最高 78 % 丙 最高85 % ~ 90 % ＜ ＜
2 Vom I om 1 Vom 1 Vom PO VO I O · Vom · · RL 2 RL 2 2 2
（7-3-1）
由于 vo
V vi ， o max
Vi max VCC ，则
2 1 Vo2max 1 VCC · · 2 RL 2 RL
最大输出功率为： Pom
由于功放电路输入端为大信号，所以对功放电路分析常采 用图解法，
而小信号放大电路分析时用的微变等效电路法则不再适用。
7.1.1 功率放大电路的主要特点
3、主要技术指标：
（1）输出功率Po和最大不失真输出功率Pom 输出电压有效值与输出电流有效值的乘积定义为输出功率Po
Vom I om 1 PO VO I O · Vom I om 2 2 2
PT 1、 max 2
2 1 VCC · 2 RL
，则最大管耗可表示为：
2 2 VCC 2 2· 2 Pom 0.2 Pom 2 RL
（7-3-9）
当最大管耗发生时的效率为：
Vom
1 · · 50 % 4 VCC 4 VCC 2
2
VCC
下图为功率消耗PT与输出峰值电压Vom相对应的曲线图。
图7-3-1 推挽功率放大器
7.3.1 双电源互补对称 电路（OCL电路） 1、工作原理：
图中T1、T2为两个特 性配对的互补功率管 图7-3-1 推挽功率放大器 （NPN型和PNP型） ①当输入vi=0时，T1、T2截止，v0=0。 ②当vi为正半周时,T1导通,工作在射极跟随状态,T2截止； ③当vi为负半周时,T1截止,T2导通,工作在射极跟随状态。 说明电路工作在推挽状态： 当vi为正时，T1 推（提供）电流给负载； 当vi为负时，T2从负载上拉（挖掘）电流。
7.3.1 双电源互补对称 电路（OCL电路） 2、分析计算
图7-3-2表示推挽电路 在vi为正半周时T1的工
图7-3-2 推挽功率放大器分析
作情况。图中，假定只要vBE>0，T1管就开始导电，则在一周期内T1导电 时间约为半周期。
（1）输出功率Po和最大不失真功率Pom
设输出信号电压幅度为Vom，当输入正弦信号时，
7.2 小功率放大器（不讲）
图7-2-1（a）为变压器耦合单管功率放大器的典型电路。
图7-2-2为变压器耦合推挽功率放大器。
7.3 互补对称功率放大电路
7.3.1 双电源互补对称电路（OCL电路）
图7-3-1(a)为双电源互补对称电路，为乙类功放电路。 由于正负电源和电路结构完全对称，所以静态时输出端的 电压为零，不必采用耦合电容来隔直，因此称为无输出电 容电路（OCL电路）。
（3）功放管的最大允许集电极电流 I CM ＞
VCC RL
7.3.1 双电源互补对称 电路（OCL电路）
例7-3-1 功放电路如图7-3-1（a）所 示，设VCC=16V，RL=8Ω，晶体 管极限参数ICM=3A，V(BR)CEO=40V，PCM=5W，试求： （1）Pom值，并检验所用功放管是否安全； （2）放大器在 c 0 .6 时的Po值。 解（1）
7.3.3 甲乙类互补对称功率放大器
图7-3-5 甲乙类互补对称功率放大器
为了克服交越失真，可以利用PN结压降、电阻压降、或其它 元器件压降给两个功放管的发射结加上正向偏置电压，使功 放管处于刚刚导通状态，称为甲乙类。 如图7-3-5所示为甲乙类功放。 （a）图为OCL电路，利用D1、D2正向压降。
根据（7-3-1）和 （7-3-4）式，可得 一般情况下的效率为：
图7-3-2 推挽功率放大器分析
· PO PV · V
最大效率为： m
1 V0 m 2 RL 2 V om CC RL
2
Vom
· 4 VCC
（7-3-6）
当获得最大不失真输出幅度时， om Vo max VCC ，则 V
I cm
正负电源提供的总功率为：
PV 2 I C 1VCC I cm 2 Vom 2· ·CC · ·CC V V RL
（7-3-4）
当获得最大不失真输出时，电源提供的最大功率PVM为： 2 2 VCC PVM · （7-3-5） RL
7.3.1 双电源互补对称 电路（OCL电路） （3）效率η