模拟电子技术第7章

（1） 输出功率Po 输出功率是负载上的电压与电流有效值的乘积，即
2 Vcem I cm 1 Vcem Po Vo I o 2 2 2 RL
最大不失真输出电压幅值为
Vcem (max) VCC VCE(sat) VCC
最大不失真输出功率为
Po(max)
2 2 V 1 cem(max) 1 VCC 2 RL 2 RL
1 1 PO VomIom VcemIcm 2 2
如果输入信号幅度足够大，则输出功率将达到最大值Pom。若此 时的输出电压与输出电流的振幅分别用Vcemm和Icmm表示，则
1 PO VcemmI cmm 2
（2） 效率η 功放工作时，直流电源提供的功率 1 2 PE VCC iC d(t ) VCC iC(AV) 0 2π
(4）管耗PT 在功率放大电路中，电源提供的功率，除了转化成输出功率外， 其余主要消耗在晶体管上，故可认为管耗等于直流电源提供的 功率与输出功率之差，即
2 2VCCVcem Vcem PT PE Po πRL 2 RL
由上式可知，管耗与输出电压的幅值有关。为求出最大管耗， 可用求极限的方法解之。将上式对Vcem求导，并令其为零。有
2、功率放大电路的主要技术指标 工作在大信号状态的功率放大器，其主要性能指标追求的是在 电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率、较高的效率和 较小的非线性失真系数，主要有： （1）输出功率PO 若输出电压与输出电流的振幅分别为Vom与Iom，考虑到在功放中， 一般Vom＝Vcem，Iom＝Icm，则
第7 章
功率放大电路
7.1 功率放大电路的特点及分类
7.1.1 功率放大电路的特点及主要技术指标 1、 功率放大电路的特点 一个放大器常常由电压放大器和功率放大器组成，如图7.1.1所 示。
图7.1.1
放大器方框图
电压放大器的主要任务是不失真地提高输入信号的幅度，以驱 动后面的功率放大电路。而功率放大电路的任务则是保证信号 失真在允许的范围内输出足够大的功率，以驱动负载。由此可 见，通常功率放大器工作在大信号状态，与前面讨论的小信号 状态下的电压放大电路相比，有其自身的特点。 （1）输出功率要足够大 为了获得足够大的输出功率，要求功放管的电压和电流都要有 足够大的输出幅度，因此，功放管常常工作在接近极限的状态 下，但又不超过其极限参数V（BR）CEO，ICM ， PCM 。 （2）效率要高 从能量转换的观点来看，功率放大电路是将直流电源提供的能 量转换成交流电能传送给负载。在能量的转换和传输过程中， 必然有一部分能量损耗在电路耗能元件上，这就涉及到效率方 面的问题。这里的效率η 是指负载得到的有用信号功率PO与电源 VCC供给的直流功率PE的比值。即η ＝PO/PE，这个比值越大，则 功率放大器的效率越高。
1 PT (max) PT (max) PT(max) 0.2 Po(max) 2
1 2
因此，选择功率管时集电极最大允许管耗PCM应大于该值， 并留有一定的余量。 在实际中，乙类互补对称放大电路的效率要比理想情况下的 78.5%要小，仅能达到60%左右。
4、功率管的技术指标与使用 功率管的技术指标有集电极最大允许功耗PCM、最大耐压V（BR）CEO 和最大集电极电流ICM，为确保其安全工作，使用时功率管应满 足下列条件： （1） 功率管集电极的最大允许功耗 PCM≥PT1（max） ＝ 0.2PO（max）
4、按电路形式的不同
功率放大电路有OTL（Output Transformerless，无输出变压 器）、OCL（Output Capacitorless无输出电容）和BTL （Balanced Transformerless平衡式无输出变压器）三种形式。
7.2 几种常见的功率放大电路
7.2.1 OCL乙类互补对称功率放大电路
（2） 功率管的最大耐压 V（BR）CEO≥2VCC 这是由于一只管子饱和导通时，另一只管子承受的最大反向电 压为2VCC。 （3） 功率管的最大集电极电流 ICM≥VCC/RL 由于功放管工作在大电流状态，且温度较高，属易损件，因 此，在实际电路中常加保护措施，以防止功放管因过压过流和 过损耗而损坏，同时需加装散热器。
（3）非线性失真要小 由于功率放大电路在大信号下工作，电压、电流摆动幅度大，容易 超出管子特性的线性范围，产生非线性失真。因此，在实际的功率 放大电路中，要采取措施减小失真，使之满足负载的要求。 对同一功率放大电路而言，非线性失真与输出功率是矛盾的，输出 功率愈大非线性失真往往愈严重。在允许的非线性失真限度内如何 获得尽可能大的输出功率，是设计功率放大电路时必需考虑的问题。 （4）采用散热和保护措施 由于功放管要承受高电压和大电流，为保护功放管安全工作，使用 时必须安装合适的散热片，并要考虑过电压和过电流保护措施。 另外，在分析方法上，由于功放管工作于大信号状态，不能采用小 信号状态下的微变等效电路分析法，而应采用图解法。
甲乙类功率放大电路（甲乙类功放） 介于甲类和乙类之间，晶体管的导通时间比信号一个周期短而 比半个周期长的称为甲乙类功放，其集电极电流波形如图7.1.2 （c）所示，其特点是效率较高，波形失真较严重。 在低频功率放大电路中主要用乙类或甲乙类功率放大电路。
3、 按构成放大电路的器件的不同 功率放大电路有分立元件功放和集成功放之分。 分立元件功率放大电路 由分立元件构成的功率放大电路，所用元件较多，电路设计 严格，对称性强，对元件的要求也较严格。 集成功率放大电路 采用单片的集成功率放大芯片如TDA2030、LA4112、LM386 等 设计放大电路即为此类放大电路的典型代表。其主要优点是 简洁方便，性能较高，生产方便。但一般输出功率偏小，耐 压和电流能力都比较弱，主要应用于50W ，特别是30W 以内 的音响中。
dPT 2V V CC cem 0 dVcem πRL RL
则
Vcem
2 VCC π
这说明：当 Vcem VCC ≈0.6VCC 时，管耗最大。 两管总的最大管耗为
PT(max)
2 2 VCC 4 2 2 Po(max) 0.4 Po(max) π RL π
2 π
每只管子的最大管耗为总管耗的一半，即
7.1.2 功率放大电路的分类 功率放大电路类型很多，根据不同的标准，有不同的分类 方法。 1、按工作频率的不同 按放大信号频率的不同可分为低频功率放大电路和高频功率放 大电路；低频功率放大电路用于放大的音频范围为几十赫兹～ 几十千赫兹，高频功率放大电路用于放大的射频范围为几百千 赫兹～几十兆赫兹。 2、按晶体管导通时间的不同 功率放大电路按晶体管导通时间的不同，一般可分为甲类、乙 类、甲乙类和丙类功率放大电路。丙类功放适用于高频信号放 大，本章主要分析低频功率放大电路。
【例7.2.1】乙类双电源互补对称功率放大电路如图7.2.1所示， 已知Vcc＝±20V，RL＝8Ω ，试求功率管的参数要求。 解：（1）最大输出功率
2 2 VCC PE (max) π RL
（3）效率η 放大电路的效率是指输出功率与电源供给功率之比，故
Po Vcem η PE 4 VCC
当Vcem（max）≈VCC时，则
η(max)
π 78.5% 4
应当指出，大功率管的饱和管压VCE（sat）常为2~3V，一般 不能忽略，故实际应用电路的效率要比此值低。
1 1 2 2 THD I m2 I m3 V 2 m2 V 2 m3 Im1 Vm1
（7.1.7）
式中Im1、Im2、Im3…和Vm1、Vm2、Vm3…分别表示输出电流和输出 电压的基波分量和各次谐波分量的振幅。注意，在不同的场合， 对非线性失真的要求也不同。例如，在测量系统和音响设备中， THD这个指标很重要；而在以输出功率为主要目的的工业控制系 统中，THD就显得不那么重要了。
2、工作原理 如图7.2.1所示，设输入信号vi为一正弦信号。 静态时vi＝0，两管都截止，因而IBQ、ICQ均为零，输出电压vo＝ 0。此时电路不消耗功率。 在vi正半周期间，NPN型T1管导通，PNP型T2管截止，有电流ic1 自上而下流过RL，产生输出电压的正半周；在负半周期间，T1 管截止，T2管导通，有电流ic2自下而上流过RL，产生输出电压 的负半周。这样利用利用特性对称的NPN型和PNP型三极管在信 号的正、负半周轮流工作，在负载上可以得到一个完整的电流 或电压波形，以此来完成整个信号的功率放大，如图7.2.1（c） 所示。可见，乙类推挽电路必须具有“两管交替工作”和“输 出波形合成”两个功能。由于该电路中两个管子导电特性互为 补充，电路对称，因此该电路称为乙类互补推挽功率放大电路。
百度文库
甲类功率放大电路（甲类功放） 晶体管在整个信号周期内都导通的称为甲类功放，其集电极电 流波形如图7.1.2（a）所示，其特点是非线性失真小，但由于 电源源源不断地将直流功率送给放大电路，当无输入信号时， 这些功率全部消耗在管子和电路元件上；当有输入信号时，可 将其中一部分能量变换后送到负载上，成为有用的部分，故管 耗大，效率低。
OCL互补对称电路电路的特点是：双电源供电、不需输出电容、 频率特性好、可以放大慢变化的信号。其主要缺点是：电路中 两个三极管的发射极直接连到负载电阻上，假如静态工作点失 调或电路内元器件损坏，将会使一个较大的电流流过负载，可 能造成电路损坏。为了解决这个问题，实际工作中常常采取保 护措施，即在负载回路接入熔断丝。
（2）直流电源的供给功率PE 直流电源的供给功率是电源电压VCC和供给管子的直流平均电流 的乘积，即
VCC PE π


0
2 2 Vcem Icm sin td(t ) VCC Icm Vcc π π RL
可见负载RL一定时，PE与输出电压Vcem成正比。当Po＝Po（max）， Vcem＝Vcem（max）≈VCC时直流电源提供最大的直流功率，即
3、输出功率和效率的计算 功率和效率是功率放大电路的主要性能指标。下面我们以 乙类OCL乙类互补对称功率放大电路如图7.2.1（b）所示。
由于互补电路两管完全对称，在作定量分析时，只要分析一个 管子的情况就可以了。如图7.2.2所示为功放电路中管子T1的工 作图解。其中，Vcem、Icm分别表示交流输出电压和输出电流的 幅值，Vcem（max）、Icm（max）为其最大幅值，VCE（sat）为管子的饱 和压降。
1、电路组成 采用正负电源构成的OCL乙类互补对称功率放大电路如图 7.2.1所示。该电路由特性参数完全对称、类型却不同（NPN 型和PNP型）的两个三极管组成的两个射级输出电路组合而成。 两管的基级和发射级分别连接在一起，信号从两管的基级输 入，从发射级输出，RL为负载。由于采用双电源，不需要耦 合电容，故称它为OCL（Output Capacitorless）即无输出电 容互补对称功率放大电路，简称OCL电路。
式中iC(AV)为ic的平均值，即其直流分量，当ic的正负半周对称 时，ic(AV)＝Ic。注意，上式适用于单电源功放，若是双电源功 放，则Pv应为二者提供的功率之和，而管耗
1 P T 2π

2
0
ic vce d (t )
显然，输出功率 定义功放的效率
PO＝PE－PT
PO PE
（3） 非线性失真系数THD 由于功放管输入特性和输出特性的非线性，当输入为正弦信号 时，输出信号将是非正弦的。通过傅氏级数的展开，非正弦的 输出信号可分解为直流分量、基波分量和各次谐波分量之和。 为了衡量非线性失真的程度，引入非线性失真系数
乙类功率放大电路（乙类功放） 晶体管在信号半个周期内导通，而另外半个周期截止的称为乙 类功放，其集电极电流如图7.1.2（b）所示，其特点是无输入 信号时，静态电流为零，电源供给的功率也等于零，此时管子 不消耗功率，当有正弦信号输入时，管子仅在半个周期内导通， 故减小了管子的消耗，提高了效率，但波形失真严重。