第 7 章 低频功率放大器

I cVc e
Icm 2
Vcem 2
1 2
Icm Vcem
可见，输出信号越强，输出功率 Po 越大。
为不产生饱和失真和截止失真，忽略
VCE
和
S
ICEO 时，则
功放管不失真条件为
Icm ≤ ICQ
Vcem ≤ VG
在输出信号最大且不失真时，有 Icm ICQ ，Vcem VG于 是功放管不失真最大输出功率为
Pom
1 2
ICQ
VG
二、效率 1．电源供给功率为
PG = ICQ VG
可见，电源供给功率与信号无关。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
2．功放管最大效率为
m
Pom PG
1 2
ICQVG
ICQVG
1 2
50%
即
= 90%
可见，最大不失真输出功率仅为电源供给功率的一半，效率
很低。
若考虑 VCES 和 ICEO，则功率管的效率 仅为 40% ~ 45%， 如果再考虑变压器的效率 T(0.75 ~ 0.85)，则甲类功放总效率为
Vcem VG 则最大输出功率
Icm
VG RL
Pom
1 2
VG RL
VG
V
2 G
2RL
即
Pom
V
2 G
2RL
式中在输出变压器的一次线圈匝数为 N1，二次线圈匝数为 N2时，
则 式中 n = N1/N2。
RL
1 2
N1
2
N2
RL
1 4
n2
RL
4．效率
理想最大效率为 m= 78%。若考虑输出变压器的效率 T，
Vcem VG 则最大输出功率为
I cm
Vcem RL
VG RL
Pom
1 2
IcmVcem
1 VG 2 RL
VG
即
Pom
VG2 2 RL
OCL输出级示意图
7.5.2 OCL 实例电路
一、电路组成说明
OCL 功放电路实例
1．用复合管提高功率输出级的电流放大倍数
V4、V6 组成 NPN 型复合管，V5、V7 组成 PNP 型复合管。 二者组成复合互补功率输出级。从而提高了输出级的电流放大 倍数，同时也减小了前级的推动电流。
动画
工作原理：输入信号 vi 经 T1 耦合，二次侧得两个大小相等、 极性相反的信号。
在信号正半周，V1 导通(V2 截止)，集电极电流 iC1 经 T2 耦合，负载上得到电流io正半周；
在信号负半周，V2 导通(V1 截止)，集电极电流 iC2 经T2 耦 合，负载上得到电流 io 负半周。
经 T2 合成，负载上得一个放大后的完整波形io。 由输出电流 io 波形可见， 正、负半周交接处出现了失真，
RP1 作 用 是 调 节 A 点 电 位 保 持 VG/2。RP2 作用是调节 V2、V3 管偏 置电流，克服交越失真。
C4 为自举电容。使 V2、V3 工作 时为共射组态，提高功率增益。
R4 为隔离电阻：对交流而言， 把 B 点电位和“地”点电位分开。
二、信号的放大过程
输入信号 vi 负半周时，V1 输 出正半周信号，V2 导通(V3 截止)， i2 通过 RL；vi 正半周时，V1 输出 负半周信号，V3 导通(V2 截止)， i3 流过 RL。在 vi 一周期内，V2、 V3 轮流导电，RL 上得到完整的信 号。
最佳负载电阻为
RL n2 RL
式中，n N1 是变压器的匝数比，称 为变比。 N2
合理选择 n，可得管子最佳负载电阻 R'L。
[例 7.2.1] 图中，负载 RL = 8 ，晶体管集电极输出功率 Po=140 mW，集电极电流 Ic = 31 mA。求：(1)输出变压器 T2 的初级等效电阻 R'L=？(2)要使负载 RL 获得理想的最大功率， T2 的变比 n =？
一、以晶体管的静态工作点位置分类
1. 甲类功放：Q 点在交流负载线的中点。 电路特点：输出波形无失真，但静态 电流大，效率低。
2. 乙类功放：Q 点在交流负载线和 IB = 0 输出特性曲线交点。 电路特点：输出波形失真大，但静态 电流几乎为零，效率高。
3. 甲乙类功放：Q 点在交流负载线上略 高于乙类工作点处。 电路特点：输出波形失真大，静态 电流较小，效率较高。
7.4 无输出变压器的推挽功率放大器(OTL)
7.4.1 输入变压器倒相式推挽 OTL 功放电路 7.4.2 互补对称式推挽 OTL 功放电路
7.4.1 输入变压器倒相式推挽 OTL 功放电路
一、电路结构 V1、V2 为参数一致的 NPN 型功 率管。R1、R2 和 Re1 为 V1 的偏置电 阻；R3、R4 和 Re2 为 V2 的偏置电阻， 保证管子静态时处于微导通状态，以 克服交越失真。
二、以功率放大器输出端特点分类 1．有输出变压器功放电路。 2．无输出变压器功放电路(OTL 功放电路)。 3．无输出电容功放电路(OCL 功放电路)。 4．桥接无输出变压器功放电路(BTL 功放电路)。
7.2 单管功率放大器
7.2.1 电路组成及工作原理 7.2.2 输出功率及效率
7.2.1 电路组成及工作原理
解 (1)因为
Pc Ic2 RL
所以
RL
Po
/
I
2 c
140 mW
/
31 mA 2
146
(2)因为
RL n2 RL
所以
n RL / RL 146/ 8 4 3
二、电路工作原理 当 vi = 0，电路处于静态，iC = ICQ。因 T2 隔直作用，RL 中无电流，放大器无信号输出。
当 vi ≠ 0，则 vi → vbe→ ib → ic。经 T2 耦合，RL 有电流 iL， 放大器有信号功率输出。
7.1 低频功率放大器概述
7.1.1 低频功率放大器及其要求 7.1.2 低频功率放大器的分类
7.1.1 低频功率放大器及其要求
低频功率放大器：向负载提供足够大低频信号功率的放 大电路。
对功放的要求：信号失真小；有足够的输出功率；效率 高；散热性能好。
7.1.2 低频功率放大器的分类
动画 功放电路的类型与效率
动画
三、最大输出功率
因 C3 的作用，单管电源电压为 VG/2。则输出最大功率时， 输出管的集电极电压和集电极电流峰值分别为
Vcem
1 2
VG
；Icm
Vcem RL
VG 2 RL
忽略饱和压降和穿透电流，则
最大输出功率为
Pom
1 2
Icm
Vcem
1 2
VG 2RL
1 2 VG
即
Pom
VG2 8 RL
2. 功放管检测与普通三极管类似，但功放管工作电流比较大， 因而其 PN 结的面积也较大。PN 结较大，其反相饱和电 流也必然增大。所以，若像测量中小功率三极管极间电阻 那样，使用万用表的 R 1 k 挡测量，必然测得的电阻值 很小，好像极间短路一样，所以通常使用 R 10 k 或 R 1 k 挡检测功放管 。
7.3 推挽功率放大器
7.3.1 乙类推挽功率放大器 7.3.2 甲乙类推挽功率放大器
7.3.1 乙类推挽功率放大器
一、电路及其工作原理
V1、V2 为功率放大管，组成 对管结构。在信号一个周期内， 轮流导电，工作在互补状态。T1 为输入变压器，作用是对输入信 号进行倒相，产生两个大小相等、 极性相反的信号电压，分别激励 V1 和 V2。T2 为输出变压器，作用 是将 V1、V2 输出信号合成完整的 正弦波。
Re1 和 Re2 为电流负反馈电阻，稳 定静态工作点，并减小非线性失真。
输入变压器用作信号倒相耦合， 在次级 N1、N2 上产生大小相等、相 位相反的信号 vb1 和 vb2。
CL 为耦合电容，作用是隔直通交，并兼作 V2 管的电源。
二、工作原理
静态时，A 点电位为 VG / 2。由于 CL 隔直流，则 RL 上无 电流。
7.2.2 输出功率及效率
一、输出功率 图解分析： 1．作直流负载线： 过 VG 点作直流负载线，与 IBQ 之交点，得静态工作点 Q。
2．作交流负载线： 过 Q 点，作交流负载线 AB。
3． 画 vCE、iC 波形： 得正弦信号的最大值分 别为 Icm和 Vcem，则功放管集 电极输出功率为
Po
2．作交流负载线，画交流电压和电流幅值。 过点 Q 作斜率为 -1/RL′的直线 AB，即交流负载线。其中 RL′为单管等效交流负载电阻。在不失真情况下，功率管 V1、V2 最大交流电流 iC1、iC 和交流电压 vCE1、vCE2 波形如图所示。
3．电路最大输出功率
若忽略管子 VCES，交流电压和交流电流幅值分别为
2．理解单管功率放大器的电路组成及工作原理，掌握输 出功率和效率。
3．理解乙类推挽功率放大器的电路中主要元件的作用及 电路的工作原理，掌握输出功率及效率的计算，理解 交变失真的概念、产生的原因及改进方式。
4．掌握 OTL 功放电路组成形式、工作原理。
5．掌握 OCL 功放电路组成形式及要求。
6．了解几种集成功放电路的型号，理解由其构成的功 率放大器的电路形式。
= ·T
通常只有 30% ~ 35%。
结论，甲类功放电路优点是输出波形失真小；缺点是无信 号时，电源供给功率全部转换成热能，因此效率低。
工程应用
1. 功率放大器有一部分电能消耗在功放管上，产生损耗使功 放管发热，热的积累将使晶体管性能恶化，甚至烧坏，为 保证功放管安全可靠地工作，通常功放管集电极有金属散 热外壳，另外通常需要给功放管安装散热片和采取过载保 护措施。
一、电路组成 V 为功率放大管，Rb1、Rb2 和 Re 为分压式电流负反馈偏置 电路，Ce 为射极旁路电容，RL 为负载电阻，T1 和 T2 为输入、 输出变压器，统称为耦合变压器。
耦合变压器的作用，一是隔断直流耦合交流信号，二是阻 抗变换，使功率管获得最佳负载电阻 R'L，以便向负载 RL 提供 最大功率。
2．用差分放大输入级抑制零漂
V1、V2 组 成差分输入级， 控制输出级A 点电位不受温 度等因素的影 响而保证静态 零输出。同时 提高电路对共 模信号的抑制 能力。
OCL 功放电路实例
3．其他元件的作用
V3 为 激 励 级 ， 推动功率输出级，使
7.5.1 OCL 功放电路简析
一、中点静态电位必须为零(VA = 0) 为防止因输出端 A 与负载 RL 直接耦合，造成直流电流对 扬声器性能的影响，则 A 点静态电位必为零。采用的办法是：
1. 双 电 源 供 电 ： 电 压 大 小相等，极性相反的 正负电源。
2. 采用差分放大电路。
二、最大输出功率 输出最大功率时，集电极电压和电流的峰值分别为
则乙类推挽功放的总效率为
= m T
总效率约为 60%，比单管甲类功放的效率高。 电路优点：总效率高。电路缺点：存在交越失真，频率 特性不好。
7.3.2 甲乙类推挽功率放大器
Rb1、Rb2、Re 组成分压式 电流负反馈偏置电路。静态时， V1、V2 处于微导通状态，从而 避免了交越失真。由于静态工 作点处于甲、乙类之间，所以 称为甲乙类推挽功率放大器。
这是由于两管交接导通过程中，
基极信号幅值小于门槛电压时
管子截止造成的。故称为交越
失真。
动画 交越失真
二、输出功率和效率 由于两管特性相同，工作在互补状态，因此图解分析时， 常将两管输出特性曲线相互倒置。
1．作直流负载线，求静态工作点。 静态时，管子截止 IBQ= 0，当 ICEO 很小时，ICQ 0。过点 VG 作 vCE 轴 垂 线 ， 得 直 流 负 载 线 。 它 与 IBQ = 0 特性曲线的交点 Q，即为静 态工作点。
第 7 章 低频功率放大器
本章学习目标 7.1 低频功率放大器概述 7.2 单管功率放大器 7.3 推挽功率放大器 7.4 无输出变压器的推挽功率放大器(OTL) 7.5 无输出电容功率放大器(OCL) 7.6 集成电路功率放大器简介
本章小结
本章学习目标
1. 理解低频功率放大器的作用，了解其性能要求和分类。
vi 正半周，vb1 > 0，V1 导通(V2 截止)，iC1 流过负载RL；vi
负半周，vb2 > 0，V2 导通(V1 截止)，iC2 流过负载 RL。在输入
信号 vi 一个周期内，两管轮流工作，RL 上得到完整的放大信
号。
交流通路：
7.4.2 互补对称式推挽 OTL 功放电路
一、电路结构
V2、V3 为特性对称的异型功放 管；V1 为激励放大管，推动 V2、V3 功放管。
(7.4.1)
[例 7.4.1] 互补对称 OTL 功放电路中，VG = 6 V，RL = 8 ，求该电路的最大输出功率。
解
Pom
VG2 8RL
62 W 88
0.56
W
7.5 无输出电容功率放大器(OCL)
7.5.1 OCL 功放电路简析 7.5.2 OCL 实例电路
“OCL”功放电路：无输出耦合电容的功率放大器。