第五章 功率放大电路

V C（ C V
CC U CE (sat)） RL
2.2W
m

π 4
V CC
U CE(sat) V CC

65％
5.2.2 OTL电路
1 、 OCL 电 路 线 路 简 单 、 效率高，但要采用双电源供电， 给使用和维修带来不便。
2、采用单电源供电的互 补对称电路，称为无输出变压 器（Output transformerless）的 功放电路，简称OTL电路，如 图5.2.5所示。其特点是在输出 端负载支路中串接了一个大容 量电容C2。
第五章 功率放大电路
5.1 功率放大电路概述 5.2 乙类互补对称功率放大电路 5.3 集成功率放大器 *5.4 功率管的安全使用
教学目标
1、了解功放电路特点、分类、对功放电路要求。熟悉低频
功放电路主要技术指标。
2、熟悉OCL、OTL电路组成、工作原理、性能参数估算方
法。
3、掌握交越失真产生原因、消除交越失真方法。 4、掌握复合管组成原则。
教学目标
5、熟悉常用集成功率放大器（LA4102、LM386、TDA2030
等）引脚功能，了解其主要技术指标。熟悉集成功放应用电 路组成、外接元器件作用，会估算闭环增益。
6、选学BTL电路原理及其由集成功放构成的应用电路。
7、选学功放管二次击穿和热致击穿现象及其保护措施，功
放管等功率器件散热计算及散热片的选择。
2、功放管的最大耐压U（BR）CEO 当一只管子饱和导通时，另一只管子承受的最大反向电
压为2VCC。故
U (BR)CEO 2VCC
3、功放管的最大集电极电流
I
CM

VCC RL
4、选择示例
[例5.2.1] OCL电路的VCC ＝∣－Vcc∣＝20V，负载RL＝8Ω， 功放管如何选择？
解：（1）最大输出功率
图5.2.8 采用复合管组成的OTL电路
2．放大原理
当V1集电极输出正半周信号电压时，V2、V4导通，V3、 V5截止，被放大的正半周信号电流经C送到负载RL上，形成正 半周输出电压，同时，C上被充上VCC/2的电压。
当V1集电极输出负半周信号电压时，V2、V4截止，V3、 V5导通，此时，电源VCC不供电，由C放电提供V3、V5工作所 需直流功率，在负载上形成负半周输出电压。它与正半周输 出电压合成一个完整的正弦波形。
2 π
VCC
时出现最大管耗，且为Pcm1≈0.2Pom。
4．效率
Po π U cem
PV 4 VCC
当电路输出最大功率时，Ucem≈VCC，
m

π 4

78.5％
四、功放管的选择
功放管的极限参数有PCM、ICM、U（BR）CEO，应满足下列条件 1、功放管集电极的最大允许功耗
PCM Pcm1 0.2Pom
3．工作原理
该电路工作原理与OCL电路相似。(1)当ui＜0，V1正偏导通， V2反偏截止。经V1放大后的电流经C2送给负载RL，且对C2充电， RL上获得正半周电压。(2) 当ui＞0，V1反偏截止，V2正偏导通， C2放电，经V2放大的电流由该管集电极经RL和C2流回发射极， 负载RL上获得负半周电压。(3)输出电压uo的最大幅值约为VCC/2。
Pom
1 VC2C 2 RL

1 2
202 W 25W 8
PCM 0.2Pom 0.2 25W 5W
（2）
U (BR)CEO 2VCC＝2 20V＝40V
（3）
I CM

VCC RL
Байду номын сангаас

20 A 2.5A 8
五、交越失真与OCL实用电路 1．交越失真 乙类放大电路静态IC为零，效率高。但只有当信号电压大 于导通电压时，管子才能导通。因此，当信号电压小于导通电 压时，就没有电压输出。因此，信号在过零点附近，其波形会 出现失真，称为交越失真，如图5.2.3所示。
2．效率η
η就是负载上得到的有用信号功率Po与电源供给的直流
功率PV之比，即
Po
PV
3．非线性失真系数THD THD用来衡量非线性失真的程度，即：
THD 1
I
2 m2

I
2 m3



1
U
2 m
2

U
2 m
3


I m1
U m1
式中，Im1、Im2、Im3…和Um1、Um2、Um3…分别表示输出电 流和输出电压中的基波分量和各次谐波分量的振幅。
V1、V2两管分别在正、负半周轮流工作，使负载RL获 得一个完整的正弦波信号电压，如图5.2.1（c）所示。
*二、图解分析
该电路负载线方程式为uCE=VCC－iCRL，设管子的ICEO＝0， 则静态电流IC1＝IC2＝0。则UCEQ=VCC。属于乙类功放电路。由此 可作出如图5.2.2所示斜率为－1/RL的负载线。
5.2 乙类互补对称功率放大电路
功率放大器早期采用变压器耦合输出，可实现阻抗匹配， 但体积大、传输损耗大，在实际中已使用不多。
目前大量应用的是无变压器的乙类互补对称功率放大 电路。按电源供给的不同，分为双电源互补对称功放电路 和单电源互补对称功放电路。
5.2.1 OCL电路
一、基本电路及其工作原理 双电源互补对称电路又称无输出电容的功放电路，简称 OCL电路，其原理电路如图5.2.1 （a）所示。图中V1、V2为导 电类型互补（NPN、 PNP）且性能参数完全相同的功放管。两 管均接成射极输出电路以增强带负载能力。
5.1 功率放大电路概述
能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电 路（Power amplifier），简称功放。
5.1.1 功率放大电路特点和要求
一、功率放大电路的特点
从能量控制的观点来看，功率放大电路与电压放大电路都 属于能量转换电路，均将电源的直流功率转换成被放大信号的 交流功率。两种电路的比较如下表所示：
复合管是指用两只或多只三极管按一定规律进行组合，等 效成一只三极管，复合管又称达林顿管。复合管的组合方式如 图5.2.6所示。
图5.2.6 复合管的组合方式 （a）NPN管 （b）PNP管 （c）PNP管 （d）NPN管
复合管具有如下特点：
（1）复合管的导电类型取决于前一只管子：即iB向管内流者 等效为NPN管,如图5.2.6中的a、d所示。iB向管外流者等效为PNP 管，如图5.2.6 b、c所示。
2 RL

1 2
V CC
U CE(sat) 2 1 VC2C
RL
2 RL
2．直流电源供给功率PV 根据富氏级数分解，周期性半波电流的平均值Iav＝
Icm /π ，因此正负电源供给的直流功率
PV

I avV CC

I avV EE

2 I avV CC

2 π
VCC
I
cm

2VCCU cem π RL
图 5.2.3 交越失真波形
2．交越失真消除
为了消除交越失真，应为 两功放管提供一定的偏置，一 般采用如图5.2.4所示电路。其 中，V3组成电压放大级，Rc为 其集电极负载电阻， VD1、 VD2正偏导通，和RP一起为V1、 V2 提 供 偏 压 ， 使 V1 、 V2 在 静 态时处于微导通状态，即处于 甲乙类工作状态。此外，VD1、 VD2还有温度补偿作用，使V1 、 V2管的静态电流基本不随温度 的变化而变化。
二、电路性能参数计算
OTL电路与OCL电路相比，每个管子实际工作电源电压不 是VCC，而是VCC/2，故计算OTL电路的主要性能指标时，将OCL 电路计算公式中的参数VCC全部改为VCC/2即可。
5.2.3 采用复合管的互补对称功率放大电路
一、复合管
输出功率较大的电路，应采用较大功率的功率管。但大功 率管的电流放大系数β往往较小，且选用特性一致的互补管也比 较困难。故在实际应用中，用复合管（Darlington connection） 来解决这两个问题。
图5.2.2 乙类互补对称功率放大电路的图解分析
三、电路性能参数计算 1．最大输出功率Pom 由图可见，Iom＝Icm，Uom＝Ucem，得
Po

1 2
I cmU cem

1 2
U2 cem RL
当输入信号足够大时，Ucem=VCC—UCE(sat)≈VCC，则
（ ） Pom

1
U
2 cem
二、对功率放大电路的要求 1、应有足够大的输出功率。 2、效率要尽可能的高。 3、非线性失真要小。 4、功率管要采取散热等保护措施。
5.1.2 功率放大电路的分类
1、按静态工作点分类：
图５.1.1 各类功率放大电路的静态工作点及其波形 （a）工作点位置 （b）甲类波形 （c）甲乙类波形（d）乙类波形
[例.5.2.2] 甲乙类互补对称功放电路如图5.2.4所示，VCC＝12V， RL＝35Ω，两个管子的UCE(sat)＝2V，试求 （1）最大不失真输出功率； （2）电源供给的功率； （3）最大输出功率时的效率。
解：
（ ）2
Pom

1 2
V CC
U CE(sat) RL
1.43W
PV

2 π
为便于分析，将V2管的特性曲线倒置于V1管特性曲线的右 下方，且使Q点位置对齐。图中显示了两管信号电流iC1和iC2波形 及合成后的uce波形。
从图中可以看出，任意一个半周期内，每个管子c、e两端信 号电压为|uCE|＝|VCC|－|uo|，而输出电压uo＝－uce＝ioRL＝icRL。
在一般情况下，Uom＝Ucem，Iom＝Icm，其大小随输入信号幅 度而变，最大输出电压幅度为Uom(max)＝VCC－UCE(sat)≈VCC。