第十三章功率放大电路(课时)

1、例：例： 扩音系统扩音系统实际负载实际负载什么是功率放大电路？什么是功率放大电路？ 在电子系统中，模拟信号被放大在电子系统中，模拟信号被放大后，往往要去推动一个实际的负载。如使扬声器发声、继电后，往往要去推动一个实际的负载。如使扬声器发声、继电器动作、器动作、 仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率很仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率很大。向负载提供（输出）较大功率的放大电路称为功率放大大。向负载提供（输出）较大功率的放大电路称为功率放大电路。电路。 概述概述功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取 前面讨论的放大电路主要用于增强电压幅前面讨论的放大电路主要用于增强电压幅度

2、或电流幅度，因而相应地称为电压放大电路度或电流幅度，因而相应地称为电压放大电路或电流放大电路。但无论哪种放大电路，或电流放大电路。但无论哪种放大电路，在负在负载上都同时存在输出电压、电流和功率，载上都同时存在输出电压、电流和功率，上述上述称呼上的区别是为了强调输出量不同而已。称呼上的区别是为了强调输出量不同而已。 从能量控制的观点来看，功率放大电路和电从能量控制的观点来看，功率放大电路和电压放大电路都是能量转换电路，没有本质的区压放大电路都是能量转换电路，没有本质的区别。但是，两类电路所完成的任务不同。别。但是，两类电路所完成的任务不同。电压放大电路：电压放大电路： 要求使负载得到不失真的电压

3、信号；要求使负载得到不失真的电压信号； 主要指标是电压增益、输入和输出电阻（阻抗）；主要指标是电压增益、输入和输出电阻（阻抗）； 输出的功率并不一定大。输出的功率并不一定大。功率放大电路：功率放大电路： 要求获得一定的不失真（或失真较小）的输出功率要求获得一定的不失真（或失真较小）的输出功率 一般在大信号状态下工作一般在大信号状态下工作 本章以分析功率放大电路的本章以分析功率放大电路的输出功率、效输出功率、效率和非线性失真之间的矛盾率和非线性失真之间的矛盾为主线，逐步提出为主线，逐步提出解决矛盾的措施。在电路方面，以解决矛盾的措施。在电路方面，以互补对称功互补对称功率放大电路为重点率放大电路为

4、重点进行较详细的分析与计算。进行较详细的分析与计算。3、甲乙类放大、甲乙类放大 1、甲类放大、甲类放大 2、乙类放大、乙类放大放大电路工作方式分类：放大电路工作方式分类：1、甲类放大：、甲类放大： Q点适中，在信号的整个周期内，均有电流流点适中，在信号的整个周期内，均有电流流过过BJT， BJT处于导通状态。导通角为处于导通状态。导通角为3600ICQ0iCiB =常数常数QvCEiC t从甲类放大电路中知道，从甲类放大电路中知道，静态电流是造成管耗的主要因素。静态电流是造成管耗的主要因素。+uVCCLRb1Ri甲类功率放大器分析甲类功率放大器分析(1) 三极管的静态功耗：三极管的静态功耗：若

5、若CCCEQVV21的的静静态态功功耗耗相相等等三三极极管管和和负负载载电电阻阻LRCQCEQTIVPCQCCVIVP电源提供的平均功耗：电源提供的平均功耗：CQCCRLTIVPP21则则+uVCCLRb1RiIcuceQuceQIcQ(2) 动态功耗动态功耗（当输入信号（当输入信号Vi时）时）输出功率输出功率:omomomomo2122IVIVP 要想要想PO大，就要大，就要使功率三角形的面积使功率三角形的面积大，即必须使大，即必须使Vom 和和Iom 都要大。都要大。最大输出功率最大输出功率:CQCComIVP )21(21MNVomIom功率三角形功率三角形iCvCEQVCEQICQVC

6、C电源提供的功率电源提供的功率CQCCCmCQCCCCCVIVtdtIIVtdiVP)sin(21)(212020此电路的最高效率此电路的最高效率%25VomPP甲类功率放大器存在的缺点：甲类功率放大器存在的缺点： 输出功率小输出功率小 静态功率大，效率低静态功率大，效率低2、乙类放大：、乙类放大：00iCiB=常数常数QvCEiC t 把把Q点向下移动，使信号等于零时电源输出的功率也为零（或很点向下移动，使信号等于零时电源输出的功率也为零（或很小），信号增大时电源供给的功率也随之增大，这样电源供给功率及管小），信号增大时电源供给的功率也随之增大，这样电源供给功率及管耗都随着输出功率的大小而变

7、，也就改变了甲类放大效率低的状况。耗都随着输出功率的大小而变，也就改变了甲类放大效率低的状况。 Q点进入截止区，静态电流为点进入截止区，静态电流为0，BJT只在正弦信号只在正弦信号的半个周期内导通。的半个周期内导通。导通角为导通角为1803、甲乙类放大：、甲乙类放大：0ICQ0iCiB=常数常数QvCEiC t甲乙类和乙类放大主要用于功率放大电路中甲乙类和乙类放大主要用于功率放大电路中 BJT的导通时间超过半个周期，但小于一个周期的导通时间超过半个周期，但小于一个周期(介介于甲类、乙类中间于甲类、乙类中间)。导通角大于导通角大于180小于小于3601、电路组成、电路组成互补对称：互补对称： 电

8、路中采用两个晶电路中采用两个晶体管：体管：NPN、PNP各各一支；一支； 两管特性一致。组两管特性一致。组成互补对称式射极输成互补对称式射极输出器。出器。uuVCCVCCoiLR11-1 OCL11-1 OCL电路电路一、乙类双电源互补对称电路一、乙类双电源互补对称电路2 2、工作原理（设、工作原理（设v vi i为正弦波）为正弦波）ic1ic2 静态时：静态时：vi = 0V ic1、ic2均均=0（乙类工作状态）（乙类工作状态） vo = 0V动态时：动态时：vi 0VT1截止，截止，T2导通导通vi 0VT1导通，导通，T2截止截止iL= ic1 ;iL=ic2 实现了静态时管子不取电流

9、，有信号时实现了静态时管子不取电流，有信号时T1和和T2两个管子两个管子交替导通，轮流导电，组成推挽式电路，在负载上得到完整交替导通，轮流导电，组成推挽式电路，在负载上得到完整的正弦波。两个管子互补对方的不足，工作性能对称。的正弦波。两个管子互补对方的不足，工作性能对称。uuVCCVCCoiLR输入输出波形图输入输出波形图vivovovo 交越失真交越失真死区电压死区电压uuVCCVCCoiLR组合特性分析组合特性分析图解法图解法负载上的最大不失真电压为负载上的最大不失真电压为Vom=VCC- VCESuuVCCVCCoiLRiC1vCEiC2QVCCVCESVCESVom3、分析计算、分析计

10、算饱和压降饱和压降最大不失真输出功率最大不失真输出功率PomL2CCL2CESCC2om22)(2RVRVVRVPLom输出功率输出功率PoL2omLomomooo222=RVRVVIVPuuVCCVCCoiLR负载上的最大不失真电压为负载上的最大不失真电压为Vom=VCC- VCES一个管子的管耗一个管子的管耗)(d )(21=0LooCCT1tRvvVP 管耗管耗PT两管管耗两管管耗)d( sin)sin(210LomomCCtRtVtVV)4(12omomCCLVVVRT1T2T1T2PP=PP)4(22omomCCLVVVRuuVCCVCCoiLRtVvomosin设：设：电源供给的功

11、率电源供给的功率PVToV=PPPLomCC2RVV当当时， CComVV 2L2CCVmRVP效率效率 CComVo4=VVPP时， CComVV% 78.54max 最高效率最高效率 max0iv0VP0iv)4(1=2omomCCLT1VVVRP4、选功率管的原则、选功率管的原则（1）最大管耗和最大输出功率的关系）最大管耗和最大输出功率的关系 管耗管耗PT1是输出电压幅值是输出电压幅值Vom的函数，可用求极限的方法的函数，可用求极限的方法得到最大管耗。得到最大管耗。21/1omCCLomTVVRdVdP02,0/1omCComTVVdVdP则令时具有最大管耗故CCCComVVV6 .02

12、L2CC2T1m1RVPL2CCom2RVPomPRVP2 . 01L2CC2T1m 式子提供了乙类互补对称电路选择功率管功耗式子提供了乙类互补对称电路选择功率管功耗 的依据。的依据。 例如，例如，负载要求的最大功率负载要求的最大功率为为10W，即电路要，即电路要求输出功率为求输出功率为10W，那么只要选两个额定管耗，那么只要选两个额定管耗2W的的管子就可以了。管子就可以了。omPRVP2 . 01L2CC2T1m （2）功率）功率BJT的选择的选择 为了得到最大输出功率，并保证管子的安全，为了得到最大输出功率，并保证管子的安全，BJT的参数需满足下列条件：的参数需满足下列条件： 每只每只BJ

13、T的最大允许管耗的最大允许管耗PCM必须大于最大管耗必须大于最大管耗PT1m0.2Pom的管子选用CCCEOBRVV2 通过通过BJT的最大集电极电流为的最大集电极电流为VCC/RL，所选，所选BJT的集电极最大允许电流的集电极最大允许电流ICM一般不宜低于此值一般不宜低于此值 tvo交越失真交越失真vi t存在交越失真存在交越失真5、乙类互补对称功放的缺点、乙类互补对称功放的缺点uuVCCoiLRVCCuu-oLRi2RD12R1VCCDVCC 静态时静态时: T1、T2两管发射结电压分两管发射结电压分别为二极管别为二极管D1、 D2的正向导通的正向导通压降，致使两管均处于微弱导压降，致使两

14、管均处于微弱导通状态通状态甲乙类工作状态甲乙类工作状态动态时：动态时：设设 vi 加入正弦信号。正半加入正弦信号。正半周周 T2 截止截止，T1 基极电位进一步基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；负提高，进入良好的导通状态；负半周半周T1截止，截止，T2 基极电位进一步基极电位进一步降低，进入良好的导通状态。降低，进入良好的导通状态。电路中增加电路中增加 R1、D1、D2、R2支路支路1 1、基本原理、基本原理 二、甲乙类双电源互补对称电路二、甲乙类双电源互补对称电路uuRoLi2R1DD2VCC1RVCC2 2、带、带v vBE扩大电路的功率放大器扩大电路的功率放大器 )(213212E

15、BBEBEVVRRRV3321)1 (212213BEBEEBBECEVRRVRRRVVV T4：电压推动级（前置放大级）电压推动级（前置放大级） T3、R1、R2：VBE扩大电路扩大电路 T1、T2：构成互补对称功放构成互补对称功放适当调节适当调节R1、R2的比的比值，就可改变值，就可改变T1、T2的偏压值。此方法常的偏压值。此方法常用于集成电路。用于集成电路。电路中增加复合管电路中增加复合管增加复合管的目的：增加复合管的目的：扩大电流的驱动能力。扩大电流的驱动能力。 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。复合复合NPN型型复合复合PNP型型c

16、ebCibieiT12TcbeibTTe1C2iibcebiTiCeibecieiiCTb3、带复合管的、带复合管的OCL互补输出功放电路互补输出功放电路 T1：电压推动级（前置放大级）电压推动级（前置放大级） T2、R1、R2：VBE扩大电路扩大电路 T3、T4、T5、T6：复合管构成互补对称功放复合管构成互补对称功放 输出级中的输出级中的T4、T6均为均为NPN型晶体管，型晶体管，两者特性容易对称。两者特性容易对称。 合理选择合理选择R1、R2(b3、b5)值值, 可得到可得到 VBE2 任意倍的电压。任意倍的电压。2212)1 (BECEVRRVuuLRT3TT65oT41T2Ti3RR

17、12R一、基本原理一、基本原理单电源供电单电源供电输出加有大电容输出加有大电容（1）静态偏置）静态偏置甲乙类单电源互补对称电路甲乙类单电源互补对称电路V Vi i=0时，只要时，只要R1、R2有适当数值，就可给有适当数值，就可给T1、T2提供合适的偏提供合适的偏置；置；CCP21VV 此时电容上电压此时电容上电压CCC21VV +uuTT1324TTC8RVCC1R2RRLR5R6WRUPiO T4：电压推动级（前置放大级）电压推动级（前置放大级） T3、R1、R2：VBE扩大电路扩大电路 T1、T2：构成互补对称功放构成互补对称功放调整调整RW阻值的阻值的大小，可使大小，可使11-2 OTL

18、电路电路 （2）动态分析）动态分析 vi负半周时，负半周时，T1导通、导通、T2截止，有电截止，有电流通过负载流通过负载RL，同时，同时向向C充电；充电； vi正半周时，正半周时，T1截止、截止、T2导通，导通，已充电的已充电的C起负电起负电源（源（-VCC）的作用，）的作用，通过负载通过负载RL放电。放电。+uuTT1324TTC8RVCC1R2RRLR5R6WRUPiO采用一个电源，每个管子的工作电压不是原来的采用一个电源，每个管子的工作电压不是原来的VCC，而是而是VCC/2（输出电压最大也只能达到约（输出电压最大也只能达到约VCC/2 ），），故前面导出的计算公式需进行修正。故前面导出

19、的计算公式需进行修正。L2omLomomooo222=RVRVVIVPL2CCL2CESCC2om82)21(2RVRVVRVPLom)421(22omomCCLVVVRPTLomCCRVVPVLCCRVRVP2 )21(22L2CCVm（3）计算公式）计算公式（4）输出功率及效率）输出功率及效率2maxCCoVV此电路存在的问题：此电路存在的问题：输出电压正方向变化的幅度受到限制，达不到输出电压正方向变化的幅度受到限制，达不到VCC/2。+uuTT1324TTC8RVCC1R2RRLR5R6WRUPiOCComVo2=VVPP时， 2omCCVV% 78.54max 二、二、 带自举电路的单

20、电源功放带自举电路的单电源功放(1) 静态静态( vi =0)CCP21VV 故：故：C1充电后，其充电后，其两端有一固定电压两端有一固定电压+uuRCCTL1CRR2PR0R837CU2R1RTRiTW5V416TC1、R7为自举电路为自举电路D73RIVVCCCD73121RIVVCCCC+uuRCCTL1CRR2PR0R837CU2R1RTRiTW5V416TD（2）动态）动态 当时间常数当时间常数R7C1足够大足够大时，电容两端电压时，电容两端电压vC1C1将基将基本为常数（本为常数（ vC1VC1 ），），不随不随vi而改变。而改变。 当当vi为负时，为负时，T1导导电，电，VP将由

21、将由VCC/2向更向更正方向变化。因为正方向变化。因为vD =vC1 +vP= VC1+ vp，故随故随P P点电位升高，点电位升高，D D点电位点电位也自动升高。即使输出也自动升高。即使输出电压幅度升的很高，电压幅度升的很高，也也有足够的电流有足够的电流iB1，使使T1充分导电。充分导电。这种工作方式称为自这种工作方式称为自举，意思是电路本身举，意思是电路本身把把vD提高了提高了三、三、带运放前置放大级的功率放大电路带运放前置放大级的功率放大电路运放运放A接成同相输入方式作前置放大级。引入了电压接成同相输入方式作前置放大级。引入了电压串联负反馈。整个电路的电压放大倍数：串联负反馈。整个电路的电压放大倍数： aRRuuAfiou1 uu+-DAR+iTT131VRCC43RT2OLCCTVRfRaRR5R6R24R总结：互补对称功放的类型总结：互补对称功放的类型 互补对称功放的类型互补对称功放的类型 双电源电路双电源电路又称又称OCL电路电路 （无输出电容）（无输出电容）单电源电路单电源电路又称又称OTL电路电路 （无输出变压器）（无输出变压器）LCCoRVP22max LCCoRVP82max SHM1150+VVCCEE+uu-io136108RL(b)(a)RRRRRRRRRRRCIIuu+VVTTTTTTTTT12678910111213124567891012