功率放大电路知识梳理

J
o
o 图5
功率放大电路知识梳理
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
⑷功率BJT 的散热
-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
2、功率放大电路的类型
(1)甲类功率放大器
x Q mF 数
特点:
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。

作用：
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
•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 c(=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
图5.3
特点：
•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。

返回第三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。

图54
静态时，两管的l cc=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
團5.5
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「、壬合成一个
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 cEQ=V Cc ，-V CEQ=V Cc，因此Q l=Q。

(2)由流过R.的电流方向知i ci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 CE+V EC=V C C-(-V cc)=2V cc
V CE1的原点与-V CE2=2V C点重合；-V CE2的原点与+V CE=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21cm V CE的变化范围为2( V C C-V CES)=2V Cem=2I cm F l。

如果忽略BJT的饱和压降V C ES, V cem=|cn R V C C。

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V)和输出电流l 0的乘积来表示。

设输出电压的幅值为
p _ nr r -叫択丄畑=rr T
…耳-片你——遵」叫
V om,贝y —■
£ ~心这恰好是图5.6中厶ABQ的面积。

因为l om=V/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，Aw 1。

当输入信号足够大，使V m二V>m= V cem= V CC- V CES〜V CC和l on=l cm时，可获得p
M g
* JI
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Me或降低负载阻抗F 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 T
= — f （曲）=—f - %〕才矶少q
2ff J 勿：R L
=丄k% - J sm遡
% ：祖k伽）上疔5 %討瞥2-和宀叫）
2血几
心索
4、电源提供的功率
三、功率BJT的选择
1、最大管耗和最大输出功率的关系
令礬丸则垒
若卩闵咕 rniip -空g
CL 圳J巧5«
5、效率n
一耳二吨■
2心矶几
~4
%
-闵78.5%
F“珀十弘=
(3) P °m =9W 时的 P v (4) BJT 的 P CM
(5) V i 的有效值
故G 二聖3%
JT
上式表明：当V Om " 0.6V CC 时，BJT 具有最大的管耗,
护%泊曲 邮
因此，功率三极管的选择应满足以下条件:
①2 %罰亿
⑵々财饵°卜莎处
⑶3字
例题：P220, 523 已知：v 为正弦波，R L =8Vy
V CE ^O , Rm=9W 求 (1)± V CC 的最小值,
(2) BJT 的 I
CM
% =匹硏=V2x8x?=12Z
解⑴ ■ ・一〒
⑵BJT 的 I cM> I om
--I d A1.2>4
⑸讥％ %
V
1Z ..Z = -^ = —»8.49^ 41 旋
返回 第四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
2》］2? ；y 1 1.4 讯
⑷张A 与严0’2弘二02务 =0 2^-^—= L 莎
2x8
时，不可避免地要产生非线性失真--交越失真，如图5.7所示。

V B E2=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V3E1+V3E2。

一、甲乙类双电源互补对称电路（OCL
0）二极管偏置袪）忌扩大电路偏置
卩DL+矿V2 =卩££、4『冋 _ =（& 4禺）/ 尽
S 5 8
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，T 3组成前置放大级（注意，图中末画出壬的偏置电路）,T i和T2组成互补输出级。

静态时,在D、D2上产生的压降为T i、T2提供了一个适当的偏压，使之产生交越失真的原因：功率三极管处于零偏置状态，即：V B EI+
处于微导通状态。

由于电路对称，静态时i ci=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（D i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R i、R2的电流，则由图可求出V CE4二V^R i+R）/R2,因此，利用T4管的V B E4基本为一固定值（硅管约为
0.6~0.7V）,只要适当调节R、R2的比值，就可改变匚、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
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上无电流；
（2）D i、D2 （或R,或R、D）供给「、T2两管一定的正偏压，使两管处于微导通状态；
（3）R C是T a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T i、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）
图5.10
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，T i和T2组成互补对称电路输出级。

静态时，一般只要R、R2有适当的数值，就可使I c3、V B2和V i达到所需大小，给T i和T2提供一个合适的偏置，从而使K点电位WC2。

当有信号V i时，在信号的负半周，「导电，有电流通过负载R,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放电，如图5.11所示。

只要选择时间常数RC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Sc可代替原来的+"c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） D i 、D 2 （或R,或R 、D ）供给「、T 2两管一定的正偏压, 使两管处于微导通状态，即工作于甲乙类状态；
（3）R C3是T 3的集电极负载电阻，b i 、b 2两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 足够大（比v 的最大周期还要大得多），使 （5）T 3的偏置电压取自K 点,具有自动稳定Q 点的作用，调节F 2 可以调整V
4 九丄
耳I ----------------------
3. 静态工作点的调整
电路如图5.12所示。

C,C 的选择要满足？二RC
V=0.5V cc ；
D
□
' —
B 5.11
S 5.12
(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*匕的调整
首先将F 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F L两端的电压波形，然后调整FW,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 on/2，这是因为当V i为负半周时，T l导电，因而i B1增加，由于F C3上的压降和V3E1的存在，当K点电位向+Vx接近时，T i的基流将受限制而不能增加很多，因而也就限制了T i输向负载的电流，使F L两端得不到足够的电压变化量，致使V-明显小于7胡2。

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

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

B 5.13
（3）自举电路的作用
当R3G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，T i导电，v K将由McC2向更正方向变化，考虑到V D二V C3+V K二
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 Bi，使T i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。

5、几点说明
（1）由于T i、T2的工作电压均为0.5V cc，因而P。

、P T、P V等的计算，只须将乙类互补电路指标计算中的V c代之以0.5V cc即可。

（2）由于互补对称电路中的晶体管都采用共集电极的接法，所以输入电压必须稍大于输出电压。

为此，输入信号需经1- 2级电压放大后，再用来驱动互补对称功率放大器。

（3）应采取复合管解决功率互补管的配对问题。

异型管的大功率配对比同型管的大功率配对困难。

为此，常用一对同型号的大功率
管和一对异型号的互补的小功率管来构成一对复合管取代互补对称
管。

复合管的连接形式如5.14~5.16所示，
其等效电流放大系数和输入阻抗可以表示为:
(1"曲
2
C
图 5.14
图5 15
图 5 1(5
E二且二民Q4■民)&掏窗爲环1 如
金二®+3爲〉陆
(4)必要时注意增加功率管保护电路。

返回。