第八章 功率放大器

1、(8-1) 第八章第八章 功率放大器功率放大器 模拟电子线路模拟电子线路 (8-2) 第八章第八章 功率放大器功率放大器 8.1 概述概述 8.2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路 8.3 实际功放电路实际功放电路 8.4 集成功率放大器集成功率放大器 8.5 变压器耦合式功放电路变压器耦合式功放电路 (8-3) 例例1： 扩音系统扩音系统 执行机构执行机构 功率放大器的作用：功率放大器的作用： 用作放大电路的用作放大电路的输出级输出级，以，以驱驱 动动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、 仪表仪表 指针偏转等。指针偏转等。 功功 率率 放放 大

2、大 电电 压压 放放 大大 信信 号号 提提 取取 8.1 概述概述 (8-4) 例例2：温度控制温度控制 R1-R3:标准电阻标准电阻 Ua : 基准电压基准电压 Rt :热敏电阻热敏电阻 A：电压放大器：电压放大器 Rt T UO室温室温T 温度调节温度调节 过程过程 UbUO1 R1 a R2 uo Usc + R3 Rt 功 功 放放 b 温控室温控室 A + -uo1 加热元件加热元件 (8-5) 分析功放电路应注意的问题分析功放电路应注意的问题 (1) 功放电路中电流、电压要求都比较大，功放电路中电流、电压要求都比较大， 必须注意电路参数不能超过晶体管的极必须注意电路参数不能超过晶

3、体管的极 限值限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。 ICM PCM UCEM Ic uce (8-6) (2) 电流、电压信号比较大，必须注意防止电流、电压信号比较大，必须注意防止 波形失真。波形失真。 (3) 电源提供的能量尽可能地转换给负载，以电源提供的能量尽可能地转换给负载，以 减少晶体管及线路上的损失。即注意提高减少晶体管及线路上的损失。即注意提高 电路的效率（电路的效率（ ）。）。 Pomax : 负载上得到的交流信号功率。负载上得到的交流信号功率。 PE ： 电源提供的直流功率。电源提供的直流功率。 %100 max E o P P (8-7) 射极输出器的输射极输出器的输

4、出电阻低，带负载能出电阻低，带负载能 力强，但做功放不适力强，但做功放不适 合。为什么合。为什么？解释如解释如 下：下： 问题讨论问题讨论 Rb uo USC ui ib RE 射极输出器能否做射极输出器能否做 功率放大功率放大？ (8-8) Rb uo USC ui RE 射极输出器效率的估算：射极输出器效率的估算： (设设RL=RE) uo t uo ib Q ic uce USC E SC R U (8-9) 若忽略晶体管的饱和若忽略晶体管的饱和 压降和截止区，输出压降和截止区，输出 信号信号uo的峰值最大只的峰值最大只 能为：能为： uo的取的取 值范围值范围 Q Ic uCE USC

5、 E SC R U 直流负直流负 载线载线 交流负交流负 载线载线UCEQ = 0.5USC 静态工作点：静态工作点： L SC E SC CQ R U R U I 5 . 0 5 . 0 SCo UU5 . 0 max 为得到较大的输出信号，假设将射极输出器的静为得到较大的输出信号，假设将射极输出器的静 态工作点（态工作点（Q Q）设置在负载线的中部，令信号波形正）设置在负载线的中部，令信号波形正 负半周均不失真负半周均不失真 ，如下图所示。，如下图所示。 (8-10) T CSCE tiU T P 0 d 1 L SC L SC L om O R U R U R U P 8 2 5 . 0

6、 2 2 2 2 max max %25 max max E O P P 放大电路的输出没有失真的工作方式称为放大电路的输出没有失真的工作方式称为甲类放大甲类放大。 )sin( tII iIi cmCQ cCQC L SC CQSC T C SC T CSCE R U IUti T U tiU T P 2 dd 1 2 00 1. 直流电源输出的功率直流电源输出的功率 2. 最大负载功率最大负载功率 3. 最大效率最大效率 (RL=RE时时) (8-11) 如何解决效率低的问题？如何解决效率低的问题？ 办法：办法：降低降低Q点。点。 既降低既降低Q点又不会引起截止失真的办法：点又不会引起截止失

7、真的办法：采用采用 推挽输出电路，推挽输出电路，或或互补对称射极输互补对称射极输 出器。出器。 缺点：缺点：但又会引起截止失真。但又会引起截止失真。 (8-12) 互补对称功放的类型互补对称功放的类型 无输出变压器形式无输出变压器形式 （ OTL电路）电路） 无输出电容形式无输出电容形式 （ OCL电路）电路） OTL: Output TransformerLess OCL: Output CapacitorLess 互补对称：互补对称：电路中采用两支晶体管，电路中采用两支晶体管，NPN、 PNP各一支；两管特性一致。各一支；两管特性一致。 类型：类型： 8.2 互补对称功率放大电路互补对称功

8、率放大电路 (8-13) 8.2.1 无输出电容的互补对称功放电路无输出电容的互补对称功放电路 （ OCL电路）电路） 一、工作原理（设一、工作原理（设ui为正弦波）为正弦波） 电路的结构特点：电路的结构特点： ui -USC T1 T2 uo +USC RL iL 1. 由由NPN型、型、PNP型三极型三极 管构成两个对称的射极管构成两个对称的射极 输出器对接而成。输出器对接而成。 2. 双电源供电。双电源供电。 3. 输入输出端不加隔直电输入输出端不加隔直电 容。容。 (8-14) ic1 ic2 动态分析：动态分析： ui 0VT1截止，截止，T2导通导通 ui 0VT1导通，导通，T2

9、截止截止 iL= ic1 ; ui -USC T1 T2 uo +USC RL iL iL=ic2 T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方两个晶体管都只在半个周期内工作的方 式，称为式，称为乙类放大乙类放大。 因此，不需要隔直电容。因此，不需要隔直电容。 静态分析：静态分析： ui = 0V T1、T2均不工作均不工作 uo = 0V (8-15) 乙类放大的输入输出波形关系乙类放大的输入输出波形关系: ui -USC T1 T2 uo +USC RL iL 死区电压死区电压 ui uo uo u o t t t t 交越失真：交越失真：输入信号输入信号 ui在过零在过零 前后，输出信号

10、出现的失真便前后，输出信号出现的失真便 为交越失真。为交越失真。 交越失真交越失真 (8-16) ui -USC T1 T2 uo +USC RL iL (1) 静态电流静态电流 ICQ、IBQ等于零；等于零； (2) 每管导通时间等于半个周期每管导通时间等于半个周期 ； (3) 存在交越失真。存在交越失真。 乙类放大的特点：乙类放大的特点： (8-17) 二、最大输出功率及效率的计算二、最大输出功率及效率的计算 假设假设 ui 为正弦波且幅度足够大，为正弦波且幅度足够大， T1、T2导通时均能饱和，此时输出导通时均能饱和，此时输出 达到最大值。达到最大值。 ULmax 负载上得到的最大功率为

11、：负载上得到的最大功率为： iL -USC RL ui T1 T2 UL +USC 若忽略晶体管的饱和若忽略晶体管的饱和 压降，压降，则负载（则负载（RL)上的电上的电 压和电流的最大幅值分别压和电流的最大幅值分别 为：为： L SC L SCL R U I UU max max L SC L SCSC o R U R UU P 2 1 22 2 max (8-18) 电源提供的直流平均功率计算：电源提供的直流平均功率计算： 每个电源中的电流为半个正弦波，其平均值为每个电源中的电流为半个正弦波，其平均值为: 两个电源提供的总功率为：两个电源提供的总功率为： USC1 =USC2 =USC 0

12、1 )(dsin 2 1 L SC L SC av R U tt R U I L SC avav R U II 12 L SC L SC SCEEE R U R U UPPP 2 2 2 21 t ic1 L SC R U (8-19) %5 .78 4 2 2 2 2 max L SC L SC E o R U R U P P 效率为：效率为： L SC L SC SCEEE R U R U UPPP 2 2 2 21 L SC L SCSC o R U R UU P 2 1 22 2 max 结论：结论：OCL电路效率较高；电路效率较高； 电流、电压波形存在失真。电流、电压波形存在失真。

13、(8-20) 三、电路的改进三、电路的改进 1. 克服交越失真克服交越失真 交越失真产生的原因：交越失真产生的原因： 在于晶体管特性存在在于晶体管特性存在 非线性，非线性，ui IB，则，则 2 21 R RR UU BE (8-25) 3. 电路中增加复合管电路中增加复合管 增加复合管的目的是：增加复合管的目的是：扩大电流的驱动能力。扩大电流的驱动能力。 复合管的构成方式：复合管的构成方式： c b e T1 T2 ib ic b e c ib ic 方式一：方式一： bccc bc bebbc iiii ii iiiii )1 ( , ,)1 (, 12121 222 11211 (8-2

14、6) b e c ib ic 1 2 晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。 方式二：方式二： c b e T1 T2 ib ic 复合管构成方式很多。不论哪种等效方式，等效复合管构成方式很多。不论哪种等效方式，等效 后晶体管的性能确定均如下：后晶体管的性能确定均如下： (8-27) 改进后的改进后的OCL准互补输出功放电路：准互补输出功放电路： T1：电压推动级电压推动级 T1、R1、R2： UBE倍增电路倍增电路 T3、T4、T5、T6： 复合管构成的输出级复合管构成的输出级 准互补准互补 输出级中的输出级中的T4、T6均为均为NPN 型晶体管，两

15、者特性容易对称。型晶体管，两者特性容易对称。 +USC -USC R1 R2 RL ui T1 T2 T3 T4 T5 T6 (8-28) -UEE +UCC E RC T1 RC T2 T5T6 RC3 RE2 RC4 RE3 T7 T9 T8 RE4 RE5 T11 T10 RL 第第4 4级：互补对称射极跟随器级：互补对称射极跟随器 差动放大器差动放大器 第第2级级 第第1级：级：差动放大器差动放大器 第第3级：级：单管放大器单管放大器 集成运放内部的功率放大输出级集成运放内部的功率放大输出级 (8-29) 8.2.2 无输出变压器的互补对称功放电路无输出变压器的互补对称功放电路 （OT

16、L电路）电路） 一、特点一、特点 1. 单电源供电；单电源供电； 2. 输出加有大电容。输出加有大电容。 二、静态分析二、静态分析 则则 T1、T2 特性对称，特性对称， , 2 SC A U U 2 SC C U U 2 SC i U u 令：令： 0.5USC RL ui T1 T2 +USC C A UL +- UC (8-30) 三、动态分析三、动态分析 设输入端在设输入端在 0.5USC 直流电平直流电平基础上加入正弦信号。基础上加入正弦信号。 若输出电容足够大，若输出电容足够大， UC基本基本 保持在保持在0.5USC ，负载上得到的，负载上得到的 交流信号正负半周对称，但存交流信

17、号正负半周对称，但存 在交越失真。在交越失真。 ic1 ic2 交越失真交越失真 RL ui T1 T2 +USC C A UL +- 时，时，T1导通、导通、T2截止；截止； 2 SC i U u 时，时， 2 SC i U u T1截止、截止、 T2导通。导通。 0.5USC ui t (8-31) 四、输出功率及效率四、输出功率及效率 若忽略交越失真的影响，且若忽略交越失真的影响，且 ui 幅度足够大。则：幅度足够大。则： L SC L SC L R U I U U 22 maxmax 、 L SCLL L R UIU P 822 2 maxmax max L SC avSCE R U

18、IUP 2 2 )(dsin 22 1 0 tt R U I L SC av %5 .78 4 max E L P P uLULmax ui 2 SC U t t (8-32) 实用实用OTL互补输出功放电路互补输出功放电路 调节调节R,使静态使静态 UAQ=0.5USC D1 、 D2使使b1和和b2之间的之间的 电位差等于电位差等于2个二极管正个二极管正 向压降，克服交越失真。向压降，克服交越失真。 Re1 、 Re2：电阻值：电阻值12 ， 射极负反馈电阻，也起射极负反馈电阻，也起 限流保护作用。限流保护作用。 D1 D2 ui +USC RL T1 T2 T3 C R B Re1 Re

19、2 b1 b2 A (8-33) 这里介绍一个实用的这里介绍一个实用的OCL准互补功放电路。其准互补功放电路。其 中主要环节有中主要环节有 ： (1) 恒流源式差动放大输入级（恒流源式差动放大输入级（T1、T2、T3）；）； (2) 偏置电路（偏置电路（R1、D1、D2）；）； (3) 恒流源负载（恒流源负载（T5）；）； (4) OCL准互补功放输出级（准互补功放输出级（T7、T8、T9、 T10）；）； (5) 负反馈电路（负反馈电路（Rf、C1、Rb2构成交流电压串联负反构成交流电压串联负反 馈）；馈）； (6) 共射放大级（共射放大级（T4）；）； (7) 校正环节（校正环节（C5、R

20、4）；）； (8) UBE倍增电路（倍增电路（T6、R2、R3）；）； (9) 调整调整输出级工作点元件输出级工作点元件（Re7、Rc8、Re9、Re10）。）。 8.3 实际功放电路实际功放电路 (8-34) +24V ui RL T7 T8 RC8 -24V R2 R3 T6 Rc1 T1T2 Rb1Rb2 C1 Rf R1 D1 D2 T3 Re3 T4 Re4 C2 T5 Re5 C3 C4 T9 T10 Re10 Re7Re9 C5 R4 BX 差动放大级差动放大级 反馈级反馈级 偏置电路偏置电路 共射放大级共射放大级 UBE 倍增倍增 电路电路 恒流源恒流源 负载负载 准互补功放级

21、准互补功放级 保险管保险管 负载负载 实用的实用的OCL准互补功放电路：准互补功放电路： (8-35) 输出功率的估算：输出功率的估算： 输出电压的最大值约为输出电压的最大值约为 19.7V，设负载，设负载 RL= 8 则最大输出功率为：则最大输出功率为： 实际输出功率约为实际输出功率约为 20W。 注：注：该实用功放电路的详细分析计算请参考该实用功放电路的详细分析计算请参考 模拟电子技术基础模拟电子技术基础（童诗白主编）。（童诗白主编）。 W3 .24 8 1 2 7 .19 2 max P (8-36) 特点：特点：工作可靠、使用方便。只需在器件外部适工作可靠、使用方便。只需在器件外部适

22、当连线，即可向负载提供一定的功率。当连线，即可向负载提供一定的功率。 集成功放集成功放LM384： 生产厂家：生产厂家：美国半导体器件公司美国半导体器件公司 电路形式：电路形式：OTL 输出功率：输出功率：8 8 负载上可得到负载上可得到5W5W功率功率 电源电压：电源电压：最大为最大为28V 28V 8.4 集成功率放大器集成功率放大器 (8-37) 集成功放集成功放 LM384管脚说明管脚说明: 14 - 电源端（电源端（ Vcc） 3、4、5、7 - 接地端（接地端（ GND） 10、11、12 - 接地端（接地端（GND） 2、6 - 输入端输入端 （一般（一般2脚接地）脚接地） 8

23、- 输出端输出端 （经（经500 电容接负载）电容接负载） ) 1 2 3 4 5 6 78 9 10 11 12 13 14 1 - 接旁路电容（接旁路电容（5 ） 9、13 - 空脚（空脚（NC） (8-38) 集成功放集成功放 LM384 外部电路典型接法：外部电路典型接法： 500 - + 0.1 2.7 8 14 6 2 1 5 Vcc ui 8 调节音量调节音量 电源滤波电容电源滤波电容 外接旁路电容外接旁路电容低通滤波低通滤波,去除高频噪声去除高频噪声 输入信号输入信号 输出耦合大电容输出耦合大电容 (8-39) 利用变压器的阻抗变换功能，可实现功放电路和负利用变压器的阻抗变换功

24、能，可实现功放电路和负 载间的匹配，以弥补其它类型功放电路的不足。载间的匹配，以弥补其它类型功放电路的不足。 一、特点一、特点 例：例：OCL电路中电路中，若若 RL=80 、需要输出功率需要输出功率 PO=50W。 根据公式根据公式 L SC o R U P 2 2 max 需电源电压：需电源电压： V9025080 SC U 90V的电压的电压对电子电路显然不合适。对电子电路显然不合适。 8.5 变压器耦合式功放电路变压器耦合式功放电路 利用变压器阻抗变换关系（利用变压器阻抗变换关系（ RL = K2 RL），），通通 过改变变压器的匝数比过改变变压器的匝数比K，使电路使电路得到合适的负载

25、，得到合适的负载， 便可解决以上问题。便可解决以上问题。 (8-40) （变阻抗）（变阻抗） 1 i 1 u 2 u 2 i L R 1 N 2 N 变压器原、副边阻抗关系变压器原、副边阻抗关系 LL RKR 2 2 2 I U RL 从原边等效：从原边等效： 22 2 2 2 2 1 1 KRK I U K I KU I U R LL 结论：结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载变压器原边的等效负载，为副边所带负载 乘以变比的平方。乘以变比的平方。 (8-41) 二、乙类变压器耦合式推挽功率放大器二、乙类变压器耦合式推挽功率放大器 1.1.原理电路原理电路 ui T2 T1 RL + - USC iL N2 N1 N1 放大器：放大器：由两个共射极放大器组成，两个三极管由两个共射极放大器组成，两个三极管 的射极接在一起。的射极接在一起。 (8-42) 输入变压器：输入变压器：将输入信号分成两个大小相等的信号，将输入信号分成两个大小相等的信号， 分别送两个