第 7 章 低频功率放大器

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。
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。
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。
7.4 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。
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
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
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，
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
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。
= ·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。
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： 得源自弦信号的最大值分 别为 Icm和 Vcem，则功放管集 电极输出功率为
Po
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 =？
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。
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。
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 。
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
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。
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。
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
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。
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
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