低频功率放大电路

第九章 低频功率放大电路
一个实用的放大器一般通常包括三个部分：
输入级：与信号源相连，要求输入电阻大，噪声低，共摸抑制能力强，阻抗匹配等。

中间级：主要完成电压放大任务，以输出足够大的电压。

输出级：主要要求向负载提供足够大和功率，以便推动负载，所以功率放大电路的主要任务是放大信号的功率。

§1 低频功率放大电路概述 一、分类
按放大信号的频率分
低频功率放大电路：用于放大音频范围(几十赫兹～几十千赫兹) 高频功率放大电路：用于放大射频范围(几百千赫兹～几十兆赫兹) 按功率放大电路中晶体管导通时间的不同 甲类功率放大电路：它的主要特征是在输入信号的整个周期内，晶体管均导通，有电流流过。

乙类功率放大电路：它的主要特征是在输入信号的整个周期内，晶体管仅在半个周期内导通，有电流流过。

甲乙类功率放大电路：它的主要特征是在输入信号的整个周期内，管子导通时间大于半周而小于全周。

丙类功率放大电路：它的特征是管子导通时间小于半个周期。

在甲类功率放大电路中，由于在信号全周期内管子均导通，故非线性失真较小，但输出功率和效率均低，因而在低频功率放大器中主要用乙类或甲乙类功率放大电路。

二、功率放大器的特点
1．输出功率要足够大
如输入信号是某一频率的正弦波，则输出功率表达为
o o o U I P =
式中o I 、o U 均为有效值。

如用幅值表示，2/m o I I =、2/m o U U =代入上式有
m
m o U I P 21
=
式中I m 、U m 均为负载R L 上的正弦信号的电流、电压的幅值。

2．效率要高
%
100⨯=E
o P P
η 3．非线性失真要小 三、提高输出功率的方法
1．提高电源电压
输出功率取决于三极管输出电流和输出电压。

提高电源电压可增大输出电压和输出电流。

但要注意。

max ce CEO U BU > max c cm I I > max c cm P P >
2．改善器件的散热条件
四、提高效率的方法
CQ
CC o I U P 41
= CQ
CC E I U P =
E o
P P =η=25%
1．改变功放管的工作状态
将静态工作点Q 下移，这时三极管只在半个信号周期内导通，另半个周期
处于截止状态，即导通角
180=θ，工作在乙类放大状态。

2．选择最佳负载
§2 互补对称功率放大电路
一、双电源互补对称电路(OCL 电路) Output Capacitor Less —OCL 1．电路的组成和工作原理
电路如图所示，V 1为NPN 型三极管，V 2为PNP 型三极管。

为保证工作状态良好，要求该电路具有良好的对称性，即V 1、V 2管特性对称，并且正负电源对称。

当信号为0时，偏流为0，它们均工作在乙类放大状态。

由于该电路中两个管子导电特性互为补充，电路对称，因此该电路称为互补对称功率放大电路。

2．指标计算 ⑴输出功率P o
L cem
cm cem cm cem o R U I U I U P 2
212
122=
== 当考虑饱和压降U ces 时，输出的最大电压幅值为：
ces CC cem U U U -=
一般情况下，U cem 总是小于电源电压U CC 值，故引入电源利用系数
CC cem
U U =ξ L CC
L cem o R U R U P 2222121ξ=
=
当忽略饱和压降U ces 时，即ξ=1，输出功率可接下式估算：
L CC
om R U P 221=
⑵电源供给功率P E
在乙类互补对称放大电路中，每个晶体三极管的集电极电流的波形均为半个
周期的正弦波形，它的平均值为。

⎰⎰⎰===π
πωωπωπ0201011)
(sin 21)(211t td I t d i dt i T I cm c T c av cm cm I t I πωππ1][cos 210=
-=
L CC
CC L cem CC cm CC av E R U U R U U I U I P 2
1111πξππ=
===
L CC
E E R U P P 2
122πξ=
=
⑶效率η
ξππξξη42212
2
2===L
CC L
CC
E o R U R U P P
当ξ=1时，效率η最高，即
%
5.784max ≈=π
η
⑶集电极功率损耗P c
)
21
2(22ξξπ-=-=L CC o E c R U P P P
为求最大集电极功率损耗
)2
(2
ξπξ-=L CC c R U d dP
636
.02
≈=πξ
L CC
L CC L CC c R U R U R U P 22
22222max 2)244()212(πππξξπ=-=-=
om
om c P P P 4.04
2max ≈=π
每只管子的功耗为
om om c P P P 2.02
2max
1≈=π
由上可得出在互补对称功率放大电路中选择功率管的原则：
om cm P P 2.0≥ CC ceo U BU 2≥ om cm I I ≥
⑷存在问题 ①交越失真
在前面的讨论中我们认为三极管的门限电压为0，且认为是线性关系。

实际中晶体管的输入特性门限电压不为0，且电压、电流关系也不是线性关系，在输入电压较低时，输入的基极电流很小，故输出电流也十分小。

因此输出电压在输入电压较低时，存在一小段死区，此段输出电压与输入电压不存在线性关系，产生了失真。

由于这种失真出现在过0处，故称为交越失真。

克服交越失真的措施就是避开死区电压区，使每一个晶体管处于微导通状态。

当输入信号一旦加入，晶体管立即进入线性放大区。

而当静态时，虽然每一个晶体管处于微导通状态，由于电路对称，两管静态电流相等，流过负载的电流为0，从而消除了交越失真。

图a
1
213R I U U Q C BE BE =+
图b
2
121D D BE BE U U U U +=+
图c
U BE 倍压电路
)
(212
12
212'3BE BE BB BE U U R R R U R R R U ++=+=
3
3)1(2
122121BE BE BE BE U R R
U R R R U U +=+=+
②复合管
一般大功率管的电流放大系数β比较小，而输出电流又要求比较大，就要求有大的推动电流。

前级提供是比较难的。

提高功放管的β值，一般采用复合管来解决此问题。

12V 输出电压，8Ω负载，输出电流为1.5A ，其幅值约为2.12A 。

若β为20，则要求推动电流为100mA 以上。

复合管就是将两个三极管串接起来当一个三极管用。

具体的接法为将第一管集电极或发射极接至第二管的基极。

并保证两管的(基极)电流能流通。

它的等效电流放大倍数近似为
2
11
2βββ≈=b C I I
①NPN +NPN →发射极1→基极2→NPN →21βββ≈ ②PNP +PNP →发射极1→基极2→PNP →21βββ≈
③NPN +PNP →集电极1→基极2→NPN →21βββ≈ ④PNP +NPN →集电极1→基极2→PNP →21βββ≈
可见：
①复合管的管型与第一管相同
②复合管的电流放大系数约为两管电流放大系数之乘积。

注意：第二个管的功率要比第一个管的功率大 对于用复管的另一个好处是，由于大功率的PNP 型和NPN 型很难做到对称，通过复合管，我们可以把第二个管子选为同类型的，通过复合管的接法实现互补。

准互补电路：第二管为同类型，第一个为互补。

二、单电源互补对称功率放大电路(OTL 电路) 双电源互补对称电路需要两个正负独立电源，有时使用起来不方便。

可采用单电源互补对称电路，如图所示。

V 1、V 3和V 2、V 4组成准互补对称功率放大电路，两管的射极能过一个大电容C 2接到负载R L 上。

二极管V D1、V D2用来消除交越失真，向复合管提供一个偏置电压。

当静态时，调整电路使U A 电位为U CC /2，同C 2两端直流电压为U CC /2。

当加入交流信号正半周时，V 1、V 3
导通，电流通过电源U CC、V1和V3管的集电极和发射极、电容C2、负载R L，故得正半周信号。

在负半周，V2、V4导通，电容C2上的电压代替电源向V4提供电流，由于C2容量很大，C2的放电时间常数远大于输入信号周期，故C2上电压可视为恒定不变。

当V2、V4导通时，电流通路为C2、V2和V4、地、负载电阻R L，故得负半周信号。

1．在负半周电容代替电源。

2．计算同双电源，U CC用1/2U CC
三、实际功率放大电路举例。