模拟电子技术第7章

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）
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
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。
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
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。
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。
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。
（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
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
（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。