第五章 功率放大电路

功放电路的特点及其研究对象

互补对称功放电路

甲乙类互补对称电路

变压器功放

集成功放简介

1. 功放电路与普通放大电路的比较

功率放大电路：要求负载得到一定的不失真或失真较小的输出功率；电路工作在大信号状态，研究的问题是提高输出功率和效率。

共同点：都是能量转换电路，把直流能量转换为交 变能量

不同点： 普通放大电路：要求负载得到不失真电压信

号，不要求输出功率；电路工作在小信号状态，研究的问题是电压放大倍数、输入和输出电阻、带宽等。

2. 功放电路研究的主要问题

要求输出功率尽可能大，要求输出电流和电压都大，管子运行在极限状态。电路效率要高：效率是指负载得到的有用信号功率与电源供给的直流功率之比，比值越大效率越高。非线性失真尽可能小：功率与失真是一对矛盾，一般输出功率越大失真越严重。半导体的散热问题：功放电路中很大一部分功率被集电结消耗掉，使结温上升，为充分利用允许的管耗输出足够大的功率，散热非常重要。功放管的保护问题：为输出足够大的功率，管子承受的电压很高，通过的电流很大，管子较容易损坏。

3. 提高功放效率的途径

v

i (mA)

CE

C

Q

iC 甲类：最高效率 50% 在整个周期内 i C>0 （导通角 =2π） 静态工作点是管耗的 主要因素

v

i (mA)

CE

C

Q

iC甲乙类： i C>0 的时间大于 半个周期 （ π<导通角 <2π）

v

i (mA)

CE

CiC乙类： i C>0 的时间约为半个 周期（导通角 =π）

5.1 互补对称功放电路

互补对称式功放 原理 最大输出功率 效率 乙类功放的失真问题

1. 互补对称功放电路构成

T1 、 T2 ： 参数互补对称， 称为互补对称电路

vI=0 时 vO=0+

+

+

+

+

VCC

--

-

-

RL

vCE1

vCE2

-VEE

T1

T2

↓ iC1

↓ iC2

vI vO

+

+

+

+

+

VCC

--

-

-

RL

vCE1

vCE2

-VEE

T1

T2

↓iC1

↓iC2

vI vO

2. 互补对称功放电路工作原理

T1 和 T2 分别组成射极输出器

vI>0 时 T1 导通 T2

截至的等效电路

+

+

+

V CC

-

-

R L

ui

u o

T1

vI

vO

+

+

+

V cc

-

-

R L

ui

u o

T2

vI

vO

vI<0 时 T1 截至 T2

导通的等效电路

-VEE

互补对称功放电路工作原理

VCC = VEE = VCC

vCE

i (mA) C2

vI < 0 时的工作波形Vcem

Icm1/RL

vI > 0 时的工作波形

i (mA)C1

Vcem

Icm

1/RL

输出电压的最大变化范围 :2 Vcem

输出电流的最大变化范围 :2 Icm

3. 互补对称功放电路分析计算

(1) 输出功率 :

L

cemLcm

cemcmcemcm

o

R

VRI

VIVI

P

22

2

1

2

1

2

1

22

如果输入足够大 , 使输出达到最大值 Ｖ CC-VCES , 此时的功率为最大不失真输出功率 Pom

( )L

CC

L

CESCCom R

V

R

VVP

22

2

1≈

-

2

1=

互补对称功放电路分析计算

cmCC

cmCCV

IV

tdtIVP

2

)(sin2

12

0

每个电源只提供半个周期的电流 , 电源提供的平均功率为：

时 t ω V vom osin =

(2) 电源提供的功率

互补对称功放电路分析计算

CC

cem

CC

Lcm

cmCC

Lcm

V

o

V

V

V

RIIV

RI

P

P

44221 2

电路的效率是指输出功率与电源提供的功率之比 :

在输出最大 (Vom ≈ Ｖ CC) 时得到最大输出功率 :

%5.78≈4

=2

/2

==π

π

IVVI

P

Pη cmCCCCcm

V

om

(3) 电路的效率

)4

-(1

)-(2

1sin

2

01

omomCC

L

L

ooCCT

omo

VVV

R

tdR

vvVP

tVv

时

互补对称功放电路分析计算

Vom=0 时管耗为 0

Vom= VCC 时管耗为 :

4

42

1

L

CCT R

VP

(4) 管耗

互补对称功放电路分析计算

乙类互补对称电路输入为 0 时，输出为 0 ，管耗也为 0 ，所以输入较小时管耗较小；但输出信号越大并不意味着管耗也越大。

管耗最大发生在 时0=/1 omT dVdP

此时：CC

CCom V

π

VV 6.0≈

2=

omCC

LT P

V

RP 2.0

12

2

max1

(5) 最大管耗与输出功率的关系

互补对称功放电路分析计算

1.00.78

0.20.14

0 0.6 1.0

1.27

Vom/VCC

L

CC

R

VP

2

2

1/

PV

Po

PT1

PV =Po +2PT1

Po 、 PT1 、 PV 与 Vom 的关系

互补对称功放电路晶体管参数的选择

a. 各晶体管的集电极最大 功耗 PCM>PT1max=0.2Pom

b. V(BR)CEO >2VCC

c. ICM>VCC/RL

(6) 参数选择

+

+

+

+

+

VCC

--

-

-

RL

vCE1

vCE2

-VEE

T1

T2

↓ iC1

↓ iC2

vI vO

4. 乙类功放存在的问题—交越失真

交越失真+

+

+

+

+

VCC

--

-

-

RL

vCE1

vCE2

-VEE

T1

T2

↓ iC1

↓ iC2

vI vO

造成交越失真的原因：静态工作点太低解决办法：为晶体管提供一定的静态工作电流

交越失真

5.2 甲乙类互补对称电路

双电源互补对称电路(OCL)

单电源互补对称电路(OTL)

1. 双电源互补对称电路（ OCL)

(a) 利用二极管提供偏置电压 (b) 利用三极管恒压源提供偏置

参数计算同“乙类互补对称电路

失真情况

集成运放驱动的 OCL 电路

22kΩ

R3

R L

R4 R6

R7

R8

R9R5 R11

R10

T1 T3

T2 T4

D1

D2

D3RLC1

C2

82kΩ

82kΩ

+12 ～ 18V

-12 ～ -18V

10kΩ 22kΩ

10kΩ 240kΩ 0.5kΩ

0.5kΩ240kΩ

22kΩ

8kΩ

实际功放

+

+

+

VCC

-

-

RL

T

T

1

2

D1

D2

R3

R 4

C

R1

R2

vI

vo

VE

2. 单电源互补对称电路（ OTL)

电容 C 的值足够大。静态时 VE = 0.5VCC

vI 正半周时通过 T1 向 C 充电，负半周时由 C 代替电源为 T2

提供能量

例题 1

+

+

+

VCC

- -

RLv I

EE

vo

-V

T

T

1

2

(1) Vi =10V( 有效值 ) 时 , 电路的输出功率 , 管耗 , 直流电源提供的功率和电路的效率 .

(2) Vim =20V( 幅值 ) 时 , 电路的输出功率 , 管耗 , 直流电源提供的功率和电路的效率

设图示电路电源电压 VCC=VEE=20V,负载 RL=8, 并假定射极输出器的放大倍数为 1,管子导通时发射结的压降可忽略不计 , 试计算 :

例题 1

解 : (1)

WR

VP

L

omO 5.12

8

10

2

1 22

Wπ

V

π

VV

RP omomCC

LT

01.5=)4

)10×2(-

10×2×20(

8

1=

)4

-(1

=

2

2

1

WPP TT 02.102 1

WR

VVIVP

L

omCCcmCCV 52.22

22

%51.5552.22

5.12

V

o

P

P

例题 1

WR

VP

L

omO 25

8

20

2

1

2

1 22

Wπ

V

π

VV

RP omomCC

LT

4236.3=)4

20-

20×20(

8

1=

)4

-(1

=

2

2

1

WPP TT 8472.62 1

WR

VVIVP

L

omCCcmCCV 8473.31

22

%5.788473.31

25

V

o

P

P

(2)

5.3 变压器功放

过流区

过压区

Q

过损区

对甲类功放：

变压器功放

变压器功放

T

R1.

R2.

.

TRANS1

C1

.

RL.

VCC

阻抗变换 最佳负载

变压器推挽功放

T1

.

T2

.

.

TRANS5

.

TRANS4

Rb.

RL.

VCC

5.4 集成功率放大电路

集成功率放大器广泛用于音响、电视和小电机的驱动方面。集成功放是在集成运算放大器的电压互补输出级后，加入互补功率输出级而构成的。大多数集成功率放大器实际上也就是一个具有直接耦合特点的运算放大器。它的使用方法原则上与集成运算放大器相同。

集成功放使用时不能超过规定的极限参数，极限参数主要有功耗和最大允许电源电压。集成功放要加有足够大的散热器，保证在额定功耗下温度不超过允许值。集成功放一般允许加上较高的工作电压，但许多集成功放可以在低电压下工作，适用于无交流供电的场合，此时集成功放电源电流较大，非线性失真也较大。

通用型集成功放 FX0021

通用型集功运 FX0021 电路原理如图 R1

180

R2180

T1

T2

T4

T3

R3140

R4 2K

R6

R5

3000pF

+V

-V GND ISC-

ISC+

管壳

输出

T1 、 R5 和 T2 、 R6分别组成保护电路

运放起放大作用

T3 、 T4 为功率管，组成互补对称输出

集成功放 TDA2030A 应用

TDA2030A

R122K

R21K

R3

22K

R410

C1

C2100U

C?0.1U

+Vcc

-Vcc RL

WPR

WPR

VV

omL

omL

CC

224

158

18