功率放大电路解读

第五章功率放大电路学习要求：前面已经介绍了一些电子电路，经过这些电路处理后的信号，往往要送到负载，去驱动一定的装置。

例如，这些装置有收音机中扬声器的音圈、电动机控制绕组、计算机监视器或电视机的扫描偏转线圈等。

这时我们要考虑的不仅仅是输出的电压或电流的大小，而是要有一定的功率输出。

这类主要用于向负载提供功率的放大电路常称为功率放大电路。

本章以分析功率放大电路的输出功率、效率和非线性失真之间的矛盾为主线，逐步提出解决矛盾的措施。

在电路方面，以互补对称功率放大电路为重点进行较详细的分析与计算，并介绍了集成功率放大器实例。

最后，对功率器件的散热问题、功率BJT和VMOS管等也予以介绍。

1．熟练掌握如何解决输出功率、效率和非线性失真三者之间的矛盾；2．要熟练掌握乙类互补对称功率放大电路的组成、分析计算和功率BJT的选择；3．正确理解甲乙互补对称功放电路的工作原理及计算；4．了解各种功率器件及散热问题；5．了解集成功率放大器的使用（可作为选讲内容）。

本章的重点：OCL、OTL 功率放大器本章的难点：功率放大电路主要参数分析与计算第一节功率放大电路的一般问题功放以获得输出功率为直接目的。

它的一个基本问题就是在电源一定的条件下能输出多大的信号功率。

功率放大器既然要有较大的输出功率，当然也要求电源供给更大的注入功率。

因此，功放的另一基本问题是工作效率问题。

即有多少注入功率能转换成信号功率。

另外，功放在大信号下的失真，大功率运行时的热稳定性等问题也是需要研究和解决的。

一、功率放大电路的特点、基本概念和类型1、特点：(1) 输出功率大(2) 效率高(3) 大信号工作状态(4) 功率BJT的散热2、功率放大电路的类型(1) 甲类功率放大器特点：·工作点Q处于放大区，基本在负载线的中间，见图5.1。

·在输入信号的整个周期内，三极管都有电流通过。

·导通角为360度。

缺点：效率较低，即使在理想情况下，效率只能达到50%。

由于有I CQ的存在，无论有没有信号，电源始终不断地输送功率。

当没有信号输入时，这些功率全部消耗在晶体管和电阻上，并转化为热量形式耗散出去；当有信号输入时，其中一部分转化为有用的输出功率。

通常用于小信号电压放大器；也可以用于小功率的功率放大器。

(2) 乙类功率放大器特点：·工作点Q处于截止区。

·半个周期内有电流流过三极管，导通角为180度。

·由于I CQ=0，使得没有信号时，管耗很小，从而效率提高。

缺点：波形被切掉一半，严重失真，如图5.2所示。

作用：用于功率放大。

(3) 甲乙类功率放大器·工作点Q处于放大区偏下。

·大半个周期内有电流流过三极管，导通角大于180度而小于360度。

·由于存在较小的I CQ，所以效率较乙类低，较甲类高。

缺点：波形被切掉一部分，严重失真，如图5.3所示。

作用：用于功率放大。

第二节乙类双电源互补对称功率放大电路一、电路组成在图5.4所示电路中，两晶体管分别为NPN管和PNP管，由于它们的特性相近，故称为互补对称管。

静态时，两管的I CQ=0；有输入信号时，两管轮流导通，相互补充。

既避免了输出波形的严重失真，又提高了电路的效率。

由于两管互补对方的不足，工作性能对称，所以这种电路通常称为互补对称电路。

二、分析计算1. 输出特性曲线的合成因为输出信号是两管共同作用的结果，所以将T1、T2合成一个能反映输出信号和通过负载的电流的特性曲线。

合成时考虑到：（1）v i=0时,V CEQ1=V cc， -V CEQ2=V cc，因此 Q1=Q2。

（2）由流过R L的电流方向知i c1与i c2方向相反。

即两个纵坐标轴相反。

（3）特性的横坐标应符合：v CE1+v EC2=V cc-(-V cc)=2V ccv CE1的原点与-v CE2=2V cc点重合；-v CE2的原点与+v CE1=2V cc点重合。

由以上三点，得两管的合成曲线如图5.6所示。

这时负载线过V cc点形成一条斜线，其斜率为-/R L。

显然，允许的i C的最大变化范围为2I Cm，v CE的变化范围为2（V CC-V CES）=2V cem=2I cm R L。

如果忽略BJT的饱和压降V CES，V cem=I cm R L≈V CC。

2. 计算输出功率P o在输入正弦信号幅度足够的前提下，即能驱使工作点沿负载线在截止点与临界饱和点之间移动。

如图5.6所示波形。

输出功率用输出电压有效值V0和输出电流I0的乘积来表示。

设输出电压的幅值为V om，则这恰好是图5.6中△ABQ的面积。

因为I om=V om/R L，所以图5.5中的T1、T2可以看成工作在射极输出器状态，A V≈1。

当输入信号足够大，使V im=V om=V cem= V CC- V CES≈V CC和I om=I cm时，可获得最大的输出功率由上述对P o的讨论可知，要提供放大器的输出功率，可以增大电源电压V CC或降低负载阻抗R L。

但必须正确选择功率三极管的参数和施加必要的散热条件，以保证其安全工作。

3.BJT的管耗P T4、电源提供的功率5、效率η三、功率BJT的选择1、最大管耗和最大输出功率的关系上式表明：当V om" 0.6V CC时，BJT具有最大的管耗，因此，功率三极管的选择应满足以下条件：例题：P220，5.2.3已知：v i为正弦波，R L=8W， V CES=0，P om=9W求（1）±V CC的最小值，（2）BJT的I CM、（3）P om=9W时的P v（4）BJT的P CM（5）v i的有效值解(1)(2)BJT的I CM＞ I om第三节甲乙类互补对称功率放大器图5.5所示电路具有电路简单，效率高等特点，广泛用于直流电机和电磁阀控制系统中。

但由于BJT的I CQ=0, 因此在输入信号幅度较小时，不可避免地要产生非线性失真 --交越失真，如图5.7所示。

产生交越失真的原因：功率三极管处于零偏置状态，即：V BE1+ V BE2=0解决办法：为消除交越失真，可以给每个三极管一个很小的静态电流，这样既能减少交越失真，又不至于使功率和效率有太大影响。

就是说，让功率三极管在甲乙类状态下工作。

增大V BE1+V BE2。

一、甲乙类双电源互补对称电路（OCL）1. 基本电路甲乙类双电源互补对称电路如图5.8所示。

其中图5.8（a）所示的偏置电路是克服交越失真的一种方法。

由图可见， T3组成前置放大级(注意,图中末画出T3的偏置电路),T1和T2组成互补输出级。

静态时,在D1、D2上产生的压降为T1、 T2提供了一个适当的偏压,使之处于微导通状态。

由于电路对称，静态时i c1=i c2,i L=0, v o=0。

有信号时，由于电路工作在甲乙类, 即使v I很小(D1和D2的交流电阻也小)，基本上可线性地进行放大。

上述偏置方法的缺点是，其偏置电压不易调整。

而在图 5.8（b）中，流人T4的基极电流远小于流过 R1、 R2的电流，则由图可求出V CE4=V BE4(R1+R2)/R2，因此，利用T4管的V BE4基本为一固定值(硅管约为0.6~0.7V)，只要适当调节R1、R2的比值,就可改变T1、T2的偏压值。

这种方法，在集成电路中经常用到。

2. 特点：图5.9是用NPN管驱动的OCL电路，其特点与图5.8所示电路一样。

（1）静态时R L上无电流；（2） D1、D2（或R，或R、D）供给T1、T2两管一定的正偏压，使两管处于微导通状态；（3） R C是T3的集电极负载电阻， A、B两点的直流电位差始终为1.4V左右，但交流电压的变化量相等；（4）电路要求T1、T2的特性对称；（5）需要使用对称的双电源。

二、甲乙类双电源互补对称电路（OTL）1、基本电路图5.10是采用一个电源的互补对称原理电路，图中由T3组成前置放大级，T1和T2组成互补对称电路输出级。

静态时，一般只要R1、R2有适当的数值，就可使I C3、V B2和V1达到所需大小，给T1和T2提供一个合适的偏置，从而使K点电位V K=V CC/2。

当有信号v i时，在信号的负半周， T1导电，有电流通过负载R L,同时向C充电；在信号的正半周，T2导电，则己充电的电容C起着图5.8中电源-V CC的作用，通过负载R L放电，如图5.11所示。

只要选择时间常数R L C足够大(比信号的最长周期还大得多)，就可以认为用电容C和一个电源V CC可代替原来的+V CC和-V CC两个电源的作用。

2. 电路特点（1）静态时R L上无电流；（2） D1、D2（或R，或R、D）供给T1、T2两管一定的正偏压，使两管处于微导通状态，即工作于甲乙类状态；（3） R C3是T3的集电极负载电阻，b1、b2两点的直流电位差始终为1.4V左右，但交流电压的变化量相等；（4）仅需使用单电源，但增加了电容器C,C的选择要满足? =R L C足够大（比v i的最大周期还要大得多），使V C=0.5V CC；（5）T3的偏置电压取自K点,具有自动稳定Q点的作用，调节R2可以调整V K。

3. 静态工作点的调整电路如图5.12所示。

（1） V C=0.5V CC的调整用电压表测量K点对地的电压，调整R2使V K=0.5V CC。

（2）静态电流I C1、I C2的调整首先将R W的阻值调到最小，接通电源后，在输入端加入正弦信号用示波器测量负载R L 两端的电压波形，然后调整R W，输出波形的交越失真刚好消失为止。

4、存在的问题及解决办法（1）存在问题上述情况是理想的。

实际上，图5.10的输出电压幅值达不到V om= V om/2，这是因为当v i 为负半周时，T1导电，因而i B1增加，由于R C3上的压降和V BE1的存在，当K点电位向+V CC接近时，T1的基流将受限制而不能增加很多，因而也就限制了T1输向负载的电流，使R L两端得不到足够的电压变化量，致使V om明显小于V CC/2。

（2）改进办法如果把图5.10中D点电位升高，使V D＞+V CC，例如将图中D点与+V CC的连线切断，V D 由另一电源供给，则问题即可以得到解决。

通常的办法是在电路中引人R3、C3等元件组成的所谓自举电路，如图5.13所示。

（3）自举电路的作用静态时当R3C3足够大时，V C3不随v i变化，可认为基本不变。

这样，当v i为负时，T1导电， v K 将由V CC/2向更正方向变化，考虑到v D=v C3+v K= V C3+v K，显然，随着K点电位升高，D点电位v D也自动升高。

因而，即使输出电压幅度升得很高，也有足够的电流i B1，使T1充分导电。

这种工作方式称为自举，意思是电路本身把v D提高了。