第4章 功率放大电路

第4章功率放大电路功率放大电路的主要特点互补对称式功率放大电路采用复合管的互补对称式放大电路集成功率放大器§4.1功率放大电路的主要特点功率放大电路：要求放大电路有足够大的输出功率。一般直接驱动负载，带载能力要强。电压放大电路与功率放大电路的区别：从能量控制的观点来看，功率放大电路与电压放大电路没有本质的区别，所有放大电路都可称为功率放大电路，但是两者所要完成的任务是不同的。

电压放大电路：主要要求是使负载得到不失真的电压信号，讨论的主要性能指标是电压放大倍数，输入输出电阻等，输出功率并不一定大。1.对放大电路的要求功率放大电路的特点主要有：(a)最大输出功率：输出波形不超过规定的非线性失真指标时，放大电路的最大输出电压与最大输出电流有效值的乘积。共射接法的最大输出功率：21UcemIcm=

2·Icm2Pom=Ucem(b)效率高：任何放大器的作用实质上都是通过放大管的控制作用，把直流电源提供的直流功率转换为向负载输出的信号功率。放大电路输出给负载的功率直流电源VCC所提供的功率2.放大电路中三极管的工作状态在功率放大电路中，三极管通常工作在大信号状态，使得管子的非线性问题充分暴露出来。在实际的功率放大电路中，应根据负载的要求，尽量设法减少输出波形的非线性失真。晶体管的极限参数在功放中，三个主要参数工作在尽限状态。①集电极的电流，它在整个过程中的最大值接近极限集电极电流ICM。②c-e之间的管压降最大值接近c-e反向击穿电压U(BR)CEO。③集电极消耗功率的最大值接近集电极最大耗散功率PCM

。晶体管的选用：3.放大电路的分析方法由于三极管的工作点在大范围内变化，因此，对电路分析一般不能采用微变等效电路法，而常常采用图解法来分析放大电路的静态和动态工作情况。变压器耦合推挽功率放大电路（传统的功率放大电路）T1：输入变压器T2：输出变压器VT1和VT2接成对称形式。当u1为正半周时，VT1导电，VT2截止当u1为负半周时，VT2导电，VT1截止优点：①输入为零时，两个三极管均不导电，静态功耗等于零，②加上正选输入电压后，VT1和VT2轮流导电，三极管本身的平均耗散相对较小，使直流电源提供的功率较多地传送给负载，因此效率高。③阻抗匹配。缺点：变压器体积庞大，消耗有色金属，高、低频相移，自激振荡，无法集成。§4.2互补对称式功率放大电路电路的组成和工作原理互补对称电路主要参数的估算4.2.1电路组成和工作原理1.

OTL互补对称电路OTL电路：省去输出变压器的功率放大电路。可分为两种：(1).

OTL（OutputTransformerLess）乙类互补对称电路(2).

OTL甲乙类互补对称电路三极管两管轮流导电，且每管导电180°，电流互补，电路结构形式对称。两管的导电角略大于180°，而小于360°。ICUCEOQiCtOICUCEOQiCtOICUCEOQiCtO晶体管的工作状态甲类工作状态晶体管在输入信号的整个周期都导通静态IC较大，波形好,管耗大效率低。乙类工作状态晶体管只在输入信号的半个周期内导通，静态IC=0，波形严重失真,管耗小效率高。甲乙类工作状态晶体管导通的时间大于半个周期，静态IC

0，一般功放常采用。(1).

OTL乙类互补对称电路电容C2两端直流电压为VCC/2u1正半周：VT1导电，VT2截止，ic1从VCC经VT1，C2，RL，公共端。u1负半周：VT2导电，VT1截止，ic2从C2正极经VT2

，地，RL，C2负极。优点：静态功耗为零，效率高。缺点：交越失真。iC1iC2R1

和R2确定放大电路的静态电位。2

VCC调整R1

和

R2的值，使静态时两管的发射极电位为如果电容足够大，则动态时电容两端的电压保持0.5VCC的数值基本不变。OTL乙类互补对称电路波形图因所以iL和uo基本上是正弦波。交越失真：u1幅度小于死区电压时，两管都不导电。在VT1、VT2轮流导电的交界处，将有一段时间两个三极管均截止。这种情况导致iL和uo的波形发生失真。为克服这一缺点，在VT1，VT2的基极之间，接入电阻R和两个二极管VD1和VD2，这种电路成为OTL甲乙类互补对称电路。otic1otic2otiLotuI交越失真R2R1uI++VCCC1-VT1NPNuOVT2PNP2VCCRLVD1VD2b1b2R+iC1iC2iLiB1iB2R

、VD1和VD2为两管提供了静态基极电流IB1和IB2避免了uI较小时两管同时截止减小了交越失真。iC1

和

iC2不为零，静态时为零(2).

OTL甲乙类互补对称电路OtiC1OtiC2OtiLOTL甲乙类互补对称电路的波形图OtuIR2R1uI++VCCC1-VT1NPNuOVT2PNP2VCCRLVD1VD2b1b2R+iC1iC2iL优点：既能减少交越失真，改善输出波形，同时又能获得较高的效率。在实际工作中广泛应用。

缺点：在低频率时容易产生频率失真，而且大电容通常具有电感效应，在高频时容易产生相移，大容量的电容无法集成。由于二极管抬高了三极管基极的电压，ic1和ic2的波形如图所示，两管轮流导电的交替过程比较平滑，最终得到的iL和u0的波形接近理想的正弦波，减小了交越失真。Ucem=VCC

–

UCES

静态时

UCE1=+VCC,UCE2=–

VCCOCL甲乙类互补对称输出级-VCCR2R1uI+VCCVT1NPNuOVT2PNPRLVD1VD2b1b2RiC1iC2iL2.OCL互补对称电路OCL电路省去了大电容，既改善了低频响应，又有利于实现集成化，应用更为广泛。省去大电容C2，VT1、VT2的发射极直接与负载相连，为了在VT1、VT2分别导电时分别提供电源，电路中采用正负两路电源，+VCC和-VCC。若VCC值相等，OCL的电流Icm比OTL电路大一倍。优点：无电容，改善了低频响应，易集成。

缺点：静态工作点如果失调，将造成大电流通过负载，一般负载回路使用保险丝。小结：变压器耦合乙类推挽电路：单电源供电，效率低，笨重，无法集成OTL电路：单电源供电，低频特性差OCL电路：双电源供电，低频特性好，效率高uI>0时工作点沿QA上移。uI<0时工作点沿QB下移。Ucem=VCC-UCES若VT1、VT2对称1.OCL互补对称电路主要参数的估算-uCE2QiC1OiC2uCE1AOB

OCL互补电路的图解法Icm1Icm2Ucem1UCESVCCRLVCC▼▼

4.2.2互补对称电路主要参数的估算（1）最大输出功率集电极最大电压为集电极最大电流为最大输出功率当满足条件uCES<<VCC时，可将上式中uCES忽略，可得LCESccLcemcmcemomRUVRUIUP2)(22122-===LccomRVP22»CEScccemUVU-=LCESccLcemcmRUVRUI-==

当输出最大功率时，放大电路的效率等于最大输出功率Pom与直流电源提供的功率PV之比。当忽略饱和压降uCES时

考虑三极管的饱和管压降，则OCL乙类和甲乙类互补对称电路的效率将低于此值。LVcmCCcmCCVRVPIVtdtIVPCCππππ2022)()sin(1»==òww78.5%42222==»=ππLCCLCCVomRVRVPPh（2）效率（3）功率三极管的极限参数a.集电极最大允许电流ICM选择功率三极管时，集电极最大允许电流应为：b.集电极最大允许反向电压U（BR）CEO功率三极管的集电极最大允许反向电压应为LCCLCESCCcmRVRUVI»-=LCCCMRVI>CCCEOBRVU2)(>两个三极管集电极电压值和等于2VCC，当|uCE2|的值最小时，VT1的集电极电压达到最大。此时uCE1≈2VCC。c.集电极最大允许耗散功率PCM在OCL互补对称电路中，直流电源提供的功率PV，一部分转换成输出功率Po传送给负载，另一部分则消耗在功率三极管内部，成为三极管的耗散功率PT，使管子发热。三极管的最大管耗大约等于最大输出功率的五分之一。在选择功率三极管时，集电极最大允许耗散功率应为：在实际工作中选用功率三极管时，应留有适当的余地。omLCCTmPRVP2.022»=πomCMPP2.0>2

.OTL互补对称电路主要参数的估算静态工作点在静态时，乙类或甲乙类互补对称电路中两个三极管集电极电流均等于零或接近于零。OTL和OCL的主要区别：集电极电压uCE1=Vcc/2,uCE2=-Vcc/2,静态工作点Q集电极电压Vcc/2,而不是Vcc。两管的静态工作点均在横坐标上的Q点处。（1）最大输出功率集电极最大电压为集电极最大电流为最大输出功率当满足条件uCES<<VCC时，可将上式中uCES忽略，可得CEScccemUVU-=2LCESccLcemcmRUVRUI-==2LCESccLcemcmcemomRUVRUIUP2)2(22122-===LccomRVP82»OTL互补对称电路中，直流电源提供的功率为当忽略饱和压降uCES时OTL互补对称电路的效率与OCL电路相同。LVcmCCcmCCVRVPIVtdtIVPCCππππ2)()sin(1220===òww78.5%42822==»=ππLCCLCCVomRVRVPPh（2）效率选择功率三极管时，集电极最大允许电流应为功率三极管的集电极最大允许反向电压应为LCCLCESCCcmRVRUVI22»-=LCCCMRVI2>CCCEOBRVU>)(（3）功率三极管的极限参数a.集电极最大允许电流ICMb.集电极最大允许反向电压U（BR）CEO

两个三极管集电极电压值和等于VCC，当|uCE2|的值最小时，VT1的集电极电压达到最大。此时uCE1≈VCC。通过分析可以证明，在OTL互补对称电路中，当忽略三极管的UCES时，每个三极管的最大管耗为：

三极管的最大管耗大约等于最大输出功率的五分之一。在选择功率三极管时，集电极最大允许耗散功率应为：在实际工作中选用功率三极管时，应留有适当的余地。omTmPP2.0»omCMPP2.0>c.集电极最大允许耗散功率PCM复合管的接法及其β和rbe复合组成的互补对称放大电路§4.3采用复合管的互补对称式放大电路▼▼4.3.1复合管的接法及其β和rbe为什么互补对称电路要采用复合管？当负载要求功率放大电路的输出功率很大时，不仅功率三极管本身的电流和电压都很大，而且对功放的前置放大级也相应地要求提供较大的驱动电流。这是因为，放大电路的最大输出功率可表示为：故功率三极管集电极电流的最大值为：如果功率三极管的共射电流放大倍数为，则功率管基极电流最大值为：假设要求最大输出功率Pom=50W,负载电阻RL=8Ω，功率管的β=20,则可算得：此时要求功放的前置级提供峰值为177mA的驱动电流，对于一般的三极管来说，要提供如此之大的输出电流是比较困难的。如果由两个三极管组成的复合管充当功率放大管，其中两个三极管的电流放大系数分别为β1=50，β2=20，则复合管基极电流的最大值为：复合管可由两个或两个以上的三极管组合而成。它们可以由相同类型的三极管组成，也可以由不同类型的三极管组成。无论由相同或不同类型的三极管组成复合管时，首先，在前后两个三极管的连接关系上，应保证前级三极管的输出电流与后级三极管的输入电流的实际方向一致。其次，外加电压的极性应保证前后两个三极管均为发射结正偏，集电结反偏，使两管都工作在放大区。rbe=

rbe1

+（1+

β1）rbe2(β1+β2+β1β2)ΔiBΔiE=(1+β2)(1+β1)ΔiB1=ΔiB+ΔiCβ=ΔiCΔiB=

β1+β2+β1β2

≈

β1β2iC1iC2iE1=iB2iEiCiBiB1ΔiC1

=β1Δ

iB1ΔiE1=ΔiB2=(1+β1)ΔiB1ΔiC2

=β2(1+β1)ΔiB1与NPN型三极管等效VT1VT2bec三极管的输入电阻rbe是其uBE与iB的变化量之比。ic1=iB2iE2iB1iBic2iciE1iEΔiC=β1(1+β2)ΔiB1=(β1+β1β2)ΔiBΔiE=(1+β1+β1β2)ΔiB1=ΔiC+ΔiBβ

=

β1（1

+β2）≈

β1β2rbe=

rbe1与NPN型三极管等效ΔiE1=(1+β1)ΔiB1ΔiC1=ΔiB2=β1ΔiB1ΔiC2=(β1β2)ΔiB1VT2VT1becrbe=

rbe1

+（1+

β1）rbe2β=

β1+β2+β1β2

≈

β1β2与PNP型三极管等效β

=

β1（1

+β2）≈

β1β2rbe=

rbe1与PNP型三极管等效iC1iE1=iB2iC2VT1VT2iEiCiB1iBbeciC1=iB2VT1VT2iEiC2iB1iBiCiE1bec（+）（+）（-）（-）（-）（+）（-）（+）结论1、由两个相同类型的三极管组成的复合管，其类型与原来的相同，复合管的放大倍数与输入电阻分别为：2、由两个不同类型的三极管组成的复合管，其类型与前级三极管相同，复合管的放大倍数与输入电阻分别为：β≈

β1β2β≈

β1β2rbe=

rbe1rbe=

rbe1+(1+β1)rbe24.3.2复合组成的互补对称放大电路OCL甲乙类互补对称放大电路VT1、VT3组成NPN复合管VT2、VT4组成PNP复合管

缺点：VT3、VT4不同类型，很难实现特性互补对称。VT3、VT4相同类型准互补对称电路接入Re1、Rc2是为了调整VT3、VT4静态工作点.§4.4集成功率放大器集成功率放大器的电路组成集成功率放大器的主要技术指标集成功率放大器的引脚和典型接法

优点：轻便小巧，成本低廉，外部接线少，方便使用，可靠性高，温度稳定性好，电源利用率高，功耗较低，非线性失真小，可集成各种保护电路（过流保护，过热保护，过压保护）用途划分：通用型和专用型（收音机，录音机，电视机）芯片内部结构划分：单通道和双通道（立体声音响）功率划分：小功率（1W以下）大功率（几十W）

输出功率比集成运算放大器更大，输出级常采用复合管组成，有时需要装散热片。集成功率放大器与一般集成运算放大器的主要区别在于，对前者要求输出更大的功率。为了达到这个要求，集成功放的输出级常常采用复合管组成。另外，通常要求更高的直流电源电压。对于输出功率比较高的集成功放，有时要求其外壳装散热片。82716354R3R2R1R4R5R7R615kΩ15kΩ50kΩ1.35kΩ150Ω15kΩ50kΩVT1VT2VT3VD1VT10VT4VT5VT7VT8VT6VT9VD2输入级为双端输入、单端输出差分放大电路镜像电流源中间级引入一个电压串联负反馈，减小非线性失真。▼▼

4.4.1集成功率放大器的电路组成图4.4.1集成功放LM386电路原理图LM386是一种音频集成功放，具有自身功率低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点。输入级为双端输入，单端输出差分放大。

VT1、VT2组成复合管，VT3、VT4组成复合管

VT5和VT6组成镜像电流源

VT3集电极输出，传送到中间级。

VT7共射放大，集电极负载由恒流源充当，得到很高的增益。

VT8和VT9组成PNP型复合管，与NPN型三极管VT10组成准互补对称电路。VD1和VD2提供偏置电压避免交越产生失真。参数测试条件最小典型最大单位工作电源电压（V+）LM386N-1,-3，LM386M-1LM386N-4451218VV静态电流（IQ）V+=6V,Ui=048mA输出功率（PO）LM386N-1，LM386M-1LM386N-3LM386N-4V+=6V,RL=8Ω,THD=10%V+=9V,RL=8Ω,THD=10%V+=16V,RL=32Ω,THD=10%2505007003257001000mWmWmW电压增益（Au

）V+