低频功率放大器

低频功率放大器目录1概述…………4803其它形式的功放电路………5192互补推挽功率放大器………4884功率器件、散热及保护电路………………5331概述1

功率放大器的主要指标2

功率放大器的分类1功率放大器的主要指标

功率放大：以输出功率为重点，驱动负载。电压放大：不失真地增大输出信号电压幅度，以驱动功放。

功率放大器实质上也是能量转换电路，它的主要特点就是工作在大信号状态下。预备知识

电压放大和功率放大有不同的特点及指标要求，在多级放大器中，电压放大器处于前置级和中间级，而功率放大处在末级（也可能包括末前级），以驱动负载。

主要指标

效率η：放大器的输出信号功率与直流电源供给功率之比。

功率放大器在线性区能够向负载提供的最大交流功率。①工作在线性区；（1）输出功率注意：②提供的最大交流功率（管子充分利用或称尽限运用）。

：直流电源供给集电极和偏置电路等直流功率之和。（2）功率放大器的效率η和晶体管集电极效率1功率放大器的主要指标

1功率放大器的主要指标

晶体管集电极效率：输出功率Po与电源供给集电极的直流功率之比。

直流电源供给功率一部分变成了有用的输出信号，剩余的部分主要变成了晶体管的管耗，即：（3）非线性失真

由于功放工作在大信号状态下，所以很容易导致输出信号产生非线性失真。要求功放产生的非线性失真尽可能小。结论：

功率放大器的任务是:在确保晶体管安全运用情况下，获得尽可能大的输出功率，尽可能高的效率和尽可能小的非线性失真。1功率放大器的主要指标

2功率放大器的分类

功率放大器根据功放管的导通时间的长短进行分类。（1）甲类（A类）工作状态

在输入信号的整个周期内晶体管都是导通的。（2）乙类（B类）工作状态

在输入信号的半个周期内晶体管导通。（3）甲乙类（AB类）工作状态

是介于甲类和乙类之间的工作状态，晶体管导通的时间大于半个周期，但小于一个周期。（4）丙类（C类）工作状态晶体管导通的时间小于半个周期。2功率放大器的分类（5）丁类（D类）工作状态

此时，晶体管处于开关状态，即在输入信号的半个周期内饱和导通；在另外半个周期内，晶体管截止。饱和导通：五类功放的效率满足下式：2功率放大器的分类2互补推挽功率放大器1

乙类推挽功率放大器的工作原理2

乙类推挽功率放大器的分析计算3

乙类推挽功率放大器的非线性失真2互补推挽功率放大器引言：甲类单管功放简介设变压器为理想的

需要强调指出的是，对于甲类功率，PU是一常数，与输入信号的大小无关。即使输入信号为零，直流电源还照样提供直流功率，因此效率很低。时当2互补推挽功率放大器1乙类推挽功率放大器的工作原理

采用乙类的原因：由于晶体管只在半个周期内导通，因此晶体管的静态集电极电流为零，所以一个周期内晶体管的平均功耗小。显然，集电极电流产生了严重的非线性失真

选用两只特性完全相同的异型晶体管，轮流工作在乙类状态。如何解决非线性失真和高效率的矛盾？电路结构

（1）和是一对对称的异型晶体管；

（2）和分别与负载组成射极跟随器；

（3）采用两组电源供电。

两管交替工作，一只在输入信号正半周导通，另一只在负半周导通，犹如一推一挽，在负载上合成完整的波形。1乙类推挽功率放大器的工作原理工作原理注：以下的分析中不考虑门限电压。电路两管基极的静态电位为零两管集电极电流为零1乙类推挽功率放大器的工作原理电路

导通，截止

与组成射极跟随器在上得到上半周波形

输入信号在正半周的情况工作原理1乙类推挽功率放大器的工作原理电路

导通，截止

与组成射极跟随器在上得到下半周波形

输入信号在负半周的情况工作原理1乙类推挽功率放大器的工作原理工作原理1乙类推挽功率放大器的工作原理两管的Q点重合2

乙类推挽功率放大器的分析计算组合特性曲线组合特性曲线

由于功放电路工作在大信号状态下，必须采用图解法分析。为了便于分析，将VT1的特性曲线倒置在VT2特性曲线的下方，它们的静态工作点重合。静态集电极电流为零输出功率A不考虑UCES时，输出功率是ΔAQO的面积，此时输出功率最大。两个晶体管的输出功率为

通常所指的输出功率是指在线性区得到的最大输出功率。如一功率放大器输出功率为10W，就是这个意思。实际输出功率与激励信号的大小有关。

必须指出当功率放大器未充分利用或未尽限运用时，则两个晶体管的输出功率为这时

定义电压利用系数结论：即忽略晶体管的饱和压降输出功率直流电源供给晶体管集电极的直流功率

直流电源供给晶体管集电极的直流功率是由两个电源供给的，由于每个晶体管只导通半周期，故流过每个集电极的电流为半个周期的非正弦波。

可见，输入信号越大，即ξ越大，需要提供的直流电源供给功率PU就越大；反之，输入信号越小，需要提供的直流电压功率就越小。当输入信号为零时，直流电源不需要提供功率。

这说明电源供给的直流功率不是恒定不变的，而是根据输入信号大小而变化。因此乙类功放的效率高（与甲类进行比较）。4.集电极效率

ηcmax称为理论极限效率。可见，乙类推挽功放的集电极效率与电压利用系数ξ成正比。2

乙类推挽功率放大器的分析计算对晶体管的要求（1）集电极功耗Pc：每管的集电极损耗。

能否认为输入信号越大越大），管耗就越大呢？

上式均是对两管而言的，而集电极功耗是对每一管子而言的。管耗也与ξ有关。2

乙类推挽功率放大器的分析计算2

乙类推挽功率放大器的分析计算

在选管时，为了保证晶体管安全工作，可以以此作为选管依据。通过管耗的表达式可以画出和ξ的关系曲线

处于截止状态的晶体管的c极和e极之间承受的反压（2）反向击穿电压

，导通，截止，情况一样。当，导通，截止，2

乙类推挽功率放大器的分析计算（3）集电极最大允许电流指功放管导通时，流过管子的最大电流。

为确保晶体管安全工作，必须同时满足上面的三个条件。

图示的双电源供电的互补推挽功率放大器称为OCL（OutputCapacitorLess)电路。

结论：2

乙类推挽功率放大器的分析计算例5-1

一双电源互补对称电路如图所示，设已知UCC=12V,RL=16,输入信号为正弦波，求（1）忽略饱和压降时，负载得到的最大输出功率Pomax；（2）每个管子的PCM至少为多少？（3）每个管子的耐压为多少？解：(2)

每管的：故要求管子允许的最大管耗为(3)每管的耐压为：例5-2

电路如图所示，电源电压UCC＝20V，RL＝8Ω试计算当输入信号为正弦信号，且有效值为10V时，电路的输出功率、管耗、直流电源供给功率和效率。解：导通时，VT1和VT2均构成共集电路，因此输出功率每管实际承受的管耗这时功率放大器未充分利用或未尽限运用直流电源供给的功率：

应当指出，由于输入信号偏小，这时电路未处于充分利用或尽限运用，输出功率未达到线性区最大输出功率，故效率偏低。3乙类推挽功率放大器的非线性失真推挽电路对偶次谐波的抑制

推挽电路中，若两管的特性完全一致，则其电压、电流波形也完全对称。可见，对称的电路可以消除偶次谐波成分。交越失真及消除方法理想传输特性（不考虑门限电压）（1）传输特性

在实际传输特性中，必须考虑三极管发射结的门限电压值。

可以看出，当输入信号的绝对值小于0.7V时，没有输出，因此输出信号会出现明显的失真。

是NPN管的集电极饱和电压3乙类推挽功率放大器的非线性失真交越失真实际传输特性及输出电压波形如图所示（2）交越失真交越失真是指发生在信号穿越过零点时产生的失真。3乙类推挽功率放大器的非线性失真

如何消除交越失真？加入合适的偏置电压。原理电路（3）消除交越失真的方法①改为甲乙类工作状态

实际上，在集成电路中，正向偏置可以用电阻、二极管和晶体管等元器件来提供。

图中，给两个晶体管加入了同样的正偏电压，由于此时晶体管的导通时间已大于半个周期，因此此时的工作状态是甲乙类工作状态。但由于其工作状态十分接近于乙类，故仍可按乙类的功放进行分析。3乙类推挽功率放大器的非线性失真实际电路1电容是保证在交流时，加在和基极的输入信号是相同的。

在该电路中，是放大级，和构成互补推挽功放，正向偏压是利用流过的直流电流在上产生的压降提供的。3乙类推挽功率放大器的非线性失真实际电路2：显然，在该电路中，正向偏压是由和的正向电压提供。实际电路3：

在该电路中，是放大级，和、组成恒压源电路，为和提供正向偏压，以消除交越失真。3乙类推挽功率放大器的非线性失真

恰当选择电阻R1、R2，使IB1可以忽略不计，则

调整R1、R2比值，即可获得某一倍数UBE的UBB，因此该电路又称为UBE倍增电路。3乙类推挽功率放大器的非线性失真②使用负反馈电路

在功率放大器前引入一级电压放大器（在本图中引入了集成运放），并构成电压串联负反馈。

设死区电压为±0.7V，则引入负反馈后，死区电压为±0.7V/A0。A0为集成运放开环增益。R1是用来限制放大器A的输出电流，但同时RL又是靠R1上的电流来驱动的。3乙类推挽功率放大器的非线性失真小结乙类工作状态的矛盾互补推挽功放电路结构工作原理电流波形图组合特性曲线性能指标非线性失真工作原理性能指标计算极限参数选择交越失真消除方法3乙类推挽功率放大器的非线性失真3其它形式的功放电路1

单电源供电的互补推挽电路2

准互补推挽功率放大器3

桥式平衡功率放大器4集成功放电路5丁类音频功率放大器1单电源供电的互补推挽电路原理电路

双电源供电的互补推挽电路需要两组正负电源，有时使用不便，因此提出了单电源供电电路。

当电容C的容量很大时，对C的充放电时间远大于信号的半个周期。因此，当两管轮流导通时，电容两端电压基本不变。实际电路结构

电路中只采用了一组电源供电；VT1是放大级，工作在甲类状态。VT2和VT3构成互补推挽功放，R4用来消除交越失真，C3用来旁路R4，使加到VT2、VT3的基极的激励信号相等。VT2和VT3的输出通过电容C2和负载相接。1单电源供电的互补推挽电路工作原理调整VT1的静态工作点，使

由于C2的容量很大，因此C2充放电的时间常数远大于信号的半个周期，所以两管轮流导通时，电容两端的电压基本不变恒等于UCC/2，相当于直流电源电压。1单电源供电的互补推挽电路4.性能指标

该电路的性能指标计算等同于OCL电路，只是此时的等效电源电压为UCC/2。

图示的单电源供电的互补推挽功率放大器称为OTL(OutputTransformerLess)电路。1单电源供电的互补推挽电路2准互补推挽功率放大器①复合管类型以第一个晶体管为准；②应保证两管的基极电流能流通；③第一管的c、e不能和第二管的b、e接在一起。

复合管

将两只或两只以上的晶体管按照一定的原则连接在一起，以实现一定的目的。（1）等效为NPN管（2）等效为PNP管（3）连接原则：准互补推挽电路VT5作为放大管，工作在甲类工作状态。VT1、VT3

以复合管的方式构成NPN管。VT2、VT4以复合管的方式构成PNP管。

注：VT3和VT4是同型管子，所以不具互补性，互补作用是由VT1和VT2实现的。

Re1和Re2的作用是为了减小复合管的穿透电流。2准互补推挽功率放大器3桥式平衡功率放大器（BTL电路)

该功率放大器是为了解决输出功率和电源电压之间的矛盾而提出的。忽略饱和压降时，负载的输出电压幅度为。忽略饱和压降时，负载的输出电压幅度为。

负载一定时，BTL电路的输出功率可达到OTL电路的四倍。4

集成功放电路(1)LM380内部电路LM380是单电源供电的集成功放。4

集成功放电路(2)LM380外接引脚5丁类音频功率放大器MOS管的出现和数字技术的发展丁类音频功放提高放大器的效率及系统稳定性等PWM开关功率放大器工作原理PWM：脉冲宽度调制（PulseWidthModulation)组成框图（1）PWM信号的产生

脉宽调制器将音频模拟信号转换为脉冲宽度正比于其输入信号瞬时幅度的信号

5丁类音频功率放大器(2)开关功率放大器

开关管VT1和VT2轮流导通，以开关方式工作，即工作于可变电阻区和截止区两种状态。工作于可变电阻区：开关管导通电阻

由于在可变电阻区时，流过管子的电流可以很大，但漏源间的电压很小，因此开关管的导通电阻很小，故效率很高。(3)低通滤波器

只要取样频率足够高，就越容易滤除PWM信号中的谐波分量，恢复出音频信号，但取样频率也不宜过高，应满足

5丁类音频功率放大器实际电路单片无需滤波器的D类音频功率放大器TPA2005D1差分输入状态

5丁类音频功率放大器4功率器件、散热及保护电路4.1

功率器件4.2功放管的管耗与散热4.3

保护电路4.1

功率器件

在型硅衬底上生长出一层外延层，区共同构成漏区，在其上引出漏极（d极）；在外延层上掺杂扩散形成P层及层，以此为源极区并在其上引出源极(s极)；最后利用光刻技术刻蚀出纵向的V型槽，在整个表面氧化生成SiO2层，并在V型槽表面蒸发一层金属层形成栅极（g极）。（1）功率MOSFET大功率MOSFET管采用纵向导电沟道，称为VMOSFET。VVMOS管结构图（2）绝缘栅双极型功率管IGBT这是一种将MOS管和双极型晶体管组合而成的功率器件。NMOS复合管的构成及符号PMOS复合管的构成及符号IGBT具有大电流、高电压、低功耗、高输入电阻、小驱动电流等