現(xiàn)代電子技術(shù)基礎(chǔ)-第七章-功率放大電路備課講稿

現(xiàn)代電子技術(shù)基礎(chǔ)-第七章-功率放大電路圖7.1.17.2常見的幾種放大器

7.2.1單管功率放大器圖7.2.1(a)所示為變壓器耦合單管功率放大器的典型電路。它的輸入端和前級之間用一個(gè)輸入變壓器耦合，而輸出端和負(fù)載之間用一個(gè)輸出變壓器耦合。變壓器既起隔直流、通交流的作用，又起阻抗變換的作用。利用輸出變壓器耦合進(jìn)行阻抗變換，將接在變壓器副邊的負(fù)載電阻RL變換（折算）到變壓器原邊，可得出其等效交流電阻R′L為圖7.2.1式中，k=N1/N2

為變壓器的變比。由此式可知，只要適當(dāng)選擇輸出變壓器的變比，就可以得到合適的R′L阻值，從而在負(fù)載上獲得較大的輸出功率。常用的一些負(fù)載如揚(yáng)聲器、電動機(jī)、電磁繼電器等線圈的電阻僅為幾歐至十幾歐，若將其不經(jīng)變換而直接接入集電極電路，是不能得到足夠功率的，因而一般須進(jìn)行阻抗變換。例7.2.1設(shè)圖7.2.1（a）中負(fù)載RL為8Ω的揚(yáng)聲器，集電極電流交流分量的有效值Ic=10mA，輸出功率Po=20mW。試求輸出變壓器的變比。若揚(yáng)聲器直接接入集電極電路中，可得到多大功率？若揚(yáng)聲器直接接入集電極電路中，得到的功率為

Po=

可見，揚(yáng)聲器直接接入集電極，由于其本身阻抗太小，其獲得的功率很小。圖7.2.1（a）中，輸入變壓器的作用也是耦合和阻抗變換，而電容Cb、Ce為交流旁路電容。下面對電路的輸出功率及效率進(jìn)行分析估算。

1.最大不失真輸出功率Pom

功放電路的最大不失真輸出功率，是指在正弦信號輸入下，失真不超過額定要求時(shí)，電路輸出的最大信號功率，用放大電路的最大輸出電壓有效值和最大輸出電流有效值的乘積來表示，或用最大輸出電壓幅值和最大輸出電流幅值乘積的一半來表示靜態(tài)時(shí)，考慮到輸出變壓器原邊的電阻很小，發(fā)射極電阻Re也很小，均可忽略，則晶體管的直流負(fù)載線應(yīng)是一條與橫軸交于UCE=UCC點(diǎn)、幾乎與橫軸垂直的直線，如圖7.2.1(b)所示。靜態(tài)工作點(diǎn)Q的位置以輸出功率的要求而定，可以通過調(diào)整Rb1、Rb2的分壓比來改變偏流IBQ，從而定出ICQ及UCEQ。為了獲得盡可能大的輸出功率，可將Q點(diǎn)提高到靠近PCM（集電極最大允許耗散功率）線附近。動態(tài)時(shí)，交流等效電阻為R′L(RL），故交流負(fù)載線是一條通過靜態(tài)工作點(diǎn)Q、斜率為-1/R′L的直線，其斜率取值多少應(yīng)以輸出功率既最大又不失真為最佳，此時(shí)的R′L稱為最佳負(fù)載電阻。為此，其靜態(tài)工作點(diǎn)的位置必須處于交流負(fù)載線的中點(diǎn)，即工作于甲類放大狀態(tài)。只有這樣，輸出電壓、電流才能在線性放大區(qū)有最大振幅，才能輸出最大不失真功率。理想情況下，略管子的飽和壓降UCES、穿透電流ICEO

并使管子盡限運(yùn)用時(shí)，其最大集電極—發(fā)射極交流電壓幅值UCEM約等于UCC，其最大集電極交流電流幅值ICM約等于ICQ，交流負(fù)載線是與橫軸交于2UCC、與縱軸交于2ICQ

的斜線，如圖7.2.1(b)所示此時(shí)的輸出功率最大。在這樣條件下，根據(jù)交流負(fù)載線的斜率可得出交流等效電阻

R′L=在圖7.2.1（b）中，最大輸出電壓有效值為UCEM=，最大輸出電流有效值為ICM/，故其最大不失真輸出功率為這就是變壓器耦合甲類功率放大器的最大不失真輸出功率Pom的表達(dá)式，顯然，Pom為圖中三角形ABQ的面積。

2.效率η

前已指出，功率放大器的效率是指負(fù)載得到的信號功率Po和電源供給的功率PU之比，即式中，PU為直流電源提供的功率功率放大器工作在甲類狀態(tài)時(shí)，其電源供給的功率PU與輸出信號電流iC無關(guān)，僅與電源電壓UCC及靜態(tài)電流ICQ有關(guān)。也就是說，無論有無信號輸入輸出，電源供給的功率是固定不變的。由此也可得出，這類功放電路的輸出功率越大，電路的效率就越高。當(dāng)電路輸出最大不失真功率時(shí)，效率最高，其值為

此式說明，甲類功率放大器的最高效率為50%。應(yīng)該說明，這個(gè)數(shù)值只是個(gè)理想效率。在實(shí)際電路中，由于存在變壓器損耗、管子飽和壓降及Re上壓降等原因，實(shí)際效率還要低些。比如，設(shè)變壓器的效率為ηT（小型變壓器的ηT一般為0.75~0.85），則放大器最大輸出功率時(shí)的總效率應(yīng)為3.管耗PT

功放電路的管耗PT主要是功放管消耗的功率，發(fā)生在集電結(jié)上，是集電極耗散功率。

7.2.2推挽功率放大器對于前述單管功率放大器，當(dāng)其工作于甲類狀態(tài)時(shí)，即使是最理想情況，其效率也只有50%。這個(gè)數(shù)值在以功率輸出為主的功放電路中是不理想的。在甲類放大電路中，靜態(tài)電流ICQ是造成管耗高、效率低的主要原因。降低靜態(tài)電流，使管子工作于乙類狀態(tài)，可以減少管耗、提高效率，但這樣會使輸出波形被削掉一半，出現(xiàn)嚴(yán)重失真。若采用工作于乙類或甲乙類的推挽功率放大器，既可提高放大電路的效率，同時(shí)又能減少信號的波形失真。綜上所述，變壓器耦合功率放大器可以較好地解決負(fù)載與放大器輸出級的阻抗匹配問題。單管甲類功放電路效率低，適用于小功率輸出，或作為大功率放大器的推動級。乙類（或甲乙類）推挽電路效率較高，可用于較大功率輸出。但是，由于變壓器體積大、有損耗、頻率特性差、不易集成化等，使得變壓器耦合功率放大器難以進(jìn)一步提高質(zhì)量。因此，采用無輸出變壓器功率放大器已成為近年來功率放大器發(fā)展的一個(gè)方向。7.2.3互補(bǔ)對稱功率放大器一、乙類基本互補(bǔ)對稱功率放大器

1.電路原理基本的互補(bǔ)對稱功率放大器電路如圖7.2.2所示。圖中V1、V2是兩個(gè)特性一致的NPN型和PNP型三極管。兩管基極連接輸入信號，發(fā)射極連接負(fù)載RL。兩管均工作在乙類狀態(tài)。這個(gè)電路可以看成是由兩個(gè)工作于乙類狀態(tài)的射極輸出器所組成。無信號時(shí)，因V1、V2特性一致及電路對稱，因而發(fā)射極電壓UE=0，RL中無靜態(tài)電流。又由于管子工作于乙類狀態(tài)，IBQ=0，ICQ=0，故電路中無靜態(tài)損耗。有正弦信號ui輸入時(shí)，兩管輪流工作。正半周時(shí)，V1因發(fā)射結(jié)正偏而導(dǎo)通，在負(fù)載RL上輸出電流ic2，如圖中實(shí)線所示，V2

因發(fā)射結(jié)反偏而截止。同理，在負(fù)半周時(shí)，V2因發(fā)射結(jié)正偏而導(dǎo)通，在負(fù)載RL上輸出電流ic2，如圖中虛線所示，V1

因發(fā)射結(jié)反偏而截止。這樣，在信號ui的一個(gè)周期內(nèi)，電流ic1和ic2以正、反兩個(gè)不同的方向交替流過負(fù)載電阻RL，在RL上合成為一個(gè)完整的略有點(diǎn)交越失真的正弦波信號。由此可見，在輸入電壓作用下，互補(bǔ)對稱電路利用了兩個(gè)不同類型晶體管發(fā)射結(jié)偏置的極性正好相反的特點(diǎn)，自行完成了反相作用，使兩管交替導(dǎo)通和截止。此外，互補(bǔ)對稱電路聯(lián)成射極輸出方式，具有輸入電阻高、輸出電阻低的特點(diǎn)，低阻負(fù)載可以直接接在放大電路的輸出端。

2.最大輸出功率、效率及管耗估算上述乙類互補(bǔ)對稱電路的工作情況與變壓器耦合乙類推挽電路的工作情況是相對應(yīng)的，所不同的只是前者負(fù)載直接接在了發(fā)射極，而后者是經(jīng)變壓器變換后折算到功放管的輸出回路中。直流電源在放大器輸出最大功率時(shí)，忽略管子飽和壓降，Icm=ICM=UCC/RL，電源給出最大功率，為電路在最大輸出功率時(shí)的效率為最大管耗與最大輸出功率之間即例7.2.1在圖7.2.2所示乙類互補(bǔ)對稱功放電路中，設(shè)UCC=12V，RL=8Ω，{試求：}(1)當(dāng)輸入信號足夠大，使集電極電壓能夠充分運(yùn)用時(shí)的Pom、PUm、ηm、PV；

(2)當(dāng)輸入信號電壓有效值為4V時(shí)的Po、PU、η、PV;

(3)若三極管飽和壓降UCES=1V，不可忽略，再計(jì)算（1）問中各量。解（1）輸入信號足夠大時(shí)，忽略管子飽和壓降，輸出電壓幅值約等于電源電壓，可輸出最大功率。最大輸出功率為

Pom=此時(shí)的效率為雙管總管耗為

PV=PUm-Pom=11.5-9=2.5W(2）若輸入電壓有效值為4V，即其幅值為Uim

考慮到射極輸出器的輸出電壓近似等于輸入電壓，故Uom≈Uim=5.7V，輸出功率為效率為圖7.2.2

7.2.4甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大器與變壓器耦合的乙類推挽功率放大器一樣，乙類互補(bǔ)對稱功率放大器也存在晶體管輸入特性死區(qū)電壓引起的交越失真，因而也需要給功放管加上偏置電流，即使其工作于甲乙類放大狀態(tài)，以此來克服交越失真。圖7.2.3為常見的幾種甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大器。（a）圖為OCL電路，(b)圖為OTL電路。在（a）、（b）兩圖中，V3為推動級，V3的集電極電路中接有兩個(gè)二極管VD1和VD2

，利用V3集電極電流在VD1

、VD2的正向壓降給兩個(gè)功放管V1、V2提供基極偏置，從而克服交越失真。圖7.2.3態(tài)時(shí)，因V1、V2兩管電路對稱，兩管靜態(tài)電流相等，負(fù)載上無靜態(tài)電流，輸出電壓Uo=0。當(dāng)有交流信號輸入時(shí)，VD1和VD2

的交流電阻很小，可視為短路，從而保證了V1和V2兩管基極輸入信號幅度基本相等。由于二極管正向壓降具有負(fù)溫度系數(shù)，因而這種偏置電路具有溫度穩(wěn)定作用，可以自動穩(wěn)定輸出級功放管的靜態(tài)電流。

由于甲乙類功率放大器的靜態(tài)電流一般很小，與乙類工作狀態(tài)很接近，因而甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大器的最大輸出功率、效率以及管耗等量的估算均可按乙類電路有關(guān)公式進(jìn)行。7.3功率放大器的應(yīng)用

7.3.1功率放大器實(shí)際應(yīng)用電路

1.OCL功率放大器實(shí)際應(yīng)用電路圖7.3.1為一準(zhǔn)互補(bǔ)功率放大電路，它是高保真功率放大器的典型電路。電路由前置放大級、中間放大級和輸出級組成。V1、V2、V3構(gòu)成恒流源式差動放大器，為前置放大級，除了對輸入信號進(jìn)行放大外，還有溫度補(bǔ)償和抑制零漂的作用。V4、V5構(gòu)成中間放大級，其中V4為共射電路，V5是恒流源，作為V4的負(fù)載，使V4的輸出幅度得以提升。V7到V10為準(zhǔn)互補(bǔ)OCL電路作為輸出級。Re7~Re10可使電路穩(wěn)定。圖7.3.1V7到V10為準(zhǔn)互補(bǔ)OCL電路作為輸出級。Re7~Re10可使電路穩(wěn)定。V6及Re4、Rc5構(gòu)成“UBE擴(kuò)大電路”，調(diào)節(jié)Re4可改變加在V7、V8基極間的電壓，以消除交越失真。Rf、C1和Rb2構(gòu)成串聯(lián)負(fù)反饋，以提高電路穩(wěn)定性并改善性能。

2.OTL功率放大器實(shí)際應(yīng)用電路圖7.3.2是一個(gè)OTL互補(bǔ)對稱功率放大電路，用作電視機(jī)伴音功率放大器。電路中V1是基本的工作點(diǎn)穩(wěn)定電路，構(gòu)成前置電壓放大級。輸入信號被放大后，經(jīng)C-3耦合至由V2構(gòu)成的推動級。R14的作用是形成電壓串聯(lián)負(fù)反饋，以便改善放大性能。

C2（以及C4、C7）為相位補(bǔ)償元件，用以防止高頻自激。V3與V4構(gòu)成互補(bǔ)功率輸出級，將信號經(jīng)C-6耦合到負(fù)載RL上。為防止開機(jī)時(shí)功放管中電流有可能過大而燒壞功放管，在它們的發(fā)射極電路中設(shè)置了R11、R12兩個(gè)限流電阻。V3、V4的靜態(tài)工作點(diǎn)由V2的靜態(tài)電流及電阻R6、R7、R8、R9決定。其中R8是熱敏電阻，其阻值隨溫度升高而減小，可穩(wěn)定功放管的靜態(tài)電流。電阻R10連在V2的基極與電容C-6的正極之間，構(gòu)成直流負(fù)反饋，以穩(wěn)定C-6正極的電位（為UCC/2）。

3.集成功率放大器實(shí)際應(yīng)用電路袖珍式放音機(jī)、收音機(jī)、便攜式收錄機(jī)等，為了實(shí)現(xiàn)整機(jī)小型化，需要低電壓音頻功率放大電路。荷蘭菲利浦公司生產(chǎn)的TDA7050T集成功率放大電路外形尺寸小，外接元件少，可用來組裝薄型機(jī)。

7.3.2功率放大器應(yīng)用中的幾個(gè)問題為了保護(hù)功放電路尤其是其中功放管的安全，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要充分注意以下方面的問題。

1.功放管散熱問題如前所述，功率放大器的工作電壓、電流都很大。在給負(fù)載輸出功率的同時(shí)，功放管也要消耗一部分功率，使管子本身升溫發(fā)熱。當(dāng)管子溫度升高到一定