②输出特性图16-111-N沟道增强型MOS管输出特性

§16-8互补对称功率放大器一.对功率放大器的基本要求1.功放的任务:输出足够大的功率供给负载。根据信号频率的不同，功率放大器分低频（音频）功放高频（射频）功放本节是讲低频功率放大器。根据用途不同，它的负载也不同，如扬声器，电动机，继电器等，功率放大器往往是整个放大系统的最后一级，故常称末级或输出级。图16-87扩音机方框图（功放应用实例）2.基本要求包含三个方面:①.在不失真条件下输出尽可能大的功率。②.效率高。功率放大器往往是整个电子设备定义:功放效率

=负载获得的交流信号功率(P0)电源提供的直流功率(PE)(16-72)功率的主要消耗者，为了减小功耗，功放效率应尽量的高。集电极功率损耗PC=PE-PO图16-88功率放大器效率③.安全工作末级放大器交流信号电压(电流)都很大，相应的直流电压(电流)也大，管子容易损坏。为了保证安全工作，管子动态范围不应超出由极限参数（PCM，U（BR）CE0，ICM）限定的安全工作区。3.工作状态的选择放大管的工作状态分为甲类，甲乙类，乙类等，如图16-89所示。第(62)页功放如选甲类工作状态，放大器效率较低，这是因为甲类时，，电源供给的直流功率不论有无交流输入信号，直流电源均需提供这一功率，甲类工作点取得很高，ICQ很大，所以PE也大。而且处于放大区，电流通角

=360

，小信号电压放大器就属于此类工作状态。甲类:在交流信号的一个周期内，管子均有电流，甲乙类:

介于甲类于乙类之间，180

<

<360。乙类:交流信号半个周期管子导通，另半个周期管子截止，电流通角只有一半，即

=180。而乙类工作状态，ICQ=0，静态时电源不需要消耗功率，仅当激励信号加入，集电极出现脉冲电流，直流电源才需提供直流功率（式中,IC是集电极脉冲电流的直流分量），从而节省了电源功率，提高了效率，可以证明甲类功放的最高效率只能达到50%，要提高效率，功放应采取乙类工作状态，但是乙类工作需要解决波形失真问题。小信号电压放大器由于工作点电流很小，功耗很小，不需要考虑效率问题，故采用甲类工作。二.互补对称功率放大电路1.工作原理①.结构特点:上下对称，但T1，T2管子类型不同:T1，NPN，正电源供电T2

，PNP，负电源供电发射极共用负载RL，对于扬声器RL=4

，8

，16

②.静态分析静态时ui

=0，B点电位UB

=0；扬声器RL直流电阻很小，可认为短路，故A点电位UA=0，因而T1，T2的UBEQ=0，两管均属乙类工作状态，静态无电流。假定T1，T2具有图16-91所示理想特性，在交流正弦信号激励下，正半周，T1导通，T2截止；负半周，T2导通，T1截止，正负半周的等效电路分别如图16-92(a)及(b)所示。③.动态分析第(63)页图16-93是电压电流波形图。结论:互补对称功率放大器实质上是两个共集电极放大器(射极输出器)的组合，这两个共集放大器所用放大管的类型不同，所以在同一信号激励下，可以轮流交替导通，实现互补，在负载RL上获得完整的正弦波，解决了乙类工作波形失真问题。需要说明：共集放大器虽然没有电压放大作用，但有电流放大，因而存在功率放大，共集放大器很低的输出电阻使它便于和负载RL匹配。在不失真条件下，放大器加入最大激励信号时，放大管的工作状态，如图16-94所示，由图可见，最大输出电压幅值：式中，UCES是三极管饱和压降，约0.3伏左右，一般可以忽略，故(16-73)最大输出电流幅值(16-74)于是互补对称功率放大器的最大不失真输出功率(理想值)为：(16-75)半个正弦波的集电极脉冲电流，其直流分量由频谱分析求得为:两个电源供给的直流功率放大器效率(16-76)(16-77)图16-90是正负电源供电的放大电路，负载RL与放大器之间直接耦合。为简化电源，可实施单电源供电，为防止短路，RL与放大器之间必须采用电容耦合，CL对音频信号视为短路，其上直流压降就是UA。单电源供电的互补对称功放一般称为OTL电路，双电源供电的，称为OCL。2.单电源供电互补对称功率放大器如图16-95所示。单电源供电时，A点直流电位（称为中点电位）。信号输入端的直流电位UB应等于UA，使T1，T2仍为乙类工作状态。第(64)页单电源供电互补对称功率放大器的电流电压波形

图16-96是在不失真条件下，输入端加上最大激励信号时，OTL电路的电压电流波形。由图可见，最大输出电压幅值最大输出电流幅值最大不失真输出功率（理想值）（16-78）（16-79）（16-80）图16-96最大不失真输出状态下集电极半正弦波脉冲电流的直流分量（即直流电源电源电流的平均分量）：电源供给的直流功率放大器效率带有推动级的OTL电路示于图16-98，推动级T3工作于甲类状态，基极偏压来自中点电位（A点）经偏置电阻R1送至基极。调节R1使T3集电极静态电位近于，R1产生交直流负反馈，使电路稳定。在最大不失真输出时，图16-98电路各点交流电压波形如图16-99所示。在t1时刻，激励信号ui瞬时值最大，T3瞬时电流ic3也最大，T3充分饱和，CE之间近于短路，因而其集电极（B点）电位降至零，导致T1截止，T2充分饱和，T2管CE之间近于短路，于是A点电位也降至零；输出电容CL上的电压瞬间加在负载RL上，使输出电压瞬时值等于。第(65)页

在t3时刻，激励信号瞬时值达到负的峰值，T3截止，B点瞬时电位升至接近UCC（如果忽略基极电流IB1在R3上的电压降），T1充分饱和导通，T2完全截止，电源电压UCC经T1加在A点上，于是输出电压u0瞬时值等于。3.OTL电路的改进①.改善输出波形以上交流波形的分析是假定三极管具有理想的折线特性(图16-91)，但实际的输入特性存在死区电压UBE，如图16-100所示。互补对称功放如果工作在乙类状态，当输入电压瞬时值小于死区电压时，晶体管基本上截止，因此在这段区域内输出为零。致使两管的集电极电流均小于半个周期的正弦波，在RL中的合成电流将为正负半周期不能相互衔接的失真波形，通常将这种失真称为交越失真。图102甲乙类工作的互补对称功放及推动级为了改善波形，可采用甲乙类工作状态，给互补对称放大管加一小的正向偏压，使静态工作点稍高于截止点（避开死区段），如图16-101所示。

图16-102则是具体电路，T3集电极静态电流流经R4所产生的电压降为T1.T2两管提供稍大于（UBE1+UBE2）的偏置电压。电阻R4亦可由两个二极管或三极管代替。②.增加输出功率根据式(16-75)及式(16-80)互补对称功率放大器的最大不失真输出功率(OCL)(OTL)

P0ma

=由上式可见，要提高

Pomax，必须提高电源电压或者降低负载阻抗，若提高UCC势必使电源复杂，整机重量增加，因此在晶体管设备中，常采用降低负载(扬声器)阻抗的办法。但是负载电流的峰值等于采用低阻抗负载，势必要求晶体管输出更大电流。第(66)页(2)输出电流峰值Iom解:(2)(1)瓦(3)倍目前大功率三极管

≤(200～300)倍，互补输出管T1或T2靠一个管子无法满足上述要求，必须采用图16-103所示复合管。例16-19已知:OTL电路UCC=20伏，RL=4

，求:(1)Pomax(3)若基极激励电流幅值Ibm=2.5mA，求输出互补管应具有的电流放大倍数

图中T1是小功率管，T2是大功率管，NPN-NPN的复合是等效NPN管，PNP-NPN的复合是等效PNP管，复合管可以看成一个大电流放大倍数的三极管，其等效集电极电流(以NPN-NPN复合为例):复合管的电流放大倍数(16-81)采用复合管不仅提高了电流放大倍数，而且解决了大功率管的配对问题。图16-104是由复合管构成的0TL电路，T3和T4是同类型（均为NPN大功率）的管子，参数容易一致。CO,RO是“自举电路”它可以减少R3对OTL输入激励信号的分流作用,增加OTL电路的输出.第(67)页各元件作用如下：R6

，R7

——将复合管的第一管子（T1

，T2）穿透电流分流，提高工作点热稳定性。R4

，D1

，D2——

给复合管提供小的正向偏压，使其工作于甲乙类状态，克服交越失真。R8

，R9

——电流负反馈，改善波形，但使输出功率降低，故数值不能大，一般零点几个欧姆。R1*——T5上偏置电阻，交直流负反馈，调节中点电位，使静态时CL

——输出耦合电容，隔直流。该电容容量尽可能大，以免产生低频失。到目前为至，我们讨论的三极管是属于双极型晶体管（BipolarJunctiontransistor)，这种电子器件的缺点是：Ri太低，动态范围小，温度系数大。场效应管（FET）的优点则是：Ri高，动态范围大，热稳定性好，噪声低，抗辐射能力强，制造工艺简单。但易损坏，跨导gm小。场效应管分为两大类：结型场效应管（JunctionFET）和绝缘栅场效应管（MetalOxideSemiconductorFET）。§.16-10场效应管（FieldEffectTransistor)及其放大电路1.偏置特点一.结型场效应管(JFET)又分为N沟道JFET和P沟道JFET两种。图16-103BJT与JFET偏置的对照2.JFET工作原理我们以N沟道JFET为例说明工作原理。

JFET仍是一种以PN结为基础构成的特殊半导体器件。它利用反向偏置电压UGS使空间电荷区厚度改变，引起基区有效宽度W跟着改变，结果导致基区纵向半导体体电阻RDS变化，控制漏极电流ID，实现放大作用。第(68)页3.JFET的特性①.转移特性表示以UDS为参变量的ID~UGS的关系。可以证明：式中，UGS（off）称为夹断电压，IDSS称为漏极饱和电流。图16-106N沟道JFET转移特性②.输出特性表示ID~UDS的关系，以UGS为参变量。二.MOSFETMOSFET管有四种类型:MOSFETN沟P沟增强型耗尽型增强型耗尽型图16-106N沟道JFET输出特性1.结构及工作原理以N沟道增强型MOSFET为例，说明其结构原理，如图16-107所示。当UGS=0，即使加有UDS，漏极不会有电流；加上栅极电压UGS后，栅极绝缘层下面空穴将减少，而电子增多。如果UGS足够大，一旦电子浓度超过空穴浓度，表面区域的P型半导体就转变为N型半导体（称为反型层），反型层的出现相当于在n+之间，架起了一座导电的“桥”（称为导电沟道），于是就出现了电流ID。图16-107显然，UGS越大，反型层中电子越多，N沟道越厚，导电能力越强，ID越大。实现了栅极电压UGS对漏极电流ID的