功放原理讲解

提高功率放大电路效率的主要途径
为提高效率、降低损耗，应从两方面考虑： 一是增加放大电路的动态工作范围来增加输 U 出功率；二是减少电源供给的功率，即在 晶体管压 晶体管电 降 流 一定时使静态电流 I 减小，也就是将静态工 作点沿交流负载线下移。
CC
C
由
Pc
1 2π
π
u
π
CE
ic d ( t )
功率放大器是在大信号状态下工作，电压、
电流摆动幅度很大，极易超出管子特性曲线的
线性范围而进入非线性区， 造成输出波形的非
线性失真，因此，功率放大器比小信号的电压
放大器的非线性失真问题严重。
1. 功率放大电路的一般性问题
功率放大电路一般在多级放大电路的输出 级，主要作用是在不失真或轻微失真的前提下， 尽可能地对功率进行放大，以推动负载如扬声 器发声等。 1、对功率放大电路的基本要求 功率放大电路是一种以输出较大功率为 目的的放大电路。为了获得大的输出功率， 一般使 ： （1）输出信号电压大（电压式）； （2）输出信号电流大（电流式）； （3）放大电路的输出电阻与负载匹配。
t
t t t t
ui
V1
EC
+
V2
RL ui
+ uO -
RL -uO
-EE
忽略BJT的导通压降， 两个三极管在信号的正、负半 周轮流导通，使负载得到一个 完整的波形。
3. 电压传输特性和失真 （1）死区： 因BJT存在死区，在|ui|<0.5V时， 两管均截止， iO=0， uO=0 ,出 现“交越失真 ”。 （2）跟随区： |ui|在0.7V ~EC范围内时，两管轮 流导通。
/ 4 78.5%
（3）单管的最大平均管耗PT1max：
P T1

2
1

0
1

V1
0
uCE 1 iC 1d (t )
U Om RL sin td (t )
iC1 EC uCE1
2
1 RL

( EC U Om sin t )
ui
V2 R + L uO EE

dPT 1 dU Om

2

2 电路的功率、管耗、效率等都可用 U Om 乙类功放分析所得公式来计算，但 如：P O 负载RL要用折合后的负载R'L代入。 2 R L
上图是一个典型的推挽功率放大电路。两只晶体管
T1和T2型号相同， 参数一致。输入变压器副边设有中心
抽头， 以保证输入信号对称地输入，使T1 和T2 两管的
0
QA
uCE
ICQ
0 π 2π 3π
特点 a. 静态功耗较小
c. 输出失真比甲类大 b. 能量转换效率较高
A类功放电路静态工作点和输出波形的关系
B类功放电路静态工作点和输出波形的关系
AB类功放电路静态工作点和输出波形的关系
OCL、OTL互补推挽功率放大器
一、OCL互补推挽乙类功率放大器 二、OTL互补推挽乙类功率放大器 三、OTL、OCL互补对称功放的比较 四、其他乙类推挽功率放大器
( EC U CES ) P Om 2R
P Om 78.5% P
L
最大输 (E / 2 UCES ) C P 出功率 Om 2R 最大效 率 最大管耗
P Om 78.5% P
LFra Baidu bibliotek
2
PTmax0.2 POm
E
PTmax0.2 POm
E
四、其他乙类推挽功率放大器
1. 变压器耦合推挽功放 EC Rb Rb为T1、T2提供静态偏压，使电路 iC1 N1 T1 + 工作在甲乙类状态，减小交越失真。 + u ui1 1 RL uO 特点： ui Re u u 2 • 方便实现阻抗匹配。 i2 N2 N1 • 体积大，消耗有色金属。 iC2 Rb T2 • 在低、高频段产生相移，电路 易产生自激振荡。 变压器耦合推挽功率放大器 电路分析： 2 N1 负载折合到初级绕组上（下） RL R L 半部分的等效电阻为： N
乙类
+
EC ui
+
-
R
VD1 VD2
EC
V1
甲乙类
+ -
ui
V2
RL uO
-
EE
R
U Om 2 RL
2
V2
RL uO
-EE
PO
(U Om )max EC U CES
2
PO max
( EC U CES ) 2 RL

4
EC 2 RL
2
PT 1max 0.2 PO max

一、OCL互补推挽乙类功率放大器 1. 电路组成 2. 工作原理：单管组成射级输出器。 静态时，V1、V2截止，
V1
IE1=IE20，IRL=0， UE=0， UCE1=EC，UCE2=-EC; 输出电压uO=0。 ui ui
iC1 iO 0V iC2
EC
EE
V2
RL uO
-
+
iC1 iC2 iO uO
U Om 4 EC
max
78.5%
以上这些计算公式同样适用于OCL甲乙类互补对称功放。
二、 OTL互补推挽功放 甲 EC RC 静态时，K点电位为EC/2， V2 乙 电容被 充电到EC/2。 R 类 VD1 K + C 若电容足够大，则在有信号输入时， R V1 1 /2C VD2 ECE + 可认为其上的电压保持不变，即相当 V3 于一个电压为EC/2的恒压源。 V1 + RL u + O ui负半周，V2导通，而V3截止，V2 ui R R u R 2 O C L 集电极回路的直流电源电压为EC/2。 V EE ui 2 ui正半周，V3导通，而V2截止， V3导电时依靠电容上的电压供电，V3 集电极回路的直流电源电压为-EC/2。 EC R iC2 V V2 电路的性能指标： 1 E /2 C VD1 u O OTL电路的功率、管耗、效率都可用 + + OCL电路的公式来计算，但要注意电 + RL R u ui VD2 L O 源电压应以“EC/2”代入。 - V3 iC3V2 EC/2 2 uO1 R （EC / 2 U CES） -EE
如：PO max 2 RL
G R3
C
U CC
R
D1
T1 Re1
T4 Re 4
D2 RW1
R4
R1
T3
Re 2
T2
A T5
CL
C1
ui
RL
uo
R2
Re 3
Rc 2
Ce 3
Re 5
图5-8 采用复合管的OTL功放电路
三、OTL、OCL互补对称功放的比较
电源 电容
OTL 单电源 有输出电容
2
OCL 双电源 无输出电容

( EC U CES ) 2 RL

EC 2 RL
ui
2
V1
V2
uce2
iC2
u RL - O
+
（2） 效率： 定义：
2
iC1
交流输出功率 直流功率
PO PE
iC2
t
PO U Om / 2 RL ; PE I EC
iO
t
t
I I1 I 2 2 I1
I1 1 2
R
VD1
V1
ui
+
-
iC1 V1 iO
EC EC
+ +
ui V2 R
VD2
uO RLRL uO V2 - - E E iC2 -EE
二极管偏置电路 uO
（3）饱和区： Re3 EC |ui|>EC时，两管轮流进入饱和区， V3 EC 输出电压会产生削波失真。 + -E -0.5 C 0.5 ui V1 R1 4. 克服交越失真的方法 ui V4 跟 + 在两管的基极间增加偏置电路， R2 随 RL饱 uO 饱 跟 为两管在静态时提供一个微小的 V2 和 区 和 随RC3 静态偏流，使其工作在甲乙类工 死 区 EE 区 区 作状态，从而减小交越失真。 区 UBE扩大偏置电路
可知 功率放大器提高输出功率的途径： 减小放大管的集电极损耗！
工作状态分类
根据晶体管的静态工作点的位置不同可分以下几类。
(1) A类放大电路
iC 特点 a. 静态功耗大
PC U
CEQ
静态工作 点位置
iC1
集电极电 流波形
I CQ
QA
ICQ 0
2=2 2 ωt
b. 能量转换 效率低 C、高保真
(
1
EC U Om
( EC

U Om 4
);
2
)
dPT 1 dU Om
2
RL


U Om 2
令
0 得U Om
2 EC

时，
PT 1max
1 RL
(
EC 2 EC

1 4 EC 4
2
)
EC
2
2
RL 作为BJT(晶体管)的选管依据。
0.2 PO max
（4） BJT的选择：
0
uCE
(2) B类放大电路
iC
静态工作 点位置
iC2
集电极电 流波形
2 = π
特点 0 a. 静态功耗
PC U
CEQ
QA
uCE
I CQ 0
0
π
2π
3 π ωt
b. 能量转换效率高 c. 输出失真大
(3) AB类放大电路
iC
静态工作 点位置 集电极电 流波形 π <2 < 2π
iC3
数字音频系统培训
功率放大器的发展
• 几十年来在音频领域中，A类（甲类）、B类 （乙类）、AB类（甲乙类）音频功率放大器
一直占据“统治”地位
其发展经历了这样几个过程：所用器件从电子
管、晶体管到集成电路过程；电路组成从单管
到推挽过程；电路形成从变压器输出到OTL、 OCL、BTL形式过程。
功率放大器简介
（1） 输出功率PO：
PO
1 2
U Om I Om
U Om 2 RL
2
iC1
uO uce
最大不失真输出电压：
0 U CES
EC Q
ICm
UCES uCE
0
(U Om )max EC U CES
最大不失真输出功率：
PO max (U Om )max 2 RL
2
Ucem
2
iC2 iC1 uce1
若将静态工作点 Q 设在截止点，则ic 仅
在半个信号周期内通过， 其输出波形被
削掉一半，如图1(b) 所示，称为B类（乙
类）放大状态。 若将静态工作点设在线
性区的下部靠近截止点处，则其ic的流通
时间为多半个信号周期，输出波形被削 掉 少 一 半 ， 如 图 1(c) 所 示 ， 称 为 AB 类 （甲乙类）放大状态。
图1 功率放大器的分类
（a）A（甲）类；（b）B（乙）类；（c）AB（甲乙）类
功率放大器的特点
1. 输出功率足够大
为获得足够大的输出功率， 功放管的电
压和电流变化范围应很大。 2. 效率要高
功率放大器的效率是指负载上得到的信号
功率与电源供给的直流功率之比。
功率放大器的特点
• 3. 非线性失真要小
• 功率放大器的主要任务是向负载提供足够大的 不失真功率,同时要有较高的效率。为了输出较 大功率,功放管的工作电流、 电压的变化范围 往往很大。为了提高效率，可将放大电路做成 推挽式电路，并将功放管的工作状态设置为 AB类（甲乙类）， 以减小交越失真。
功率放大器的分类
功率放大器通常是根据功放管工作点选择的 不同来进行分类的，分为 A 类（甲类）功率放 大器、 B类（乙类）功率放大器和AB类（甲乙 类）功率放大器等形式。当静态工作点 Q 设在 负载线线性段的中点、在整个信号周期内都有 电流ic通过时，称为A类（甲类）放大状态，其 波形如图 1(a)所示。
2. 功率放大器的特殊问题
1）要求输出功率尽可能大：因此放大器件 工作在极限运用状态。 2）要求效率高：需要考虑减小功耗，提高 电源转换效率。 晶体管压 晶体管电 降 流 3）非线性失真要小。减小非线性失真与增 大输出功率是功率放大器的一对矛盾。 4）解决功放器件的散热问题。 π 1 晶体管功耗： Pc u CE i c d ( t ) 2π π
PCM、 BUCEO、ICM ——主要看极限参数：
a：集电极最大允许功率损耗：
PCM PT 1max 0.2 PO max
b：反向击穿电压：
V1
iC1 EC uCE1
BU CEO 2 EC
c：集电极最大允许电流：
ui
V2 R + L uO EE
I CM I C max
EC RL
V1


0
iI sin t d (t ) COm 1
I Om
ui
V1
iC1
EC
PE 2

I Om

2
EC 2

U Om EC RL
U Om 4 EC
V2 R + L uO EE
iC2
U Om / 2 RL 2U Om EC / RL
max 当U Om U Om (max) EC时，
的输入回路中。
变压器耦合推挽功率放大器
在 ui 的 正 半 周 ， 设 A 点 电 位 高 于 B 点 电 位 ， 即 uAO>0 、 uBO<0，于是V1工作、V2截止；在ui的负半周 ，B点电位高于A
基极信号大小相等、相位相反。输出变压器的原边亦设 有中心抽头，以分别将T1和T2的集电极电流耦合到输出
变压器的副边，向负载输出功率。 图中，两个功放管T1、
T2 工作在AB类放大状态，静态工作点靠近截止区， 因
而静态电流 IC1、IC2很小，可近似为零。当有正弦信号
ui输入时，通过输入变压器的耦合，在输入变压器的副 边感应出大小相等、极性相反的信号，分别加在T1与T2