第4章功率放大器

3.甲乙类
介于甲类和乙类之间，其静态工作点选 在靠近截止区的位置，信号的作用范围大部 分在放大区，少部分在截止区，如图4-1-4(c) 所示。 此时在输入信号的多半个周期内，功率 放大器有集电极电流。
4.丙类
功率放大器的静态工作点Q选在功率管 的截止区内，信号的作用范围大部分在截止 区，少部分在放大区，如图4-1-4(d)所示。 此时仅在输入信号的少半个周期内，功 率放大器有集电极电流。
图4-2-1乙类互补对称功率放大原理电路
2. 性能分析
功率放大器在工作时，信号的作用范围 将进入功率管的非线性区，甚至工作于强非 线性区内。 所以功率管不能近似等效为一个线性器 件了，因此，通常都采用图解法来分析。 为了便于分析，假设VT1与VT2的特性完全 相同，且将VT2的特性曲线倒置在VT1的右下方， 并令二者在Q点，即uce=UCC处重合，形成VT1和 VT2的合成曲线，如图4-2-2所示。
图4-1-4功率放大器的4种工作状态
4.2低频功率放大器
4.2.1乙类互补对称功率放大器 4.2.2甲乙类互补对称功率放大器 4.2.3单电源互补对称功率放大器 *4.2.4单电源桥式互补对称功率放 大电路
甲类功率放大器虽然非线性失真小，但 效率太低。 所以除了作末级功率放大器的推动级外， 很少用作末级功率放大器。 目前使用最多的是单电源无变压器的互 补对称功率放大器(OTL)及双电源无输出电容 的互补对称功率放大器(OCL)。
4.2.1乙类互补对称功率放大器
1. 工作原理
乙类互补对称功率放大器(OCL电路)是由 两个射极输出器，即图4-2-1(a)和图4-2-1(b) 组合而成，如图4-2-1(c)所示。 在电路中，由于VT1、VT2互相对称，交替 工作，相互补充，共同完成功率放大功能， 所以又称该电路为乙类互补对称功率放大， 亦称OCL电路。
2. 输出功率
3. 效率功率
放大器的输出功率是由直流电源功率转 换而来的。 效率愈高，将使集电极损耗功率愈小， 晶体管在完成功率放大的过程中就更安全。 因此，无论从经济观点还是保证晶体管 安全工作着眼，都要求功率放大器具有较高 的效率。
4. 功率管的散热和安全工作区
(1) 功率管的散热。 由以上分析可知，功率管在向负载输出 功率的同时，自身也消耗一部分功率，使集 电结的结温升高。 当温度超过手册中规定的允许结温Tjm时 (通常，锗管Tjm约为75℃～100℃，硅管Tjm约 为150℃～200℃)，功率管就会因过热而不能 正常工作，甚至损坏。 最常用的是加装散热片，如图4-1-1所示。
4. 为了克服大信号时，大功率管不易配 对的弱点，准互补功率放大电路采用了复合 管形式。复合管组成的原则如下。 (1) 复合后组成等效管的导电类型以第1 只管为准。 这是因为后边的大功率管是受第1只管控 制的，第1只管导通，第2只管才可能工作， 所以当两只异型管组合成复合管时，第1只管 是NPN型时，则等效的复合管亦为NPN型。 (2) 第1只管的输出端CE，只能与第2只 管的BC两端相接，而不可与BE相接，以免受 到第2只管BE之间电压的钳制。 (3) 组成复合管时，必须保证两管的基 极电流能流通。
图4-1-3功率管的二次击穿现象
总之，功率放大器的主要任务，就是在 确保功率管安全运用的条件下，失真尽可能 地小，效率尽可能地高的输出负载所需的功 率。
4.1.2功率放大器的分类
如按放大信号的工作频段划分，可分为 低频功率放大器及高频功率放大器。 低频功放用于放大音频范围(几十赫～几 十千赫)的信号；高频功率放大器是用来放大 几百千赫～几十兆赫的高频信号。 如按工作频带的宽窄划分，又可分为窄 带功率放大器和宽带功率放大器。 如按功率管的工作状态划分，功率放大 器可分为甲类、乙类、甲乙类和丙类4种。
图4-2-5加正向偏压以清除交越失真
2. 甲乙类准互补功率放大器的实用电路
一个实用的甲乙类准互补集成功率放大 器原理电路，如图4-2-6所示。
图4-2-6带输入级的甲乙类准互补集成功率放大器电路
4.2.3单电源互补对称功率放大器
1. 基本原理
单电源互补对称功率放大器(OTL电路)原 理电路，如图4-2-7所示。 图4-2-7中VT1 、VT2 的特性一致，即是互 补对称的。
4.1.1功率放大器的特点
1. 非线性失真
由于功率放大器的晶体管是处于大信号 工作状态，信号的作用范围接近晶体管的截 止区和饱和区，将使功率放大器不可避免地 产生较大的非线性失真。 而且同一功率管输出功率越大，非线性 失真往往越严重。 因此，功率放大器的输出功率，应是在 规定的非线性失真范围内的最大输出功率。
但电压放大器是以放大信号电压为主， 位置又处于多级放大器的前端，输入、输出 信号幅度均比较小，所以晶体管一般都工作 在“小信号”状态。 而功率放大器是以输出一定功率为主， 位置又处于多级放大器的末端，输入、输出 信号幅度都较大，所以晶体管一般都工作在 “大信号”状态，因此，它们的工作状态、 技术指标以及分析方法都将有所不同。
5. 介绍了OTL电路及BTL电路的基本原理 和实用电路。 6. 带*号的内容，要求本科生学习，并 完成作业中带*号的复习思考题及习题。
图4-2-3交越失真的形成
4.2.2甲乙类互补对称功率放大器 1. 甲乙类互补对称功率放大器的基本 原理
为了减小交越失真，通常在两基极间加 入二极管(或电阻，或二极管和电阻相结合)， 如图4-2-4所示。
图4-2-4甲乙类互补对称功率放大器
此时的静态工作点Q已不是在输入特性曲 线的原点，而是在与UBEQ相对应的地方，如图 4-2-5所示。
图4-2-12BTL实用电路
小结
本章主要介绍了以输出功率为主要指标 的功率放大器。 在这种放大器中，功率管主要起能量转 换作用，即把电源能量转换为由信号控制的 能量。 在转换过程中，会由于功率管的非线性 产生失真，且由于器件自身的损耗使功率管 发热，效率降低。
为此，在介绍各种类型的功率放大器时， 都是在确保功率管安全运用的条件下，在允 许的非线性失真范围内，如何使功率管自身 的损耗减小，输出信号的功率尽可能大，集 电极转换效率尽可能的高。
4.1概述
4.1.1功率放大器的特点 4.1.2功率放大器的分类
为此，电子设备的末级，总是要求既能 输出较高电压，又能输出较大的电流。 总之，是以输出较大功率为主要指标， 所以一般将这一级称为功率放大器。 从能量控制的观点看，电压放大器与功 率放大器并没有本质的区别，它们都是利用 晶体管把直流电源能量转换为信号能量，实 现信号放大。
图4-1-1散热器
(2) 功率管的安全工作区。功率放大器 为了获得所需的输出功率，其输入、输出电 压和电流的幅度都很大，接近功率管的极限 运用状态，如图4-1-2所示。
图4-1-2功率管
图4-1-2中画出了功率管的输出特性曲线 和极限工作区。 这个工作区是由3个极限参数和二次击穿 安全工作区等因素确定的。 ① 集电极最大电流应小于手册中规定的 ICM。 ② 集电极最大电压应小于手册中规定的 BUCE0。 ③ 集电极损耗功率IC·UCE应小于手册中 规定的PCM。
图4-2-2互补对称功率放大图解分析
(2) 电源供给功率(PE)。
(3) 集电极耗散功率(PC)。
(4) 效率(η)。
(5) 功率管的选择。
(a) 每只功率管的最大集电极耗散功率
(b) 由图4-2-1(c)可知，当一只功率管 导通而另一只功率管截止时，其所承受的最 大反向电压为2UCC。 因此，要求功放管最大耐压
1. 甲类
功率放大器的静态工作点Q选在功率管的 放大区，且信号的作用范围也限制在放大区 内，如图4-1-4(a)所示。 此时在输入信号的整个周期内，功率放 大器均有集电极电流。
2. 乙类
功率放大器的静态工作点Q选在功率管的 截止区边缘，信号的作用范围一半在放大区， 另一半在截止区，如图4-1-4(b)所示。 此时只在输入信号的半个周期内，功率 放大器有集电极电流。
④ 功率管的二次击穿。 当集电极电压UCE逐渐增大时，届时将出 现一次击穿现象，如图4-1-3(a)中AB段所示。 如不加控制，当集电极电流iC增到某一 临界值时，功率管电压将突然降低，电流急 剧增长，出现负阻现象，称为二次击穿，如 图4-1-3(a)中BC段所示。 由于二次击穿点随iB的不同而改变，通 常把这些点连起来，称为二次击穿临界线， 如图4-1-3(b)所示。
3. 交越失真
在乙类互补对称功率放大器中，由于工 作点设置在截止区边缘，在无信号输入时， IBQ及ICQ均等于零。 这样在当有信号输入时，由于进入了输 入特性曲线的弯曲部分(起始区)，会使VT1和 VT2的基极电流ib1和ib2的底部产生失真，如图 4-2-3所示。 通常把输出电流ic在交接处产生的失真 称为交越失真。 这是乙类功率放大器所特有的。
图4-2-7单电源OTL原理电路
பைடு நூலகம்
2. 单电源OTL实用电路
线性组件LM384的电路如图4-2-8所示， 它由偏置电路、输入级、中间级和输出级4部 分组成。 简化框图如图4-2-9所示图4-2-8线性组 件LM384电路原理图。
(1) 偏置电路。 (2) 差动输入级。 (3) 中间放大级。 (4) 准互补对称输出级。
第4章功率放大器
4.1概述 4.2低频功率放大器
章主要介绍在电子和通信系统中常用的 各种功率放大器的工作原理、电路组成及主 要性能指标。 讨论各种集成功放的应用，重点分析低 频乙类功率放大器。
学 习 要 点 1.熟悉功率放大器的主要特点，掌握功 率放大器的分类。 2.掌握各种功率放大器的基本原理和电 路组成。 3.了解各种集成功放的应用。 4.掌握低频乙类和高频丙类功率放大器 主要性能指标的计算。 5.本科生尚需熟悉带*号的内容。
1. 功率放大器按工作频段可分为低频功 放和高频功放；按工作频带的宽窄可分为谐 振功放和非谐振功放；按功率管的工作状态 可分为甲类、乙类、甲乙类和丙类。 2. 介绍了乙类互补对称功率放大电路 (OCL电路)的工作原理、性能分析及交越失真。