模电-sun2篇7章功率放大电路

2.7.1

功率放大电路的特点和基本类型一、主要特点输出电压或输出电流的幅度较大，功率放大电路必须工作在大信号条件下，因而容易产生非线性失真。如何尽量减小输出信号的失真是首先要考虑的问题。输出信号功率的能量来源于直流电源，应该考虑转换的效率。半导体器件在大信号条件下运用时，电路中应考虑器件的过热、过流、过压、散热等一系列问题，因此要有适当的保护措施。二、电路基本类型功率放大电路主要有甲类、乙类、甲乙类等功率放大器,由静态时功耗大小决定。1、甲类单管功放甲类功率放大为了取得最大的动态范围，必须使静态工作点Q位于负载线的中点，静态管压降，静态电流基础上分别叠加交流成分：VCEQ

VCC

/

2ICQV

CC/(2RL

)。vCE

VCEQC

i

ICQcm

I

sin

t在正弦输入信号vi的驱动下，晶体管的电压和电流将在静态值的

Vcem

sin

t电源输出的平均电流为ICQ，因而电源提供的功率负载上得到的输出信号功率为由此可得该功率输出级的效率为PE

VCC

ICQ2O

cm

LP

1

I

2

Rcm

LVCC

ICQR1

I

2

2电源提供的功率PE输出信号功率PO

当晶体管处于最大不失真输出时，如不考虑其饱和压降VCES，则极限情况下225%LCC/(2R

)CC

LV

2V

/(8R

)

该类电路的理想效率为Vcem

VCC

/

2

ICQV

CC/(2RL

)IcmV

CC/(2RL

)可见这类放大器的功率转换效率很低，原因是电源VCC所提供的总功率中，大部分消耗在晶体管的管耗和负载电阻的直流功耗上了。这类单管放大器由于不允许在一个周期内出现截止失真，所以必须取

ICQ

Icm

，这显然是造成较大管耗和负载直流功耗的根源。为了提高功率输出级的效率，人们设想能否使晶体管的静态电流

ICQ

0

？若这样，波形中将出现半个周期的截止区。但如果再用另一个同样的电路，使之与前一个电路交替工作(即前一电路中晶体管截止时，后一电路晶体管工作），则负载上仍可得到完整的正弦波。

把在一个周期内，要求完整导通的放大器称为甲类放大器，而对仅导通半个周期的放大器（

ICQ

0）称为乙类放大器。根据静态工作点的不同设置，功率放大器可以工作在乙类θ=180°，甲类θ=360°和甲乙类θ=180°～360°（θ为导通角）。1、甲类功放甲类功率放大在整个信号周期内管子都导电。管子的静态功耗大P

VCEQ

ICQ2、乙类功放乙类功率放大管子只导电半个周期。静态时不消耗功率，因为ICQ

03、甲乙类功放甲乙类功率放大管子的导电时间大于半个周期。静态时消耗较小功率，因为ICQ

很小梳理：甲类θ=360°乙类θ=180°甲乙类θ=180～360°乙类放大甲类放大甲乙类放大ICQ略大于0（1）变压器耦合推挽式功放Tr1、Tr2为输入和输出变压器；

T1、T2为同极型对称推挽管；

Rb1、Rb2提供静态偏置，克服

交越失真。变压器耦合的突出优点是，通过改变变压器的变比，能找到一个最佳的等效负载(此时输出功率最

大，且不失真)。并且，在不提高电源电压的条件下，可以使输出电压的幅度Vom超过电源电

压。三、乙类功率放大器工作原理乙类功率放大器有变压器耦合推挽式和互补对称式两种类型。电流将从同名端流进，形成负载上的负半周信

号。vot信号正半周时，T1导电，T2截止，T1集电极电流ic1从同名端流出，所以变压器次级此时，T1集电极电压信号和输入信号反相，而变压器付边和T1集电极电压信号同相（同名端原因）。工作过程：vot从而负载上得到一个完整的正弦波。信号负半周时，T1截止，T2导电，T2集电极电流ic2从同名端流进，所以变压器次级电流从同名端流出，形成负载上的正半周电压信号。Transformerless)电路OTL双电源供电电路，称

OCL(OutputCapacitorless)功放电路OCL（2）互补对称式变压器笨重，频率特性差，单电源供电，又称OTL(OutputOTL

功率放大器要求输入端(T1、T2基极)上的静态电压也为VCC/2，即

vI=(VCC/2)+vi。单电源互补对称功率放大器增加了一只大容量(几百～几千微法)的电解电容器。而OCL电路的输入端上不需要静态电压。单电源供电互补对称功放电路(OTL)的工作原理静态(vi＝0)时，T1、T2

截止，vo＝VCC/2

，所以电容C

上充有VCC/2的电压，

vo=0。正半周(vi＞0)时，T1导通，T2截止，+VCC→T1

→C→RL→GND。电容充电。负半周(vi＜0)时，电容C上的电压VCC/2作为电源，T1截止，T2导通，电容放电，RL→C

→T2→GND

。负载上流过负半周信号电流。ovt双电源供电的互补对称功放电路工作原理静态(vi＝0)时，T1、T2截止，VOQ＝0正半周(vi＞0)时，T1管导通，T2管截止，+VCC→T1→RL→GND负半周(v

＜0)时，Ti

1管截止，T2管导通，GND→RL→T2→-VCCovt互补对称功率放大器由于在静态条件下T1和T2都处于截止状态，所以它的静态功耗为零，但在动态时存在严重的交越失真。为了克服交越失真，必须给互补对称功率放大电路设置一定的静态工作点(使信号vi=0时，T1、T2管都处于微导电状态)。甲乙类功放克服交越失真的功率输出电路T1T2处于微导通状态，甲乙类放大状态2.7.2功放电路的分析计算io

(Vom

/

RL

)

sin

t则输出：o

omo

o

oV

I

Vom2RL2

2om

om2P

V

I

输出功率：1、双电源互补对称式(OCL)功率放大电路1）、输出功率Po和电源效率η设输入：vi

Vim

sintv

V

sin

t电源提供平均功率：0ECC

o2V i

d

(t)

P

2

1

EOP转换效率:

P

0RLomd

(t)V

sin

t

VCCRL

2VCCVomL

om

R2V

V

CC

om2

RLV2CC4

V

VomVom

VCCmax最大不失真输出功率为：

POm

Vom

78.5%4互补对称功放电路的工作波形当输入信号使输出幅度达到理想的最大值时，当考虑功放管的饱和压降VCES时，Vom=VCC-VCES，实际效率将小于78.5%(一般为60～70%)。2）、管耗PTT1、T2两管的总管耗为：TP

PE为求最大管耗PTM，对上式求导，并令dPT/dVom=0,即2

RL

POm2

2VCC

Vom

VomRLCComom

L

L2V

dP

2V

VV

CC

0.64VTCCom

0dV

R

RLPTM

2

R此时：o2RL

P

Vom

22om2RL

VPCComTM2T

2M每个功放管最大功耗为：T1MP

P

1

P

0.2P

2

2VCC2

4Pom

0.4Pom3）、功率管的选取在互补对称功率放大电路中，功放管必须按以下几点原则选取：管子的功耗PCM＞0.2Pomax。功放管的耐压V(BR)CEO＞2VCC。功放管允许的最大集电极电流ICM＞VCC/RL。2、单电源互补对称式（OTL）功率放大电路2

Vom2RL

Vom

Iom2

2输出功率：Po

Vo

I

o输出功率Po设输入：vi

Vim

sin

t则输出：vo

Vom

sin

tio

(Vom

/

RL

)

sin

t00ECC

oomRL2V

sin

t2

V i

d

(t)P

1

d

(t)

VCC

VCCVom

RL电源提供平均功率（单个）：EP

2

VCC

Vom输出效率η

:

PoV2om2RL

Iom2

2VomPo

Vo

I

o

LCCLom2R

8RV

2V

2Pom

，最大输出功率及最大效率当输出幅度达到理想的最大值时输出功率达到最大。Vom

VCC

/

2LLEV

V

R

2RV

2P

CC

om

CC

78.5%

42

VCC

Po

VomPEVCEQ=VCC/2功率管应该严格配对，大小工作电流时的β一致。在大电流下饱和压降小，且一致。管子的散热问题。在大功率场合，必须给管子装上一定尺寸的散热板，或进行风冷和水冷。功放管因在大电流、高电压下工作，应对其采取过压和过流保护措施。

消除低频自激的有效方法是

置放大电路的供电回路中加去耦滤波电容。3、功放电路实际应用时需考虑的问题2.7.3集成功率放大器一、集成运放的扩流集成运算放大器通常要加±15V电源供电，输出最大电压幅度大

电源电压的80%至85%左右，即选用±15V电源电压时，其输出电压幅度为±12V到±13V左右，而输出电流仅为100mA以内,所以提供不出更大的功率。设想在集成运放的输出端再加一级互补对称功放电路。利用T1

、T2

互补管的电流放大作用，达到扩大输出电流，最终达到扩大输出功率的目的。R1T1D1D

2

VccT2R2

Vcc0

.50

.5v

,oRL

voR1R2LR2TD1D

2

Vcc

VccT10

.50

.5ov

,vo0v

0v0

00v

00v

0

T2管导通00v

vT1管导通00v

v运放输出为T1T2管基极电流输出电流为集电极电流二、扩大集成运放的输出电压范围的压差为+14.3-(-

14.3)=28.6V。静态分析：输入信号v

i为0时，输出电压vo

也为0。vB1=+15V,vB2=-15V，集成运放的正、负电源端电位分别为V⊕=+14.3V和V㈠=-14.3V，它们之间vovB1B

2v10k10k10k10kT1T2

VCC

(30V

)1T

'2T

'T1’和T2’是VCC

(30V

)管子加入信号vi后，T1

、T2管的基极电位分别为：动态分析：2B1

CCo

o

vo2

2v

1

(V

v

)

v

VCC2

2

21B

2

CC

o

oV

vv

(V

v

)

v

CC

o2

2

2

2V

v

V

v此时运放电源两端的压差为：V

V

(vB1

vBE1

)

(vB

2

vEB

2

)

(

CC

o

)

(

CC

o

)

1.4

VCC

1.4

28.6

VovvB1vB

210k10k10k10kT1T2

VCC

(30V

)VCC

(30V

)输出级三极管1T

'2T

'说明在静态和动态时，电源两端压差几乎一样，因此运放工作是安全的。vovB

210kvB110k10k10kT1T2

VCC

(30V

)VCC

(30V

)1T

'2T

'当输入信号正半周时：随着信号增大，

T1’和T1管趋向饱和边缘，输出趋向+30V电压；当输入信号负半周时：随着信号的负向增大，T2’和T2管趋向饱和边缘，输出趋向－30V电压；经扩压后的输出电压vO一般可达±24V以上。运放和OCL电路组成的功率放大电路实际的功率放大电路通常由电压放大级和功率放大级组成，并引入负反馈以改善各方面的性能。电压串联型交、直流负反馈的引入既可稳定静态时的输出零电位，又可稳定动态时的闭环增益和改善非线性失真，并提高输入电阻，减小输出电阻。

0

R1

R2V1

R

Vi1RvfA

1

R2R

Avf

2R1A_+vi+15V-15VRLR1R3电压并联型R2T1T2voR1

R2 i

0V

VOCLOTLLV

I

V2R2

22om

omomPo

Vo

Io22

2V

I

V2RLPo

Vo

Io

om

omomEL2V

V

RP

CC

omLVCCVom

RPE

Vom

POPE

4

VCC

Po

VomPE

2

VCCVom

VCC

/

2Vom

VCComCCV

2VCC

0.64VomTMP2T

2MT1M

1

P

0.2P

P梳理：【例1】在图所示电路中，已知输入电压vi为正弦波，两只晶体管饱和管压降|VCES|均为

2V。试问：负载电阻上可能获得的最大输出功率Pom＝？效率η=？为了得到最大输出功率，最大输入电压的有效值应为多少？解：1.输出功率和效率计算20

mLP2R

VomVCC4

VCC

|

VCES

|

69.8%PE

4

VCC

PO

VomL2R

(V

|

V

|)2CCCES

162.输入电压有效值计算1R

1

R4

11.因为Av|.

1.03i2

|

Av

|VCC

|

VCESV

V【例2】电路

，T3的偏置电路末画出，输入电压为正弦波；C为旁路电容，功放管饱和管压降为3V。负载上可能获得的最大输出功率P0m?若R5=10k，输入电压的最大有效值为1V，则为使负载获得最大输出功率，R8应取多大？R5R8解:1．负载上可能获得的最大输出功率P0m读图T3放大管6Lo

maxR

RRLV

(12

3)

8

V8

8

L

o

max

om2R

2

8V2P4

WR5R82．若R5=10k，输入电压的最大有效值为1V，则为使负载获得最大输出功率，R8应取多大？82

1.|

Avf

|

5.66Vi

maxVo

max.|

Avf

|

5.66

R5R88R

56.6

kΩ属于电压并联负反馈R5R86Lo

maxR

RRLV

(12

3)

8

V【例3】

电路

，已知集成运放的最大输出电压幅值为±13V，晶体管导通时的│VBE│＝0.7V，饱和管压降│VCES│＝2V。回答下列问题：为使输出电压稳定，引入合适的负反馈，画图表示；若电压放大倍数的数值为10，求出反馈电阻的数值。设输入电压为正弦波，电路的最大输出功率为多少？解（1）：采用电压并联负反馈1fvRRA