功率放大器功率放大器的特点及原理

功率放大器，功率放大器的特点及原理是什么?利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入 信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极 电流永远是基极电流的B倍，B是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入 基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的B倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来， 就得到了电流(或电压)是原先的B倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断 的电流及电压放大，就完成了功率放大。功率放大器，简称“功放”。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系 统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率 放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统 能否提供良好的音质输出。一、功率放大器的特点向负载提供信号功率的放大器，通常称为功率放大器。功率放大器工作时，信号电压和 电流的幅度都比较大，因此具有许多不同于小信号放大器的特点。I.功率放大器的效率功串放大的实质是通过晶体管的控制作用，把电源提供给放大器的直流功率转换成负载 上的交流功率。交流输出功串和直流电源功率息息相关。一个功率放大器的直流电源提供的 功率究竟能有多少转换成交流输出功率呢？我们当然希望功率放大器最好能把直流功率(PE= Eclc)百分之百转换成交流输出功率(Psc=Uscisc)实际上却是不可能的。因为 晶体管自身要有一定的功率消耗，各种电路元件(电阻、变压器等)要消耗一定的功率，这 就有个效率问题了。放大器的效率n指输出功率Psc与电源供给的直流动率PE之比，即 通常用百分比表示：n =psc/pe通常用百分比表示：n =Psc/PEX 100%效率越高，表示功率放大器的性能越好。晶休管在大信号工作条件下，工作点会上下大幅度摆动。一旦工作点跳出输入或输出特 性曲线的线性区，就会出现非线性失真。所以对声频功率放大器来说，输出功率总要和非线 性失真联系在一起考虑。一般声频功率放大器都有两个指标棗最大输出功率和最大不失真输出功率。前者说明放大器的最大负载能力，后者表示不失真放大的能力。例如，两台扩音机 最大输出功率都是50瓦，但一台的最大不失真功率是40瓦，另一台的最大不失真功率是30 瓦，前者的性能就要比后者好些。田43、三种工作状态功率放大器按工作状态的不同，可分为甲类、乙类和甲乙类三种。甲类放大器的特点是 工作点选在输出特性曲线线性区的中间位置，信号电流在整个周期内都流通，失真小但效率 低，输出功率也小。乙类放大器工作点选在基极电流等于零的那条输出特性曲线上，信号电 流只在半周期内流通，效率高，输出功率大，但失真严重。第三类放大器的工作点既不象乙 类放大选得那样低，也不象甲类那样高，电流截止的时间小于半周期，工作性能介于甲类和 乙类之间。图4一68中对功率放大器的三种工作状态进行了比较，可以帮助我们了解它们的 特点。二、变压器耦合甲类功率放大器图4 69是变压器耦合甲类声频功率放大器的典型电路。级间耦合采用了变压器耦合方 式。图中Bl是输入变压器，B2是输出变压器。Rl、B2、R3和R4、R5、R6分别组成分压 式电流负反馈偏置电路，为BG1、BG2提供稳定偏置。C1、C2、C3、C4为交流信号提供 通路。经BG1放大的交流信号电流ic1通过B1的初级线圈LI,在次级线圈人两端感应出输 入信号电压Usr2,加在BG2的基一射间进行功率放大。放大的信号再通过B2耦合到扬声 器放音。放大器为什么要采用变压器耦合呢？这是因为根据理论分析，为使功率放大器有最 大的不失真功率输出和高的效率，放大器中晶体管集电极回路有一个最佳电阻值，而实际的 负载电阻值并不等于最佳值，所以需要用变压器进行阻抗变换，将实际负载电阻值变换到最 佳值（称为阻抗匹配）。为保证做到这一点，输出变压器初次级圈数之比n应满足下面的关 系：n = N 初级/N 次级=JRfz/Rfz其中Rfz为负载电阻，Rfz为最佳负载电阻。例如，若一功率放大路最佳负载电阻为 375欧，所接扬声器音圈电阻为8欧时，变比n = J375/87,即应选用初次级匝数比为7:1 的输出变压器。类似地，输入变压器将使功率放大器和前级实现阻抗匹配。计算表明，变压器耦合甲类功率放大器的实际效率为30%左右，常用做功率放大器的 推动级。、乙类双管推挽功率放大器利用两只型号相同、主要参数相同的晶体管，采用变压器耦合组成工作在乙类状态的推 挽功率放大器，可以获得高效率、低失真的功率放大。乙类推挽功率放大器电路图如图4- 70所示。电路工作的主要特点是两管交替工作，并 将每管工作时所得半周期输出波形进行合成，完成不失真的放大。由图4- 70可以看出，输 入变压器B1次级和输出变压器B2初级都有中心抽头。B1次级的L1和L2分别接在BG1和 BG2的基椛浼?洌谛藕诺缪?/FONTUsr输入时，两管基一射极间的输入信号ub1 和Ub2大小相等，极性相反。由于两管均未引人基极偏流，两管将分别在Usr的两个半周 期内导通，一管导通，一管截止，相互配合，交替工作/ “推挽放大”的名称由此得来。在 输出端，B2初级的L3和L4分别接在两管集电极和电源负极之间，当两管交替输出的集电 极电流通过时，在变压器次级感应出极性相反的电压，最后正负半周合成为完整的波形。图 4 一 70中所标正负号不加圈者表示Us r,正半周时的情况，加圈者表示负半周的情况。读者 可自行分析每半周时电路的具体工作过程。需要指出，电路工作在乙类状态时，两管基极都未设偏置。由于晶休管输入特性曲线上 存在一段“死区”，在信号正负半周交接的零值附近，出现没有放大输出的情况，反映到负 载上就会出现波形的两半周交界处有不衔接的现象。这种现象叫“交越失真”，参看图4 一 70。推挽放大器如果采用甲乙类放大方式，就可以大大减小交越失真。所以一般的实用电 路，在静态时都要给晶休管加上一定的正向偏压。保证晶休管在信号电压较低时，仍处于良 好导通状态。图4一71是甲乙类推挽功率放大器电路图。电路中，Rb1、Rb2、Re共同组成分压式 电流负反馈偏置电路，同时供给两管正向偏压。推挽功率放大器的效率是比较高的，一般可达50%70%。变压器耦合方式虽然有根多优点，但变压器体积大而且笨重，功率损耗大。此外，变压 器是个电磁元件，通过变压器的信号频率不同，线圈所呈现的阻抗也不同。为了提高低频响 应，电磁要很大，线圈圈数就要很多才行。这势必增大了匝间、岐间分布电容造成高频的损 失，影响整个放大器的频率响应。还有，从变压器输出端引人深度负反馈也容易自激，影响 非线性失真的改善。为克服上述缺点，可采用下面介绍的无变压器功率放大器。四、无变压器的功率放大器1. “OTL “互补对称推挽功率放大器“OTL”是无输出变压器推挽功率放大器的意思。实际OTL电路不仅不使用输出变压 器，而且还去掉了输入变压器。它具有频响宽、失真小、输出功率大，有利小型化，集成化 的优点，在声频放大等方面应用日益广泛。互补对称电路的工作原理可用图4 72来说明。从推挽和波形合成的角度来讲，电路与 变压器耦会推挽放大电路的工作原理是相同的。但这种互补电路利用PNP型晶休管和NPN 型晶体管导电极性相反的特点，将两管分别接成射极输出器的形式;两管在作用上互相补偿， 在连接上互相对称。它不需要专门的倒相电路就可以完成正负半周的放大，并在负载上合成 波形。当信号输人时，在正半周，BG1导通，BG2截止。BG1把正半周放大，发射极信号 电流流过负载电阻Rfz,输出正半周信号电压。在信号负半周到来时，BG2导通，BG1截止， 发射极信号电流同样流过负载电阻Rfz，输出负半周信号电压，这样就在负载Rfz上获得完 整的信号波形。从理论上讲，这种电路需要使用正负两组电源。实用电路一般都采用一组电 源供电。这时要在Rfz和两管发射极间串联一个大容量电解电容器，利用电容器充电后的 直流电压代替一组电源。同时电容器又为交流信号提供了通路。另外，还要给两管的基极加 一定偏置，以避免产生交越失真。图4 73是单电源供电的互补电路。单电源供电的互补电路，信号放大原理与双电源供电原理一样。只是C的作用是代替 一组电源，下面着重谈谈C的作用。当BG1导通、BG2载止时。Ic1流过Rfz,并向C正向充电。忽略BG1集一射间正向 压降和负载上的压降不计时，C两端电压将充到与Ec。相等，在另外半周，BG2导通、BG1 载止时，电源Ec加不到BG2上了，但电容C两端已充好的电压可为BG2供电，使BG正 常工作。这时的Ic2,正是C的放电电流。C的容量一般要有几百微法到几千微法。它的大 小直接影响放大器的低频响应。图4 73中的RB是两管的偏置电阻。当推动管BG静态集 电极电流Ic通过Rb时，Rb两端上正下负的压降使两管基极都获得正向偏置，保证电路工 作在甲乙类放大状态。“另外，因为放大输出是射极输出形式，同时从交流通道来看两管又是并联的，所以输 出电阻很小，可以带低阻抗的负载。声频放大时，输出负载棗扬声器可以直接接入，省去了 输出变压器。综上所述，互补电路革除了输人、输出变压器，为加深度位反馈、改善失真和提高放大 器的性能创造了条件。2.OTL准互补对称推挽功率放大器在要求输出功率大的场合，可以采用复合管代替互补对称管，构成OTL准互补对称推 挽功率放大器。复合管系由两只晶休管采用复合接法构成的高B大功率管,，如图4一74所 示。每只复合管都可看作是一个直接耦合的小放大器，其型属由第一只管子是PNP型还是 NPN型决定。由于复合管的B等于每管电流放大系数之积。我们选择功放中的复会管时， 可以通过搭配，得到特性接近一致的两只管子。这就克服了较大功率的NPN管和NNP管特性难于一致的困难，避免了不对称引起的失真。周4 75是采用复合管的准对称互补功放电路图。图中BG1、BG2组成NPN型复合管， BG3、BG4组成PNP型复合管。二极管口的作用，是利用它在温度升高时正向电阻下降的 特性，实现自动调节偏压的目的。3. “OCL”，互补对称功率放大器“OCL”电路是没有输出电容的互补对称电路。它与OTL电路的区别，是取消了单电 源供电OTL电路中的输出电容C。这就使得OCL放大器在性能方面优于OTL电路在高保 真(HiFi)扩音系统中被广泛采用。如前所述，OTL电路中输出电容的接入是为了代替一组电源，实现单电源供电。但电 容直接影响着放大器频率响应的扩展，带来频率失真。如果采用正负两组电源供电，输出电 容就可以去掉了。OCL互补对称电路如图4?/FONT76 (a)所示。由于电路去掉输出电容，负载(扬声器)直接接在两复合管的集一射极间，构成了全电 路的直接耠合。于是，电路零点漂移问题就突出了。OCL电路的“零点”指的是图4 76 (a)中的A点。A点的直流电位要始终保持为零。 一旦偏离零位，A点通过负载对“地”有了直流电压，内阻很小的负载中就将有很大的直流 电流通过，既威胁扬声器的安全，又破坏了电路的对称平衡。采用差动电路和直流负反馈的办法，可以抑制A点零位的漂移。如图4一76 (b)所示， BG1和BG2组成差动电路。当A点电位偏高时，差动电路自动维持A点零电位的过程如下： A点电UA f Ube2-Ie2 一UR3 一Ube1 一Ic1 UR2 Ube3 Ic3 UR8.9 一 复合管的Ube6.7(fIc6.7ffUce6.7(内阻减小)(UA-。反之，则A点电位上升。 这样就达到A点电位的稳定。图4 76 (a)电路中，C6叫自举升压电容，它能提高正向输出幅度。Re、R5、C3组 成分压式交流负反馈电路，R5越大，负反馈越深。R4、C是差动管的电源滤波电路。C用 以防止咼频自激。无变压器功率放大器中还有采用输人变压器或利用推动管集电极、发射极输出相位相反 来进行倒相的。其工作原理与互补电路大同小异，不再赘述。五、功率放大器对元件的要求功牢放大器通常工作在大电压、大电流的情况下，这就要求放大器的无件要有一定的可靠性和稳定性。电阻器的选用功放级输出电流一般拥比较大。输出管的发射极电阻要选用功率（瓦数）比较大的电阻。 互补对称电路PNP和NPN复。合管的偏置电阻，最好数值相等，误差不能太大。特别是 OCL电路中的电阻器要选用稳定性高的碳膜或金属膜电阻。半可变电阻要质量好，接触牢 靠。OCL、OTL电路中做复合管基极偏置电阻的可调电阻器一旦接触不良，功串管就很容 易因电流剧增而损坏，最好还是调好后用固定电阻代替。电容器的选用声频功放电路中使用最多的是电解电容，要选用漏电小，耐压高的优质电容器。特别是 OCL、OTL电路中使用的电解电容器，重要精选；电路的许多故障往往就出在电容器上。 电解电密器的耐压值必须高于实际的工作电压。3.对晶休管的主要要求功率放大器为了获得较大的输出功率，在输出信号不失真的前题下，”要求功放管的动 态集电极电压和电流有最大的幅度。所以，一般功率管都运用在极限状态。晶体管的主要极 限多数是:集电极最大允许电流ICM，反向击穿电压BVceo,集电极最大允许耗散功率Pcm 等。使用时，这三项参数都不能超过晶休管手册绘出的数值，否则将引起晶体管损坏。在高保真声频放大器中，还要考虑管子的频率特性。因为硅管的截止频率比低频锗管高 得多，一般OCL电路中功率管大都使用硅管。硅管饱和压降大，电源电压应考虑用得高一 止匕二 0工北管工作在极限状态，因此散热措施也很重要。散热片最好使用铜质或铝质的。散热 片表面积大一些好。增加厚度要比增加面积有效。散热片垂直放置比水平放置散热效果好。高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然 后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信 道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功 率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频 电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输 出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放 大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。在“低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、 乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360。适用于小信号低功率放大。乙类放 大器电流的流通角约等于180。；丙类放大器电流的流通角则小于180。乙类和丙类都适用 于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于 丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐 回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正 弦波形，失真很小。除了以上几种按电流流通角来分类的工作状态外，又有使电子器件工作于开关状态的了 类放大和戊类放大。丁类放大器的效率比丙类放大器的还高，理论上可达100%，但它的最 高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗（集电极耗散功率或阳极耗散功率）的限制。 如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小，则工作频率可以提高。 这就是戊类放大器。我们已经知道，在低频放大电路中为了获得足够大的低频输出功率，必须采用低频功率 放大器，而且低频功率放大器也是一种将直流电源提供的能量转换为交流输出的能量转换 器。高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作 频率和相对频带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作 频率低，但相对频带宽度却很宽。例如，自20至20000 Hz，高低频率之比达1000倍。因此 它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。高频功率放大器的工作频率高（由几百kHz 一直到几百、几千甚至几万MHz）,但相对频带很窄。例如，调幅广播电台（535-1605 kHz 的频段范围）的频带宽度为10 kHz，如中心频率取为1000 kHz，则相对频宽只相当于中心 频率的百分之一。中心频率越高，则相对频宽越小。因此，高频功率放大器一般都采用选频 网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率 放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类邙限于推挽电路）状态；高频功率放大器则一般都工作 于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。近年来，宽频带发射机的各中间级还广泛采用一种 新型的宽带高频功率放大器，它不采用选频网络作为负载回路，而是以频率响应很宽的传输 线作负载。这样，它可以在很宽的范围内变换工作频率，而不必重新调谐。综上所述可见，高频功率放大器与低频功率放大器的共同之点是要求输出功率大，效率 高;它们的不同之点则是二者的工作频率与相对频宽不同,因而负载网络和工作状态也不同。六、高频功率放大器高频功率放大器的主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度（或 信号失真度）等。这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一 些指标，兼顾其他一些指标。例如实际中有些电路，防止干扰是主要矛盾，对谐波抑制度要 求较高，而对带宽要求可适当降低等。功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关 系。放大器的工作状态可分为甲类、乙类和丙类等。为了提高放大器的工作效率，它通常工 作在乙类、丙类，即晶体管工作延伸到非线性区域。但这些工作状态下的放大器的输出电流 与输出电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数大，不能 采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；采用推挽电路时可以工作在乙类。高频功 率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类，通过 谐振回路的选频功能，可以滤除放大器集电极电流中的谐波成分，选出基波分量从而基本消 除了非线性失真。所以，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。高频功率放大 器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析 方法一一折线法来分析其工作原理和工作状态。这种分析方法的物理概念清楚，分析工作状 态方便，但计算准确度较低。以上讨论的各类高频功率放大器中，窄带高频功率放大器：用于提供足够强的以载频为 中心的窄带信号功率，或放大窄带已调信号或实现倍频的功能，通常工作于乙类、丙类状态。 宽带高频功率放大器：用于对某些载波信号频率变化范围大得短波，超短波电台的中间各级 放大级，以免对不同fc的繁琐调谐。通常工作于甲类状态。来自电子发烧友网