第4章功率放大器

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4-1-4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. 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。
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。
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。
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。
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
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4-1-1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。
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。
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4-2-5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。
图4-2-8线性组件LM384电路原理图
图4-2-9LM384组成框图
LM384的外部接线如图4-2-10所示。
图4-2-10LM384集成功率放大器的外部接线
*4.2.4单电源桥式互补对称功率放大电路
1. 基本原理
图4-2-11BTL功率放大电路原理图
2. 单电源BTL实用电路
采用两片相同的线性组件构成的BTL电路， 如图4-2-12所示。
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图4-2-7单电源OTL原理电路
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。
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。
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。
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。
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。
3. 分析了为减小交越失真，出现的甲 乙类互补对称功率放大电路的工作原理和准 互补功率放大电路的实用电路。
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。
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。
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。
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。