第七章功率放大電路PowerAmplifiers本章內容1.功率放大電路的特點和分類2.乙類互補推挽功率放大電路3.交越失真本章要求1. 掌握功率放大器的分類及主要參數；2. 了解功率放大電路的靜態工作點與輸出功率、效率、非線性失真之間的關系；3. 掌握乙類互補對稱功率放大電路的工作原理、主要參數計算、安全工作條件分析；4. 了解克服交越失真的偏置電路；功率放大電路的特點和分類DefinitionsandAmplifierTypes1.1功率放大電路概述1.2對功率放大電路的要求1.3功率放大電路的主要指標參數1.4功率放大器提高效率的主要途徑1.1功率放大電路概述◆什么是功率放大器？ 在電子系統中，模擬信號被放大后，往往要去推動一個實際的負載。如使揚聲器發聲、繼電器動作、儀表指針偏轉等。推動一個實際負載需要的功率很大。能輸出較大功率的放大器稱為功率放大器。

功率放大器實質上是一種高效的能量變換和控制電路。1.1功率放大電路概述執行機構功率放大電壓放大信號提取例1擴音系統1.1功率放大電路概述功率放大電路與電壓放大電路的異同：相同點：均在輸入信號作用下，將直流電源的直流功率轉換為輸出信號功率。不同點：性能要求和運用特性不同。(1)功放電路中電流、電壓要求都比較大，必須注意電路參數不能超過晶體管的極限值:ICM

、UCEM

、

PCM

。ICMPCMUCEMIcuce1.1功率放大電路概述(2)電流、電壓信號比較大，必須注意防止波形失真。(3)電源提供的能量盡可能地轉換給負載，以減少晶體管及線路上的損失。即注意提高電路的效率（）。Pomax

:負載上得到的交流信號功率。PD：電源提供的直流功率。1.1功率放大電路概述(4)要考慮半導體三極管的散熱問題。(5)在分析方法上，由于晶體管處于大信號下工作，故通常采用圖解法。1.2對功率放大電路的要求1.安全:輸出功率大，管子大信號極限條件下運用。

2.高效率:最大限度輸出有用功率，減小功耗。輸出功率越大，相應的動態電壓電流越大，器件非線性特性引起的非線性失真也越大。除采用反饋技術外，還必須限制輸出功率。3.失真小:1.3功率放大電路的主要指標參數最大輸出功率電源輸出功率管耗效率1.4功率放大器提高效率的主要途徑減小管耗PC是提高效率的主要途徑。假設集電極瞬時電流和電壓分別為ic(t)

和uce(t)，則

PC為途徑1：減小管子在信號周期內的導通時間，即增大ic(t)＝0

或uce(t)＝0

的時間。晶體管工作方式由甲類(A-class)→甲乙類(AB-class)→乙類(B-class)→丙類(C-class)轉化。1.4功率放大器提高效率的主要途徑甲類：功率管在一個周期內導通

(如小信號放大)。

乙類：功率管僅在半個周期內導通(如射隨器“互補”工作)

。

甲乙類：管子在大于半個周期小于一個周期內導通(交越失真)。丙類：功率管小于半個周期內導通。甲類乙類甲乙類丙類1.4功率放大器提高效率的主要途徑途徑2：使管子運用在開關狀態(丁類(D-class))；它利用晶體管的高速開關特性和低的飽和壓降的特點，其效率很高，理論上可達100%，實際可達90%。為提高集電極效率，管子的運用狀態從甲類向乙類、丙類或開關工作的丁類轉變。但隨著效率的提高，集電極電流波形失真嚴重，為實現不失真放大，在電路中需采取特定措施。2.乙類互補推挽功率放大電路2.1OCL電路2.2OTL電路ClassBComplementarySymmetryPush-PullAmplifier乙類互補推挽功率放大電路

乙類工作時，為了在負載上合成完整的正弦波，一般采用兩管輪流導通的推挽(Push-Pull)

電路。(1)實現方案一——變壓器耦合乙類推挽功放乙類互補推挽功率放大電路(2)實現方案二——乙類互補對稱式功放2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路（1）電路特點（2）工作原理(忽略射結壓降)vi(t)＞0

時，T1

管(NPN型)

導通，T2管(PNP型)

截止，ic1(≈ie1)

為正半周的半個正弦波；vi(t)＜0

時，T2

管導通，T1

管截止，ic2(≈ie2)為處于負半周的半個正弦波。通過RL

的電流，合成完整的正弦波。

2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路（3）互補對稱式功率放大器的性能分析①靜態分析工作在乙類工作狀態2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路vi(t)負半周，T2導通，負載線是自Q2

點出發的直線，斜率為雖然集電極電流是半個正弦波，但集射極交流電壓是完整正弦波。

vi(t)

正半周，T1導通，負載線是自Q1

點出發的直線，斜率為②動態分析2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路③性能分析(忽略失真)①一般性能分析在0≤ωt≤

時，≤ωt≤2

時，ic1=0ic2=Icmsinωt

通過

RL的電流：電流2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路相應的集射極間電壓：電壓UCE1=VCC–Ucemsin(ωt)UCE2=-VCC+Ucemsin(ωt)RL端的電壓：uL=RLIcmsin(ωt)=Ucemsin(ωt)2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路功率在RL

上輸出的功率：PL=Po

=UcemIcm/2=I2cmRL/2正、負電源輸出的總直流功率:2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路令UCES=0，ICEO=0，則Ucem=VCC，Icm=VCC/RL②若充分激勵（理想情況）相應輸出功率Po和電源輸出功率PD

達到最大，即比甲類高

效率2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路③若激勵不足（實際情況）Ucem減小，引入電源電壓利用系數，表示Ucem的減小程度。

效率定義：ξ=

Ucem/VCC2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路兩管集電極管耗:分析：當輸入激勵由大減小，即減小時，Po、PD、η均單調減小，而PC1

和PC2

的變化非單調。 其值為:時最大，2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路由增大VCC，減小

RL，且輸入充分激勵，輸出功率將增大，但最后受到下列安全工作條件的限制：（4）管安全2.1OCL（OutputCapacitor-less）電路2.2OTL（OutputTransformer-less）電路①

單電源供電；

③

負載串接大容量隔直電容CL。VCC與兩管串接，若兩管特性配對。②輸入信號直流偏置VI

=VCC/2

（1）電路特點2.2OTL（OutputTransformer-less）電路（2）工作原理該電路一般要求C的容量較大，因而電路的低頻特性差。

輸入電壓的正半周：＋VCC→T1→C→RL→地

C充電。輸入電壓的負半周：

C

的“＋”→T2→地→RL→C“－”C放電。單電源供電電路等效為VCC/2和VCC/2的雙電源供電電路。

總結：互補對稱功放的類型總結：互補對稱功放的類型雙電源電路OCL電路單電源電路OTL電路3.實際問題3.1準互補推挽電路3.2交越失真AmplifierDistortion3.2功放的保護電路與激勵電路互補對稱推挽電路要求兩只功率管特性配對，難以實現。

2.解決辦法采用復合管取代互補管，構成準互補推挽電路。

3.1準互補推挽電路1.問題的提出3.1.1復合管結構兩個晶體管構成復合結構，可增強晶體管的驅動能力和輸入電阻晶體管的類型由復合管中的第一支管子決定。3.3.1復合管結構

其中，T1、T3

為小功率管，它們之間是互補的，T2、T4

為大功率管，它們是同型，便于特性配對，故稱為準互補推挽電路。R1，R2(幾百)——減小復合管的反向飽和電流。

3.3.2準互補推挽電路復合管T1、T2

等效為NPN型管，

復合管T3(PNP型)

與T4

等效為PNP型管

3.2功放的保護電路與激勵電路

實際中，往往會發生異常情況。例如，負載短路，致使通過功率管的電流迅速增大，一旦超過極限參數，造成管子損壞。因此大功率功放，應設有:過流，過壓、過熱保護電路。4.6.1.過流保護電路

(1)保護電路T1、T2

為保護管，R1、R2

為過流取樣電阻。

(2)保護原理

以保護管T1為例

正常時，VR1＜VBE1(on)，T1

截止，不起保護作用。異常時，VR1＞VBE1(on)，T1導通，分流T3

管的輸入激勵電流，限制T3管的輸出電流，起到了限流保護作用。T2

對T4

的限流保護作用同上。

若要求功率管充分利用，輸出最大信號功率，則RL

上的信號電壓振幅達到接近電源電壓(單電源時，接近VCC/2)。為此，要求輸入激勵級為互補功率管提供振幅接近電源電壓的推動電壓。原因： 互補推挽功率放大器中的功率管接成射極跟隨器，電壓增益小于1。3.2輸入激勵電路電路

T3—輸入激勵級

R—T3的負載影響輸出信號電壓振幅的因素

交流負載r≈R∥ri＜R，則交流負載線Ⅱ所示，T3

管的最大輸出信號電壓振幅受到截止失真的限制，其值小于VCC/2。

若使r＞R，則交流負載線Ⅲ所示，輸出信號電壓振幅不受截止失真限制，可接近VCC/2。

改進電路(1)電流源構成有源負載放大器，直流電阻小，交流電阻大。(2)采用自舉電路

將R1R2

取代R

，接入大容量電容C2。作用：對交流近似短路，交流電位由O

經

C2

自舉到C

點，即vC

vO。原理：由于互補輸出級的電壓增益接近于1，因而vB

vO

vC，通過R2的交流電流i0，因而從B點向虛線框看進去的交流電阻(vB/i)很大，趨于無窮，T3

的交流負載電阻便近似等于T1(或T2)

電路的輸入電阻。3.3.1交越失真現象在零偏置情況下，考慮到導通電壓的影響，輸出電壓波形在銜接處出現嚴重失真，稱交越失真。交越失真uitOuotO3.3.2克服交越失真的基本途徑在輸入端為兩管加合適的正偏電壓，使其工作在甲乙類。

由傳輸特性圖可見：只要VBB

取值合適，上下兩路傳輸特性起始段的彎曲部分就可相互補償，合成傳輸特性趨近于直線，在輸入正弦電壓激勵下，得到不失真的輸出電壓。①二極管偏置電路

②VBE倍增電路由于二極管的正向交流結電阻很小，可認為交流短路，因此偏置電路不影響輸入信號vi(t)

的傳輸。

3.2克服交越失真的基本途徑(1)電路

直流：由T3、R1、R2

組成，且由電流源

IR

激勵，為互補功率管T1、T2

提供偏置電壓VBB。交流：T3、R1

構成電壓負反饋電路，反饋電路的電阻很小，幾乎不影響輸入信號的傳輸。2.VBE倍增電路則：VBE3=VTln(IE3/IS)VTln(IR/IS)若T3

管的足夠大，基極電流IB3

可忽略，則VBE3又是VBB通過R1在R2上的分壓值，即偏置電路提供的偏置電壓VBB是VBE3的倍增值，且其值受R1和R2

控制，故稱為VBE倍增電路。(2)倍增原理I1<<IC3，且T1

和T2管的靜態基極電流又可忽略

在圖示電路中，已