第七章功率放大电路

第 5 章功率放大器及其应用第 5 章功率放大器及其应用

第七章功率放大电路

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7.1 功率放大器的特点与任务

7.2 常见的几种功率放大器

7.3 功率放大器的应用


7.1.1 功率放大器的特点

1. 输出功率足够大

为获得足够大的输出功率，功放管的电压和电流变化范围应很大。

2. 效率要高

功率放大器的效率是指负载上得到的信号功率与电源供给的直流功率之比。

3. 非线性失真要小

功率放大器是在大信号状态下工作，电压、电流摆动幅度很大，极易超出管子特性曲线的线性范围而进入非线性区，造成输出波形的非线性失真，因此，功率放大器比小信号的电压放大器的非线性失真问题严重。


7.1.2 功率放大器的分类

功率放大器通常是根据功放管工作点选择的不同来进行分类的，分为甲类放大、乙类放大和甲乙类放大等形式。当静态工作点 Q 设在负载线线性段的中点、在整个信号周期内都有电流 iC 通过时，称为甲类放大状态，其波形如图 7.1.1(a) 所示。若将静态工作点 Q 设在截止点，则 iC 仅在半个信号周期内通过，其输出波形被削掉一半，如图 7.1.1(b) 所示，称为乙类放大状态。若将静态工作点设在线性区的下部靠近截止点处，则其 iC 的流通时间为多半个信号周期，输出波形被削掉少一半，如图 7.1.1(c) 所示，称为甲乙类放大状态。


图 7.1.1


7.2 常见的几种放大器 7.2.1 单管功率放大器

图 7.2.1(a) 所示为变压器耦合单管功率放大器的典型电路。它的输入端和前级之间用一个输入变压器耦合，而输出端和负载之间用一个输出变压器耦合。变压器既起隔直流、通交流的作用，又起阻抗变换的作用。利用输出变压器耦合进行阻抗变换，将接在变压器副边的负载电阻 RL 变换（折算）到变压器原边，可得出其等效交流电阻 R′L 为

LLL RKRN

NR 22

2

1 )(


图 7.2.1


式中， k=N1/N2 为变压器的变比。由此式可知，只要适当选择输出变压器的变比，就可以得到合适的 R′L 阻值，从而在负载上获得较大的输出功率。常用的一些负载如扬声器、电动机、电磁继电器等线圈的电阻仅为几欧至十几欧，若将其不经变换而直接接入集电极电路，是不能得到足够功率的，因而一般须进行阻抗变换。

例 7.2.1 设图 7.2.1 （ a ）中负载 RL 为 8Ω 的扬声器，集电极电流交流分量的有效值 Ic =10 mA ，输出功率 Po=20 mW

。试求输出变压器的变比。若扬声器直接接入集电极电路中，可得到多大功率？


若扬声器直接接入集电极电路中，得到的功率为

Po=

可见，扬声器直接接入集电极，由于其本身阻抗太小，其获得的功率很小。

图 7.2.1 （ a ）中，输入变压器的作用也是耦合和阻抗变换，而电容 Cb 、 Ce 为交流旁路电容。

下面对电路的输出功率及效率进行分析估算。

mWRI LC 8.08)1010( 232


1. 最大不失真输出功率 Pom

功放电路的最大不失真输出功率，是指在正弦信号输入下，失真不超过额定要求时，电路输出的最大信号功率，用放大电路的最大输出电压有效值和最大输出电流有效值的乘积来表示，或用最大输出电压幅值和最大输出电流幅值乘积的一半来表示静态时，考虑到输出变压器原边的电阻很小，发射极电阻 Re 也很小，均可忽略，则晶体管的直流负载线应是一条与横轴交于 UCE=UCC 点、几乎与横轴垂直的直线，如图 7.2.1(b) 所示。静态工作点 Q 的位置以输出功率的要求而定，可以通过调整 Rb1 、 Rb2 的分压比来改变偏流 IBQ

，从而定出 ICQ 及 UCEQ 。


为了获得尽可能大的输出功率，可将 Q 点提高到靠近 PC

M （集电极最大允许耗散功率）线附近。

动态时，交流等效电阻为 R′L(RL ），故交流负载线是一条通过静态工作点 Q 、斜率为 -1/R′L 的直线，其斜率取值多少应以输出功率既最大又不失真为最佳，此时的 R′L 称为最佳负载电阻。为此，其静态工作点的位置必须处于交流负载线的中点，即工作于甲类放大状态。

只有这样，输出电压、电流才能在线性放大区有最大振幅，才能输出最大不失真功率。理想情况下，略管子的饱和压降UCES 、穿透电流 ICEO 并使管子尽限运用时，其最大集电极—发射极交流电压幅值 UCEM 约等于 UCC ，其最大集电极交流电流幅值 ICM 约等于 ICQ ，交流负载线是与横轴交于 2UCC 、与纵轴交于 2ICQ 的斜线，如图 7.2.1(b) 所示


此时的输出功率最大。在这样条件下，根据交流负载线的斜率可得出交流等效电阻

R′L=

在图 7.2.1 （ b ）中，最大输出电压有效值为 UCEM

=

，最大输出电流有效值为 ICM/ ，故其最大不失真输出功率为

CQ

CC

I

U

2/

2/CQI 2/2 CQI

这就是变压器耦合甲类功率放大器的最大不失真输出功率Pom 的表达式，显然， Pom 为图中三角形 ABQ 的面积。


2. 效率 η

前已指出，功率放大器的效率是指负载得到的信号功率 Po

和电源供给的功率 PU 之比，即

U

O

P

P

式中， PU 为直流电源提供的功率

功率放大器工作在甲类状态时，其电源供给的功率 PU 与输出信号电流 iC 无关，仅与电源电压 UCC 及静态电流 ICQ 有关。也就是说，无论有无信号输入输出，电源供给的功率是固定不变的。由此也可得出，这类功放电路的输出功率越大，电路的效率就越高。当电路输出最大不失真功率时，效率最高，其值为


此式说明，甲类功率放大器的最高效率为 50% 。应该说明，这个数值只是个理想效率。在实际电路中，由于存在变压器损耗、管子饱和压降及 Re 上压降等原因，实际效率还要低些。比如，设变压器的效率为 ηT （小型变压器的 ηT 一般为 0.75~0.85 ），则放大器最大输出功率时的总效率应为 3. 管耗 PT 功放电路的管耗 PT 主要是功放管消耗的功率，发生在集电结上，是集电极耗散功率。


7.2.2 推挽功率放大器

对于前述单管功率放大器，当其工作于甲类状态时，即使是最理想情况，其效率也只有 50% 。这个数值在以功率输出为主的功放电路中是不理想的。在甲类放大电路中，静态电流 I

CQ 是造成管耗高、效率低的主要原因。降低静态电流，使管子工作于乙类状态，可以减少管耗、提高效率，但这样会使输出波形被削掉一半，出现严重失真。若采用工作于乙类或甲乙类的推挽功率放大器，既可提高放大电路的效率，同时又能减少信号的波形失真。


综上所述，变压器耦合功率放大器可以较好地解决负载与放大器输出级的阻抗匹配问题。单管甲类功放电路效率低，适用于小功率输出，或作为大功率放大器的推动级。乙类（或甲乙类）推挽电路效率较高，可用于较大功率输出。但是，由于变压器体积大、有损耗、频率特性差、不易集成化等，使得变压器耦合功率放大器难以进一步提高质量。因此，采用无输出变压器功率放大器已成为近年来功率放大器发展的一个方向。


7.2.3 互补对称功率放大器一、乙类基本互补对称功率放大器

1. 电路原理

基本的互补对称功率放大器电路如图 7.2.2 所示。图中 V

1 、 V2 是两个特性一致的 NPN 型和 PNP 型三极管。两管

基极连接输入信号，发射极连接负载 RL 。两管均工作在乙类状态。这个电路可以看成是由两个工作于乙类状态的射极输出器所组成。

无信号时，因 V1 、 V2 特性一致及电路对称，因而发射极电压 UE=0 ， RL 中无静态电流。又由于管子工作于乙类状态， IBQ=0 ， ICQ=0 ，故电路中无静态损耗。


有正弦信号 ui 输入时，两管轮流工作。正半周时， V1 因

发射结正偏而导通，在负载 RL 上输出电流 ic2 ，如图中实线所

示， V2 因发射结反偏而截止。同理，在负半周时， V2 因发射结正偏而导通，在负载 RL 上输出电流 ic2 ，如图中虚线所示， V1 因发射结反偏而截止。这样，在信号 ui 的一个周期内，

电流 ic1 和 ic2 以正、反两个不同的方向交替流过负载电阻 RL ，

在 RL 上合成为一个完整的略有点交越失真的正弦波信号。

由此可见，在输入电压作用下，互补对称电路利用了两个不同类型晶体管发射结偏置的极性正好相反的特点，自行完成了反相作用，使两管交替导通和截止。


此外，互补对称电路联成射极输出方式，具有输入电阻高、输出电阻低的特点，低阻负载可以直接接在放大电路的输出端。

2. 最大输出功率、效率及管耗估算

上述乙类互补对称电路的工作情况与变压器耦合乙类推挽电路的工作情况是相对应的，所不同的只是前者负载直接接在了发射极，而后者是经变压器变换后折算到功放管的输出回路中。


L

CCCMCEMom R

UIUp

2

2

1

2

1

直流电源

cmCCU IUP2

在放大器输出最大功率时，忽略管子饱和压降， Icm=ICM=

UCC/RL ，电源给出最大功率，为

cmL

CCCCU IR

UUp

2

电路在最大输出功率时的效率为

%5.784

Um

omm p

p


最大管耗与最大输出功率之间即

omom

L

CCVm pP

R

Up 4.0

4

2

42

2

2

例 7.2.1 在图 7.2.2 所示乙类互补对称功放电路中，设 UCC

=12V ， RL=8 Ω ， { 试求： }

(1) 当输入信号足够大，使集电极电压能够充分运用时的Pom 、 PUm 、 ηm 、 PV ；

(2) 当输入信号电压有效值为 4V 时的 Po 、 PU 、 η 、 PV;


(3) 若三极管饱和压降 UCES=1V ，不可忽略，再计算（ 1

）问中各量。

解（ 1 ）输入信号足够大时，忽略管子饱和压降，输出电压幅值约等于电源电压，可输出最大功率。最大输出功率为

Pom= WR

U

L

CC 982

12

2

22

此时的效率为

%8.3644.5

2

U

O

P

P


WppP omUmv 5.295.11

双管总管耗为

PV=PUm-Pom= 11.5 - 9 = 2.5 W

(2 ）若输入电压有效值为 4V ，即其幅值为 Uim

考虑到射极输出器的输出电压近似等于输入电压，故 Uom≈Uim

= 5.7V ，输出功率为

WR

UP

L

omO 2

82

7.5

2

22

效率为 %8.3644.5

2

U

O

P

P


WR

UUUIUP

L

CESCCCCCMCCUm 50.10

8

)112(12222

%7250.10

56.7m

wpPp OmUmT 94.256.750.10


图 7.2.2


7.2.4 甲乙类互补对称功率放大器

与变压器耦合的乙类推挽功率放大器一样，乙类互补对称功率放大器也存在晶体管输入特性死区电压引起的交越失真，因而也需要给功放管加上偏置电流，即使其工作于甲乙类放大状态，以此来克服交越失真。

图 7.2.3 为常见的几种甲乙类互补对称功率放大器。（ a

）图为 OCL 电路， (b) 图为 OTL 电路。在（ a ）、（ b ）两图中， V3 为推动级， V3 的集电极电路中接有两个二极管 VD1

和 V D2 ，利用 V3 集电极电流在 V D1 、 V D2 的正向压降给两个功放管 V1 、 V2 提供基极偏置，从而克服交越失真。


图 7.2.3


态时，因 V1 、 V2 两管电路对称，两管静态电流相等，负载上无静态电流，输出电压 Uo=0 。当有交流信号输入时， V D

1 和 V D2 的交流电阻很小，可视为短路，从而保证了 V1 和 V2

两管基极输入信号幅度基本相等。由于二极管正向压降具有负温度系数，因而这种偏置电路具有温度稳定作用，可以自动稳定输出级功放管的静态电流。


由于甲乙类功率放大器的静态电流一般很小，与乙类工作状态很接近，因而甲乙类互补对称功率放大器的最大输出功率、效率以及管耗等量的估算均可按乙类电路有关公式进行。


7.3 功率放大器的应用

7.3.1 功率放大器实际应用电路

1.OCL 功率放大器实际应用电路

图 7.3.1 为一准互补功率放大电路，它是高保真功率放大器的典型电路。电路由前置放大级、中间放大级和输出级组成。 V1 、 V2 、 V3 构成恒流源式差动放大器，为前置放大级，除了对输入信号进行放大外，还有温度补偿和抑制零漂的作用。 V4 、 V5 构成中间放大级，其中 V4 为共射电路， V5

是恒流源，作为 V4 的负载，使 V4 的输出幅度得以提升。 V7

到 V10 为准互补 OCL 电路作为输出级。 Re7~Re10 可使电路稳定。


图 7.3.1


V7 到 V 10 为准互补 OCL 电路作为输出级。 Re7~Re10 可使电路稳定。 V6 及 Re4 、 Rc5 构成“ UBE 扩大电路”，调节Re4 可改变加在 V7 、 V8 基极间的电压，以消除交越失真。 Rf 、 C1 和 Rb2 构成串联负反馈，以提高电路稳定性并改善性能。

2. OTL 功率放大器实际应用电路

图 7.3.2 是一个 OTL 互补对称功率放大电路，用作电视机伴音功率放大器。电路中 V1 是基本的工作点稳定电路，构成前置电压放大级。输入信号被放大后，经 C-3 耦合至由V2 构成的推动级。 R14 的作用是形成电压串联负反馈，以便改善放大性能。



C2 （以及 C4 、 C7 ）为相位补偿元件，用以防止高频自激。 V3 与 V4 构成互补功率输出级，将信号经 C-6 耦合到负载 R

L 上。为防止开机时功放管中电流有可能过大而烧坏功放管，在它们的发射极电路中设置了 R11 、 R12 两个限流电阻。 V3 、V4 的静态工作点由 V2 的静态电流及电阻 R6 、 R7 、 R8 、 R9

决定。其中 R8 是热敏电阻，其阻值随温度升高而减小，可稳定功放管的静态电流。电阻 R10 连在 V2 的基极与电容 C-6 的正极之间，构成直流负反馈，以稳定 C-6 正极的电位（为 UCC/2

）。


3. 集成功率放大器实际应用电路

袖珍式放音机、收音机、便携式收录机等，为了实现整机小型化，需要低电压音频功率放大电路。荷兰菲利浦公司生产的 TDA7050T 集成功率放大电路外形尺寸小，外接元件少，可用来组装薄型机。


7.3.2 功率放大器应用中的几个问题

为了保护功放电路尤其是其中功放管的安全，在实际应用时，要充分注意以下方面的问题。

1. 功放管散热问题

如前所述，功率放大器的工作电压、电流都很大。在给负载输出功率的同时，功放管也要消耗一部分功率，使管子本身升温发热。当管子温度升高到一定程度（锗管一般为 75~90

℃，硅管为 150℃）后，就会损坏晶体结构。为此，应采取功放管散热措施。通常是给功放管加装由铜、铝等导热性能良好的金属材料制成的散热片（板），加装了散热片的功放管可充分发挥管子的潜力，增加输出功率而不损坏管子。


2. 防止功放管的二次击穿

图 7.3.3 给出了晶体管的击穿特性曲线。其中（ a ）图的AB 段称为第一次击穿， BC 段称为第二次击穿。第一次击穿是由 uCE 过大引起的雪崩击穿，是可逆的，当外加电压减小或消失后管子可恢复原状。若在一次击穿后， iC 继续增大，管子将进入二次击穿。二次击穿是由于管子内部结构缺陷（如发射结表面不平整、半导体材料电阻率不均匀等）和制造工艺不良等原因引起的，为不可逆击穿，时间过长（如一秒钟）将使管子毁坏。进入二次击穿的点随基极电流 iB 的不同而变，把进入二次击穿的点连起来就成为图（ b ）所示的二次击穿临界曲线。为此，必须把晶体管的工作状态控制在二次击穿临界曲线之内。


图 7.3.3


防止晶体管二次击穿的措施主要有：使用功率容量大的晶体管，改善管子散热的情况，以确保其工作在安全区之内；使用时应避免电源剧烈波动、输入信号突然大幅度增加、负载开路或短路等，以免出现过压过流；在负载两端并联二极管（或二极管和电容），以防止负载的感性引起功放管过压或过流，在功放管的 c 、 e 端并联稳压管以吸收瞬时过电压。

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