电子教案-《模拟电子技术》(王连英)电子教案、习题解答-第7章 电子课件

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。
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。
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
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。
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。
PT
1 2π
2
ic vce d(t )
0
显然，输出功率
PO＝PE－PT定义功放的效率 Nhomakorabea 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
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。
1 VcemIcm 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
PO
1 2 VcemmI cmm
（2） 效率η
功放工作时，直流电源提供的功率
PE
1 2π
2
VCCiCd(t) VCCiC(AV)
0
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
（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
PE
VCC π
Icm sin
0
td(t)
2 π VCC Icm
2 Vcc Vcem 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
和压降。
（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
Po
Vo Io
Vcem 2
I cm 2
1 Vc2em 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)
1
V2 cem(max)
2 RL
1 VC2C 2 RL
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
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。
【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
Po(max)
1 2
VC2C RL
1 20 2 W 25 W
28
(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
PT
PE
Po
2VCCVcem πRL
Vc2em 2RL
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
PCM≥0.2Po（max）＝0.2×25 W＝5W
（2）V（BR）CEO≥2VCC＝2×20V＝40V （3）ICM ≥VCC/RL＝2.5A
实际选择功率管型号时，其极限参数还应留有一定余量， 一般要提高50%~100%。
7.2.2 OCL甲乙类互补对称功率放大电路 乙类互补对称功率放大电路为零偏置（静态电流为0），而T1
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。
dPT 2VCC Vcem 0 dVcem πRL RL
则
Vcem
2 π
VCC
这说明：当 Vcem
2 π VCC
≈0.6VCC
时，管耗最大。
两管总的最大管耗为
PT(max)
2 VC2C π 2 RL
4 π2
Po(max)
0.4Po(max)
每只管子的最大管耗为总管耗的一半，即
1 PT1 (max) PT2 (max) 2 PT(max) 0.2Po(max)
功率放大器的效率越高。
（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。
PE
(max)
2 π
VC2C 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
η Po Vcem PE 4 VCC
当Vcem（max）≈VCC时，则
π
η(max)
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。
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
THD 1
I
2 m2
I
2 m3
1
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。
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。