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第八章 功率放大电路 8.1 功率放大电路的一般问题 8.3 乙类互补对称功率放大电路 8.4 甲乙类互补对称功率放大电路 8.5 集成功率放大器 甲乙类双电源互补对称电路 甲乙类单电源互补对称电路 8.2 甲类放大 多级放大电路 + Vo RL Io R s I i + V s + V i V i1 + V o1 + 放大电路 V i2 + V o2 + 放大电路 V i3 + V o3 + 放大电路 R o1 + R i1 A V O 1 V i1 V i2 + R o2 V o2 + + R i2 A V O 2 V i2 R o3 + R i3 A V O 3 V i3 输入级 Ri 中间放大级 AV 输出级 Ro 共集、共射 共射、共基 共集 第 5章 场效应管 第 6.2节 差分放大电路 2个信号 相减 第 8章 功率放大电路 直接耦合 零漂 Ri RL特别小 第 6.1节 电流源 第 6章 集成运算放大器 性能 改善 第 7章 反馈技术、方法 第 8、 9、 10章 运算放大器应用 各种功能电路 例： 扩音系统 功率放大器的作用： 电子设备通常由多级放大器组成，而最 后一级总是要推动一定的负载，功率放大器就是 用作放大电 路的 输出级 ，以 驱动 执行机构。如使扬声器发声、继电器动 作、 仪表指针偏转等。 概述 功 率 放 大 电 压 放 大 信 号 提 取 例 2： 温度控制 R1-R3:标准电阻 Ua : 基准电压 Rt :热敏电阻 A：电压放大器 Rt T UO 室温 T 温度调节 过程 Ub UO1 R1 a R2 uo Usc + R3 Rt 功 放 b 温控室 A + - u o1 加 热 元 件 功率放大电路构成的耳聋助听器电路 该图是用功率放大电路 XG2822构成的耳聋助听器电路。 适用 于各种耳聋程度不同的患者。 功率放大电路构成的汽车倒车报警电路 该图是用功放电路 LM386构成的汽车倒车报警电路。 以上是功率放大电路在 2个方面的应用， 由于功率放大电路可以提供足够的 输出电 压和电流 以驱动输出执行机构，通过输出 执行机构把电能转换为其他形式的能，故 还可用来驱动记录仪、阴极射线管 （ CRT）、继电器、伺服电机等，用途相 当广泛。 8.1 功率放大电路的一般问题 1. 定义 是一种以输出较大功率为目的的放大电路，因此， 要求同时输出 较大的电压和电流。 管子工作在接近 极限 状态。一般直接驱动负 载，带载能力要强。特殊工作场合：负载 RL特别小 2. 几个特殊问题 (1) 性能指标 (2) 大信号（极限）状态 (3) 如何提高输出功率 8.1 功率放大电路的一般问题 2. 几个特殊问题 (1) 性能指标 输出功率 22= omom ooo IVIVP L 2 om L 2 om L 2 o o 2 )2/( R V R V R VP 或： 效率 To o V o = PP P P P (2) 大信号（极限）状态 功放管的安全问题 （ ICM、 PCM、 V(BR)CEO ） 分析方法：大信号模型 、 图解法 （ 求 Vom ） (3) 如何提高输出功率 最大输出功率 Pomax =? 忽略输入功率 所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流 功率的比值。这个值越大，意味着效率越高。 8.1 功率放大电路的一般问题 2. 几个特殊问题 (3) 如何提高输出功率 22= omom ooo IVIVP TVo = PPP Vom、 Iom Po 电源功率 PV一定时 : PT Po （ 即提高效率 ） ICM、 PCM、 V(BR)CEO 安全区域限制 要求最佳负载 Q下移 PT 效率 但非线性失真严重 功放电路中电流、电压都比较大，必须注意电路参数不能 超过晶体管的极限值 : ICM 、 V（ BR） CEM 、 PCM 。 ICM PCM VCEM Ic vce 注意： 电流、电压信号比较大，必须注意防止 波形失真。 在功放电路中，有相当大的功耗在管子的集电结上，使 结温和管壳温度升高，因此也必须注意放大器件的 散热 问题。 另外，在功放电路中，功率管损坏的可能性也较大，所 以要注意 保护功率管。 3. 要解决的问题 提高效率 减小失真 管子的保护 4. 三种工作状态 三极管根据正弦信号整 个周期内的导通情况 ， 可 分为几个工作状态： 乙类： 导通角等于 180 甲类： 一个周期内均导通 甲乙类： 导通角大于 180 丙类： 导通角小于 180 # 功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别吗？ 射极输出器的输 出电阻低，带负载能 力强，但做功放不适 合。为什么 ？ 解释如 下： 问题讨论 Rb vo VCC vi ib RE 射极输出器能否做 功率放大 ？ 8.2 甲类放大 Rb vo VCC vi RE 射极输出器效率的估算： (设 RL=RE) vo t vo ib Q ic vce V CC E CC R V 若忽略晶体管的饱和 压降和截止区，输出 信号 vo的峰值最大只 能为： v o的取 值范围 Q Ic vCE VCC E CC R V 直流负 载线 交流负 载线 VCEQ = 0.5VCC 静态工作点： L CC E CC CQ R V R V I 5.0 5.0 CCo VV 5.0m a x 为得到较大的输出信号，假设将射极输出器的静 态工作点（ Q）设置在负载线的中部，令信号波形正 负半周均不失真 ，如下图所示。 三极管的静态功耗： 若 CCC E Q VV 2 1 的功耗相等则三极管和负载电阻 LR CQC E QT IVP CQCCRLT IVPP 2 1 动态功耗 （当输入信号 Vi时） 放大电路向电阻性负载提供的 输出功率 在输出特性曲线上，正 好是三角形 ABQ的面积，这 一三角形称为 功率三角形 。 要想 PO大，就要使功率三角形的面积大，即必须使 Vom 和 Iom 都要大。 最大输出功率 CQCCm IVP )2 1( 2 1 0 omom omom om 2 1 22 IVIVP 电源提供的功率 CQCCCmCQCCCCCV IVtdtIIVtdiVP )s i n( 2 1)( 2 1 2 0 2 0 此电路的最高效率 25.00 V m P P 甲类功率放大器存在的缺点： 输出功率小 静态功率大，效率低，但失真小 iv 甲类单管功率放大电路及相关波形 在该电路中， C1为输入交流耦合电容， T为输出变压器，其 一次绕组串接在 VT1的集电极回路中，作为 VT1的集电极负载， 二次侧直接驱动扬声器 BL， BL是一种 低阻抗 的发声元件，采 用变压器可以起到阻抗变换作用，可以使负载获得较大的功率。 电路中的 VT1管通过 R1与 R2分 压得到基极偏置电压，通过 T一 次绕组 n1得到了集电极电压。 但该电路无论有无输入信号 ui， VT1始终处于导通状态，静态电 流比较大，也就是 VT1的集电极 损耗较大，效率较低，约为 35% 左右。 由于 VT1的导通与输入信号无关，故称这种工作状态为 甲类工 作状态 ，通常多应用在 功率较小 的场合。 其输入耦合方式也 可以是 变压器耦合方式 。 如何解决效率低的问题？ 办法： 降低 Q点。 既降低 Q点又不会引起截止失真的办法： 采用 推挽输出电路， 或 互补对称射极输 出器。 缺点： 但又会引起截止失真。 上图所示是一种较典型的 乙类推挽功率放大电路 及其相关波形。 该电路的工作电源 UCC连接在输出变压器 T2一次的中间抽头处， 通过 2组绕组加到 2个管子 VT1与 VT2的集电极上。输入信号 ui 通过输入变压器 T1耦合，由其二次侧的两级绕组加到 VT1与 VT2的基极。 乙类功率放大电路 电路是由 2个特性基本相同的三 极管 VT1与 VT2组成了 对称 放大 电路 ， 当无信号输入时 （ 即 ui=0） ， VT1与 VT2均处于 截止 状态 ， 静态工作电流近于零 ， 当 有信号输入时 ， 才会有管子 导通 。 以输入信号 ui为正弦波为例 ， 其工作情况如下 。 （ 1） 负半周： 当输入的正弦波信号为正半周时 ， VT1导通 、 VT2截止 。 （ 2）负半周： 当输入的正弦波 信号为负半周时， VT2导通、 VT1截止。 这样， VT1与 VT2交替导通时产 生的电流在输出变压器 T2中合成 后，就可在负载上获得纯正的正 弦波。 由此可见， VT1与 VT2只有在输入信号的作用 下才会导通，通常将这种状态称为 乙类 工作状 态，又由于 VT1与 VT2是交替工作的，故称这 种形式为 推挽方式。 主要特点 乙类推挽放大电路的输出功率较大，失 真较小，效率较高（通常可达到 60%左 右），故在一些低功耗的场合应用较多， 但由于其需要配置输入、输出变压器，故 成本较高 。 互补对称功放的类型 无输出变压器形式 （ OTL电路） 无输出电容形式 （ OCL电路） OTL: Output TransformerLess OCL: Output CapacitorLess 互补对称： 电路中采用两支晶体管， NPN、 PNP各一支；两管特性一致。 类型： 8.3 乙类双电源互补对称功率放大电路 1. 电路组成 由一对 NPN、 PNP特性相同 的互补三极管组成，采用正、负 双电源供电。这种电路也称为 OCL互补功率放大电路 。 (1) 互补： vi = 0 vBE1 = vBE2 = 0 T1 ,T2截止 iO = 0, vO = 0 vi 0 vBE1 = vBE2 0 T1导通 ,T2截止 iO = iE1, vO 0 vi 0 vBE1 = vBE2 0 T1截止 ,T2导通 iO = iE2, vO 0V T1导通， T2截止 iL= ic1 ; vi -VCC T1 T2 vo +Vcc RL iL iL=ic2 注意： T1、 T2两个晶体管都只在半个周期内工作。 ui -VCC T1 T2 vo +VCC RL iL 输入输出波形图 vi vo vo vo 交越失真 死区电压 由于没有直流偏置，功率管的 iB必须在 |vBE|大于门坎电 压时，才有显著变化。当输入信号低于这个值时， T1T2都 截止，会出现一段死区。这种现象称为 交越失真。 ui -VCC T1 T2 vo +VCC RL iL (1) 静态电流 ICQ、 IBQ等于零； (2) 每管导通时间为半个周期 ； (3) 存在交越失真。 特点： 2. 分析计算 CCC E SCCo m m a x = VVVV (1) 图解分析 （ 求 Vom） 输出功率 L 2 om L omom ooo 222= R V R VVIVP 最大不失真输出功率 L 2 CC L 2 C E SCC om ax 22 )( R V R VVP 效率 T1o o To o V o 2= PP P PP P P P 8.3.2 分析计算 单个管子在半个周期内的管耗 )(d )(2 1= 0 L o oCCT1 tR vvVP （ 2）管耗 PT 两管管耗 )d( s i n)s i n(2 1 0 L om omCC tR tVtVV )d( )s i ns i n(2 1 0 2 L 2 om L omCC tt R Vt R VV )4(1 2 omomCC L VVV R T2T1T = PPP )4(2 2 omomCC L VVV R 最大管耗与最大输出功率的关系 omT 1 m 2.0 PP 选管依据之一 8.3.2 分析计算 （ 3）电源供给的功率 PV ToV = PPP L omCC2 R VV 当 时， CCom VV 2 L 2 CC Vm R VP （ 4）效率 CC om V o 4= V V P P 当 时， CCom VV % 7 8 . 5 4 8.3.3 功率与输出幅度的关系 1. PCM PT1max =0.2PoM 2 CCC E OBR VV 2)( L 2 CC oM R2 VP 3、 L CC CM R VI 8.3.3 功率 BJT的选择 4. 功率 BJT的选择（安全问题） 因为 )4(1 2 omomCC L T1 VVV RP 当 0.6VCC 时具有最大管耗 CCom 2 VV 0.2Pom L 2 CC 2 L 2 CC 2T 1 m a x 2 2 1 R V R VP 最大 管耗 PCM 要考虑 3个极限参数： PCM、 ICM、 V(BR)CEO 集电极最大电流 ICM 最大管压降 V(BR)CEO 0)42(1 omCC Lom T1 VV RdV dP令：
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