答案3章 功率放大电路

第3章 功率放大电路

功率放大电路处于多级放大电路的末级或末前级，将前置电压放大级送来的信号进行功率放大，输出足够大的功率去驱动负载（如扬声器、显示器等）。

功率放大电路是电子设备中不可少的单元电路，本章需要掌握功放基本概念，了解功放电路参数。

电压放大电路与功率放大电路的区别：

（1）任务不同

① 电压放大电路：不失真地提高输入信号的幅度，以驱动后面的功率放大级，通常工作在小信号状态。

② 功率放大电路：信号不失真或轻度失真的条件下提高输出功率，通常工作在大信号状态。在前级电压放大基础上,再功率放大，为负载提供足够的输出功率

（2）分析方法不同

① 电压放大电路：采用微变等效电路法和图解法；② 功率放大电路：图解法

3.1 概述

什么是功率放大器：

• 供给负载足够功率，控制它工作

• 一个能量转换器，直流电源能量⇒交流能量

• 通常处于设备末级

为了获得大的输出功率，必须使功率放大电路输出信号电压大，输出信号电流大，放大电路的输出电阻与负载匹配。

1、功率放大电路的特点

（1）输入、输出电压幅度大，输出电流的幅度也大。大信号工作，极限运用，电流幅值最大时，处于临界饱合状态。① 功放管的工作电流c I 接近于集电极最大允许电流CM I ；

② 电压ce U 接近于集电极—发射极的反向击穿电压()BR CEO U ；

③ 损耗功率c P 接近于集电极最大允许功率损耗CM P 。

（2）在大幅度信号的作用下，功放管的工作点可能进入饱和区和截止区，从而使输出信号产生严重的非线性失真。功放管因为工作电流和电压大，易损坏易失真。

（3）功放管在大信号条件下工作，动态分析时不允许采用微变等效电路法，采用图解法

2、对功率放大电路的要求

（1）在不失真的情况下，要求输出尽可能大的功率，管子工作在极限的工作状态。

（2）要求提高效率η，o DC

P P η=负载得到的交流信号功率电源提供的直流功率 （3）非线性失真要小。在大信号状态工作必然引起失真的问题，这就存在增大输出功率和失真严重的矛盾，这就要求在电路结构上进行改进，尽可能大的提高输出功率，减小非线性失真。

（4）充分考虑功放管的管耗和热保护，安全工作。电源供给的能量大多数以管耗的形式消耗掉，通常功放电路中

的工作管必须加散热片。

3、功率放大器的类型

（1）按功放管的工作状态分

① 甲类功放：静态工作点Q 大致在交流负载线的中点，功放管在输入信号的整个周期都导通，静态C I 较大，波形好, 管耗大，效率低。（图3-1（a ））

② 乙类功放：静态工作点Q 在0C I ≈处，功放管只在输入信号的半个周期内导通，静态0C I =，波形严重失真, 管耗小，效率高。（图3-1（c ））

③ 甲乙类功放：静态工作点Q 靠近截止区，功放管导通的时间大于信号输入半个周期小于一个周期，静态0C I ≈，一般功放常采用。（图3-1（b ））

上述功放特点：甲乙类放大和乙类放大电路因静态电流很小，使电源供给的直流功率几乎全部转换成交流输出信号，因此降低了管耗，提高了效率。但是，这两种功放电路都出现了严重的波形失真。

（2）按耦合方式分：变压器耦合功放、OTL （无输出变压器）功放、OCL （无输出电容）功放和BTL （双向推挽无输出变压器）功放。

（3）按制做工艺分：分立元件功放和集成功放

（4）按工作频谱分：低频功放、高频功放、宽带功放、脉冲功率放大器

3.2 互补对称功率放大电路

1、无输出电容（OCL ）乙类互补对称功率放大电路 （如图3-2所示）

（1）电路组成

① 由性能参数相同，极性相反（称互补管）的两只功率管1V 和2V 组成。

（1V 为NPN 管，2V 为PNP 管）

② 双电源供电。数值相同、极性相异。

③ 每只管构成射极输出电路，输出与负载L R 直接耦合。

④ 两管都无偏置，无直流工作点，呈乙类工作状态。两管交替导通，互相补足。

（2）工作原理

① 当输入信号0i u =时

两管无偏置，则1V 和2V 都截止（120B B V V V ==），则负载L R 上电流0o i =，输出电压0o u =。

② 当输入信号0i u ≠时

1）当0i u 时（输入信号i u 处于正半周）

1BE u 大于死区电压⇒1V 导通，2V 截止⇒正半周电流1c i 通过负载L R ⇒形成正半周输出电压0o u

2）当0i u 时（输入信号i u 处于负半周）

2BE u 大于死区电压⇒2V 导通，1V 截止⇒负半周电流2c i 通过负载L R ⇒形成负半周输出电压0o u

结论：1V 和2V 两只管轮流导通各半周，在负载L R 上合成一个完整正弦波，每个电源仅工作半周

（图3-3给出了工作的波形图，图3-4给出了图解分析）

（3）参数计算

① 输出电流o i 和输出电压o u

1）输出电流o i 的变化范围为：2cm I ，输出电流最大幅值：cm I

2）输出电压o u 的变化范围为：2()2CC CES cm L V U I R -=，输出电压最大幅值：cem cm L CC U I R V =≈（忽略三极管的饱和压降CES U ）

② 信号输出最大功率om P ：22112222cm cem cem CC om L

L I U U V P R R ==≈ ③ 直流源功率

1）单个直流源提供的功率：210011()sin ()22πCC E CC c CC cm L V P V i d t V I t d t R ππ

ωωωππ'===⎰⎰ （1sin c cm i I t ω=，CC cm L

V I R =） 2）两个直流源提供的功率：222πCC E E L

V P P R '== ④ 效率η：78.54

om E P P πη===％ ⑤ 两管的总管耗2V P ：22222(4)π22CC CC CC V E om L L L

V V V P P P R R R ππ=-=-=- （4）交越失真：由于管子的死区电压使输出电流的波形在正负半周过零处产生的非线性失真。（如图3-5所示） （为了减小和克服交越失真，给两个互补管子的基极建立一个较小的静态偏置，使两个管子在静态时微导通，即使管子工作在甲乙类的状态。）

2、无输出电容（OCL ）甲乙类互补对称功率放大电路 （如图3-6所示）

特点：双电源供电、输出无电容器。

为解决交越失真，可给三极管稍稍加一点偏置，使之工作在甲乙类。

加很少直流偏置，使Q 点稍高于截止点

3、无输出变压器（OTL ）甲乙类互补对称功率放大电路（如图3-7所示）