第二节-互补对称式功率放大电路

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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总目录
补充知识： 功率放大电路的工作方式 根据晶体管静态工作点的位置不同，放大电路可分为三种工作方式。
• ⑴甲类工作方式： • Q点设置在负载线的中点，在输入信号的正负半周，晶 体管都在工作，管子的导通角为360°，输出波形失真小， 但静态管子功耗大，效率低。 • ⑵乙类工作方式： • Q点在负载线的最低点，由于静态时电流为零，无功耗， 效率最高。但此时放大电路只在输入信号的正半周工作， 负半周时晶体管截止，管子的导通角为180°，输出波形 出现严重的失真。 • ⑶甲乙类工作方式： • Q 点略高于乙类时，静态电流很小，静态消耗约为零， 效率也很高。晶体的导通时间大于半个周期，管子的导 通角大于180°，此时输出波形仍失真严重。
uCE1 uEC2 2VCC
ui
UC A + C RL T2
UL
则 T1、T2 特性对称， U SC U SC UA , UC 2 2
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三、动态分析
设输入端在 0.5USC 直流电平基础上加入正弦信号。
U SC ui 时，T1导通、T2截止； 2
U SC 时， ui 2
ui
0.5USC
+USC T1 t ic1
状态。从而克服死区电压 的影响，去掉交越失真。
D2
R2
iL
T2 RL
UL
-USC
两管导通时间均比半个周期大一些的工作方式称为 “甲乙类放大” 。 28
3. OCL甲乙类互补对称电路
R1
uI b1 R VD1 VD2 b2 R2 VT2 PNP
仿真
iC1
VT1
NPN
+VCC
静态时
UCE1 = +VCC , UCE2 = – VCC
C 足够大，才能认为其对交流信号相当于短路。 OTL电路低频特性差。
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3. OCL电路
静态时，UEQ＝ UBQ＝0。 输入电压的正半周： ＋VCC→T1→RL→地
＋

输入电压的负半周： 地→RL →T2 → －VCC
U om VCC U CES 2
两只管子交替导通，两路电源交替供电，双向跟随。
2. OTL甲乙类互补对称电路
R1 uI
iC1
VT1
+VCC
+ b1 R
VD1 VD2 b2 R2
iB1
NPN
C1 + uO
R 、VD1和VD2为两 管提供了静态基极 电流IB1和IB2 iC1 和 iC2不为零， 静态时为零
iB2
VCC VT2 2 PNP
iL
RL
iC2
避免了uI较小时两管同时截止
ui
U SC 2
t
ULmax t
uL
PL max π 78.5% PE 4 16
一、 电路组成和工作原理
1. OTL乙类互补对称电路 R1 和 R2确定放大电路的 静态电位。 调整R1 和 R2的值，使静态时 两管的发射极电位为 VCC
2
+VCC
R1
VT1
uI C1+
VT2 R2
NPN C + 2PNP
+USC T1
一、工作原理（设ui为正弦波）
电路的结构特点：
1. 由NPN型、PNP型三极 管构成两个对称的射极 输出器对接而成。
2. 双电源供电。
ui
iL RL T2 -USC
uo
3. 输入输出端不加隔直电 容。
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静态分析：
ui = 0V T1、T2均不工作 uo = 0V
因此，不需要隔直电容。 动态分析： ui > 0V T1导通，T2截止 ui iL= ic1 ; T1截止，T2导通 iL=ic2
正半周， T2 截止，T1 基极 电位进一步提高，进入良 好的导通状态；负半周， T1截止，T2 基极电位进一 R1 D1 ui T1
+USC
步提高，进入良好的导通
状态。从而克服死区电压 的影响，去掉交越失真。
D2
R2
iL
T2 RL
UL
-USC
两管导通时间均比半个周期大一些的工作方式称为 “甲乙类放大” 。 20
交越失真
RL UL
T1截止、 T2导通。
ui
A
+ C
ic2
若输出电容足够大， UC基本 保持在0.5USC ，负载上得到的 交流信号正负半周对称，但存 在交越失真。
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T2
四、输出功率及效率
若忽略交越失真的影响，且 ui 幅度足够大。则：
U SC U SC U L max 、I L max 2 2 RL 2 U L max I L max U SC PL max 8RL 2 2 1 π U SC I av sin td(t ) 0 2 RL 2 U SC PE U SC I av 2π RL
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几种电路的比较
变压器耦合乙类推挽：单电源供电，笨重，效率 低，低频特性差。 OTL电路：单电源供电，低频特性差。 OCL电路：双电源供电，效率高，低频特性好。
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互补对称功率放大电路
互补对称：电路中采用两支晶体管，NPN、 PNP各一支；两管特性一致。 类型： 互补对称功放的类型
无输出变压器形式 （ OTL电路）
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OCL乙类放大的特点： (1) 静态电流 ICQ、IBQ等于零； (2) 每管导通时间等于半个周期 ； (3) 存在交越失真。 +USC
T1
ui T2
iL RL -USC
uo
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克服交越失真的措施：
电路中增加 R1、D1、 D2、R2支路。 静态时
+USC
R1 D1 ui T1
T1、T2两管发射结电位
uO
RL
电容C2两端的电压也等于 2
VCC
OTL乙类互补对称电路
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
uI
o
动画
uO
iL
RL
ic1 ic2
o
t
t t t
iC2
iL
uI > 0时VT1导通VT2截止。 uI < 0时VT2导通VT1截止。 iL = iC1 – iC2
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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
在OCL互补对称电路中，流过三极管的最大集电极 电流为：
I cm VCC U CES VCC RL RL
因此选择功率三极管时，其集电极最大允许电流应为：
I CM VCC RL
首页
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▼ 集电极最大允许反向电压U(BR)CEO 在OCL互补对称电路中，两个三极管的集电极电压 之和等于2VCC，即
无输出电容形式 （ OCL电路）
OTL: Output TransformerLess OCL: Output CapacitorLess
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无输出变压器的互补对称功放电路（OTL电路）
一、特点
1. 单电源供电； 2. 输出加有大电容。
+USC T1
二、静态分析
U SC 令：ui 2
0.5USC
减小了交越失真。
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uI R1
iC1
VT1 NPN
+VCC
O
iC1
t
uI
+ b1 R
VD1 VD2 b2 R2
C1 + VCC VT2 2 PNP
uO
iL
RL
O iC
2
t
O iL O
t
iC2
t
OTL甲乙类互补对称电路的波形图
仿真
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无输出电容的互补对称功放电路（
OCL电路）
uO
Ucem = VCC – UCES
OCL电路省去了大电容，既改 善了低频响应，又有利于实现 集成化，应用更为广泛。
iL
RL
iC2 -VCC
OCL甲乙类互补对称输出级
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OCL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， 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， 可能造成电路损坏。
+USC T1
ic1
iL RL T2
uo
ui 0V
ic2
-USC
T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方 式，称为乙类放大。
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乙类放大的输入输出波形关系: ui t 死区电压 u´ o ´ t u"o ui T2 iL RL uo T1
+USC
t
uo t 交越失真
-USC
交越失真：输入信号 ui在过零 前后，输出信号出现的失真便 为交越失真。
O UCES
uI > 0时工作点沿QA上移。 uI < 0时工作点沿QB下移。
OCL互补电路的图解法
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B i C2 上页 下页 首页
（1）最大输出功率 Ucem = VCC – UCES
I cm
U cem VCC U CES RL RL
2 2 U ( V – U ) 1 CC 1 cem CES Pom = 2 = RL 2 RL
当满足条件UCES <<VCC时
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Pom ≈
V2CC 2RL
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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 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) =
2VCCIcm ≈ π
2V2CC πRL
当忽略饱和管压降UCES 时，OCL乙类和甲乙类互补 对称电路的效率为 Pom π η= P ≈ = 78.5% 4 V 如果考虑三极管的饱和管压降UCES ，则OCL乙类和 甲乙类互补对称电路的效率将低于此值。
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o
o
交越失真
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克服交越失真的措施：
电路中增加 R1、D1、 D2、R2支路。 静态时
+USC
R1 D1 ui T1
T1、T2两管发射结电位
分别为二极管D1、 D2的 正向导通压降，致使两管 均处于微弱导通状态。
D2
R2
iL
T2 RL
UL
-USC
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动态时
设 ui 加入正弦信号。
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。
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二、 互补对称电路主要参数的估算
1. OCL乙类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 uCE1
Icm1
-uCE2
2
晶体管的三种工作状态： 甲类工作状态 晶体管在输入信号 甲 类 的整个周期都导通 静态IC较大，波形 好, 管耗大效率低。
乙类工作状态 晶体管只在输入信号 乙 类 的半个周期内导通， 静态IC=0，波形严重 失真, 管耗小效率高。 甲乙类工作状态 甲 晶体管导通的时间大于 乙 半个周期，静态IC 0， 类 一般功放常采用。
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2. OTL 电路
因变压器耦合功放笨重、自身损耗大，故选用OTL电路。
＋

输入电压的正半周： ＋VCC→T1→C→RL→地 C 充电。 输入电压的负半周： C 的 “＋”→T2→地→RL→ C “ －” C 放电。
VCC 2
静态时， uI U B U E
U om
(VCC 2) U CES 2
iC
iC
●
Q
ωt
iC
iC
●
uCE
Qห้องสมุดไป่ตู้
ωt
iC
ωt
3
iC
●
uCE
Q
uCE
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甲类方式
• 如射极输出器
USC ib ui Rb
RE
uo
射极输出器的输 出电阻低，带负载能 力强，但做功放不适 合。因为它的效率太 低
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变压器耦合推挽功率放大电路
Rb1 + + – + – Rb2
输入变压器：将输入信号分成两个大 小相等相位相反的信号，分别送两个 放大器的基极，使T1、T2轮流导通。 5
放大器：由两个共射极放大器组成，两个三极管的射极接在一起，
USC
iL
T1
Re RL
ui
–
T2
输出变压器：将两个集 电极输出信号合为一个 信号，耦合到副边输出 给负载。
直流通道
变压器线圈对于 直流相当于短路
ui
Rb1 T1 Re
iL
USC
Rb2
T2
RL
Rb1 T1 Re
T2
Rb2
USC 对于任何一个三极管都是 静态工作点稳定的共射极 放大器 USC Rb1 两个三极管的静 T1 态工作点都设在 刚刚超过死区, Rb2 Re IB很小,IC也很小, Q 降低直流功耗。
分别为二极管D1、 D2的 正向导通压降，致使两管 均处于微弱导通状态。
D2
R2
iL
T2 RL
UL
-USC
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动态时
设 ui 加入正弦信号。
正半周， T2 截止，T1 基极 电位进一步提高，进入良 好的导通状态；负半周， T1截止，T2 基极电位进一 R1 D1 ui T1
+USC
步提高，进入良好的导通
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交流通道
ui
Rb1 T1 Re T2
iL
USC
RL
输入信号正半周，T1导通，T2截止
Rb2
ui>0
ui<0 u i
+– –+
ib1 +– –+ +–
–+ ib2
T1
ic1
Re
+ – – +
+– RL –+
T2
ic2
输入信号负半周，T2导通，T1截止
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另外一种 ：乙类推挽电路


信号的正半周T1导通、T2截止；负半周T2导通、T1截止。 两只管子交替工作，称为“ 推挽 ”。设 β为常量，则负载 上可获得正弦波。输入信号越大，电源提供的功率也越大。