模拟电子技术 课件 第9章 功率放大电路

第9章功率放大电路9.1功率放大电路的特点和分类9.2双电源乙类互补对称功率放大电路9.3双电源甲乙类互补对称功率放大电路9.4单电源互补对称功率放大电路9.5实用功放电路和集成功放电路介绍9.1功率放大电路的特点和分类

实际应用：在多级放大电路中，输出级输出的信号往往都是送到负载并驱动负载工作。例如，使扬声器音圈振动发出声音；推动电动机旋转；使继电器或记录仪表动作等。这就要求多级放大电路的输出级能够给负载提供足够大的信号功率。即输出级不但要输出足够高的电压，同时还要输出足够大的电流。这种用来放大功率的放大电路称为功率放大电路，也叫功率放大器，简称功放。9.1.1功率放大电路的特点1.输出功率要尽量大

为了使负载获得尽可能大的功率，要求功率管应有足够大的电压和电流输出幅度。因此管子往往在接近极限运用状态下工作，这就要求在选择功率管时，必须考虑使它的工作状态不超过其本身的极限参数ICM、PCM和U（BR）CEO。2.效率要高

由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，这就存在一个效率问题。所谓效率是指负载得到的有用信号功率和直流电源供给的直流功率的比值。比值越大，效率越高。我们总是希望尽量减小三极管的损耗功率，以提高能量转换的效率。3.非线性失真要小

功率放大电路是在大信号下工作的，输出电压和电流的幅值都很大，所以不可避免地会产生非线性失真，而且同一功放管输出功率越大，非线性失真往往越严重，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。但是，在不同场合下，对非线性失真的要求不同，例如，在测量系统和电声设备中，这个问题显得很严重，而在工业控制系统等领域中，则以输出功率为主要目的，对非线性失真的要求就降为次要问题了。需要指出的是，分析大信号工作状态已不能用微变等效电路分析法，而普遍采用图解法及近似估算法。

4.三极管的散热和保护

在功率放大电路中，三极管的集电结消耗较大的功率使结温和管壳温度升高。为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率，放大器件的散热就成为一个重要的问题。此外，管子承受的电压高，通过的电流大，所以还必须考虑三极管的保护问题。通常采取的措施是对三极管加装一定面积的散热片和电流保护环节。

9.1.2功率放大电路的分类

分类方法：根据放大电路中三极管静态工作点设置的不同，可分成甲类、乙类和甲乙类三种。

甲类：甲类放大电路的工作点设置在放大区的中间，这种电路的优点是在输入信号的整个周期内三极管都处于导通状态，输出信号失真小；缺点是三极管有较大的静态电流ICQ，这时管耗PC大，而且甲类放大时，不管有无输入信号，电源供给的功率是不变的。可以证明，即使在理想条件下，甲类放大电路的效率最高也只有50%，那些对于输出功率及效率要求不高的功率放大电路可以采用甲类。——效率低

图9-1功率放大电路的甲类工作状态

乙类：乙类放大电路可以改善甲类效率低的不足。从甲类放大电路中可以看出，效率低的主要原因是静态电流ICQ太大。在没有信号输入时，电源仍然输送功率。由此可见，提高效率的办法是减小静态电流ICQ。如果把静态工作点Q向下移动，使静态电流ICQ等于零，则输入信号等于零时电源供给的功率也等于零，输入信号增大时电源供给的功率也随之增大，这样电源供给的功率及管耗都随着输出功率的大小而变，这样就能改变甲类放大时效率低的状况，这种工作方式下的电路称为乙类放大电路。可见，乙类放大电路的工作点设置在截止区。乙类放大电路提高了能量的转换效率，在理想情况下效率可达78.5%，但此时却出现了严重的波形失真，在输入信号的整个周期，仅在半个周期内三极管导通，有电流流过，只能对半个周期的输入信号进行放大。——存在波形失真

甲乙类：如果在乙类的基础上，将三极管输出特性曲线中的工作点Q上移一些，设在放大区但接近截止区，使三极管的导通时间大于信号的半个周期，且小于一个周期，这类工作方式下的电路称为甲乙类放大电路。目前常用的音频功率放大电路中功放管多数是工作在甲乙类放大状态。这种电路的效率略低于乙类放大，但它克服了乙类放大电路产生的失真问题，目前使用较广泛。——应用广泛复习思考题

9.1.1

填空：

（1）为了获得大的功率输出，要求功率放大电路的

和

都有足够大的输出幅值，因此元器件往往在接近极限运用状态下工作。

（2）功率放大电路要解决

、

、

、

等问题。

（3）功率放大电路中输出的功率由

提供，功率放大电路的效率指

比值。甲类功率放大电路效率低的主要原因是

。

（4）根据三极管的静态工作点的位置不同，功率放大电路可分为以下几种类型：

、

、和

。

9.1.2

判断正误：

（1）在功率放大电路中，输出功率越大，三极管的功耗越大。（

）

（2）功率放大电路的最大输出功率是指在基本不失真的情况下，负载上可能获得的最大交流功率。（

）

（3）功率放大电路与电压放大电路的区别是：

①前者比后者电源电压高；（

）

②前者比后者电压放大倍数数值大；（

）

③前者比后者效率高；（

）

④在电源电压相同的情况下，前者比后者的最大不失真输出电压大。（

）

9.1.3

单选：

（1）功率放大电路的最大输出功率是在输入电压为正弦波、输出基本不失真情况下，负载上可能获得的最大（

）。A．交流功率 B．直流功率 C．平均功率

（2）功率放大电路的转换效率是指（

）。A．输出功率与三极管所消耗的功率之比

B．最大输出功率与电源提供的平均功率之比C．三极管所消耗的功率与电源提供的平均功率之比

（3）在输入信号的整个周期内，（

）功率放大电路都有电流通过，输出没有削波失真的信号。A．乙类B．甲类 C．甲乙类 D．丙类9.2双电源乙类互补对称功率放大电路

电路结构形式：乙类放大电路具有能量转换效率高的特点，常用它作为功率放大器。但乙类放大电路只能放大半个周期的信号，为了解决这个问题，常用两个对称的乙类放大电路分别放大正、负半周的信号，然后合成为完整的波形输出，即利用两个乙类放大电路的互补特性完成整个周期信号的放大。9.2.1电路组成及工作原理

1.电路组成

图9-2所示是双电源乙类互补功率放大电路。VT1是NPN型管，VT2是PNP型管。V

T1和VT2管的基极连在一起作为信号输入端，发射极连在一起作为信号输出端，RL为负载。这个电路实际上是由两个射极输出器组合而成。电路中正、负电源对称，两管参数对称。

图9-2双电源乙类互补

对称功放电路

静态：由于两管都没有偏置电阻，故（ui=0）时，两管都截止，此时IBQ、ICQ、IEQ均为零，负载上无电流，输出电压uo=0。

动态时，当输入信号ui为正半周时，ui＞0，两管的基极电位为正，故VT1管导通，VT2管截止，iC1从+VCC流出，经VT1后流过负载电阻RL，在负载RL上形成正半周输出电压uo＞0。当输入ui为负半周时，ui＜0，两管的基极电位为负，故VT2导通，VT1截止。ic2由公共端流经负载RL和VT2到-VCC，在RL上形成负半周输出电压uo＜0。

由以上分析可知，在输入信号ui的一个周期内，VT1、VT2管轮流导通，而且iC1、iC2流过负载的方向相反，从而形成完整的正弦波。

2.工作原理

由于静态时不取用电流，故两管都处在乙类工作状态。这种电路中的三极管交替工作，组成推挽式电路，两个管子互补对方缺少的另一个半周，且互相对称，故称为互补对称功率放大电路。这种电路又称为无输出电容的功率放大电路，即OCL（OutputCapacitorless）。9.2.2主要参数的估算

1.输出功率Po

由功率的定义得：

可见，输出电压Uom越大，输出功率Po越高，当三极管进入饱和区时，输出电压Uom最大，其大小为：

若忽略UCES，则最大不失真输出功率为：图9-2双电源乙类互补对称功放电路

2.直流电源提供的功率PV

因此两个电源提供的功率为：

两个电源各提供半个周期的电流，故每个电源提供的平均电流为：

输出功率最大时，电源提供的功率也最大：图9-2双电源乙类互补对称功放电路

3.效率

输出功率与电源提供的功率之比称为电路的效率。在理想情况下，电路的最大效率为：

4.管耗PT

直流电源提供的功率与输出功率之差就是消耗在三极管的功率，即管耗PT：

所以，最大输出功率时的总管耗为：

4.管耗PT

可求得：当时，三极管消耗的功率最大，其值为：

每个管子的最大管耗为：

注意：上式就是每管最大管耗与最大不失真输出功率的关系，可用作设计乙类互补对称功率放大电路时选择三极管的依据之一。例如，要求输出功率为10W，则应选择两个集电极最大功耗为2W的管子。

结论：

选管原则：由以上分析可知，若想得到预期的最大输出功率，三极管有关参数的选择，应满足以下条件：

（1）每只管子的最大管耗：；

由电路图可知，当导通管饱和时，截止管承受的反压为2VCC，所以三极管的反向击穿电压应满足∣U（BR）CEO∣＞2VCC；

三极管的最大集电极电流为，因此三极管的。

【例9-1】

乙类互补对称功率放大电路（OCL）如图9-2所示，直流电源VCC=24V，在输入信号ui的一个周期内VT1、VT2轮流导通，导通角各位180o（即半个周期），负载电阻RL=8Ω，忽略管子的饱和压降。求电路的最大输出功率、最大输出功率时直流电源供给的总功率、效率和总管耗，并选择三极管。

解：

最大输出功率为：

直流电源共给的总功率为：

电源的效率为：图9-2双电源乙类互补对称功放电路

总管耗为：三极管参数的选择：

PTM≥0.2Pom=0.2×36W=7.2W∣U（BR）CEO∣＞2VCC=2×24V=48V

注意：根据以上结果，适当留有余量，查半导体器件手册，找到相应的NPN型和PNP型三极管。需要指出的是，管耗最大时电路的效率并不是78.5%，读者可自行分析此时的效率是多少。图9-2双电源乙类互补对称功放电路复习思考题

9.2.1

简答：

（1）双电源乙类互补对称功率放大电路中，为何需要双电源供电？

（2）对于双电源乙类互补对称功率放大电路，若想得到预期的最大输出功率，三极管有关参数的选择应满足哪些条件？

9.2.2选择题：

（1）在双电源乙类互补对称功率放大电路中，若最大输出功率为1W，则电路中每只三极管的集电极最大功耗约为（

）。A．1W B．0.5W C．0.2W

（2）在选择功放电路中的三极管时，应特别注意的参数有（

）。A．βB．ICBOC．U(BR)CEOD．ICME．PCM F．fT

（3）在互补推挽功率放大电路中，给三极管设置适当的直流偏置，使其工作于（

）状态。A．丙类B．乙类C．甲类D．甲乙类

（4）双电源乙类互补对称功率放大电路采用直接耦合，要求其输出端的中点静态电压是（

）V。A．1 B．2C．0D．0.5

（5）双电源乙类互补对称功率放大电路，其输出波形的交越失真是指（

）。A．频率失真B．相位失真C．波形过零时出现的失真D．幅值失真

（6）在图9-2所示双电源乙类互补对称功率放大电路中，已知三极管VT1、VT2的饱和压降|UCES|=2V，UBEQ=0V，VCC=15V，RL=8Ω，输入电压ui为正弦波，选择正确答案填入空格内。

①静态时，三极管发射极电位VEQ

。A．>0V B．=0 C．<0V

②最大输出功率Pom

。A．≈11W B．≈14W C．≈20W

③电路的转换效率η

。A．>78.5% B．=78.5% C．<78.5%

④为使输出信号有最大功率，输入电压的峰值应为

。A．15V B．13V C．2V

⑤三极管正常工作时，能承受的最大工作电压UCEmax为

。A．30V B．28V C．4V

⑥若三极管的开启电压为0.5V，则输出电压将出现

。A．饱和失真 B．截止失真 C．交越失真

乙类OCL功放电路的不足：图9-2所示乙类双电源OCL电路中，由于VT1和VT2的基极直接连在一起，没有直流偏置，则在输入电压ui正半周与负半周的交界处，当ui的幅度小于VT1、VT2输入特性曲线上的死区电压时，两管都不导电。也就是说，在VT1、VT2交替导电的过程中，将有一段时间两个三极管均截止。这种情况将导致iL和uO的波形发生失真，由于这种失真出现在波形正、负交越处，故称交越失真，如图9-3所示。需要改进！图9-2双电源乙类互补对称功放电路图9-3交越失真9.3双电源甲乙类互补对称功率放大电路9.3.1交越失真及其消除

为了消除交越失真，必须建立一定的直流偏置，偏置电压只要大于三极管的死区电压即可，这时的VT1、VT2工作于甲乙类放大状态。

图9-4所示为甲乙类互补对称功率放大电路。它是在图9-2的基础上，接入了两个基极偏置电阻R1、R2以及VT1、VT2基极之间的导电支路，该导电支路由可变电阻R和二极管VD1、VD2组成，这样就使得静态时存在一个较小的电流从+VCC流经R1、R、VD1、VD2、R2到-VCC，在VT1和VT2的基极之间产生一个电位差，故静态时两只三极管已有较小的基极电流，因而两管也各有一个较小的集电极电流。图9-4双电源甲乙类互补对称功率放大电路

当输入正弦电压ui时，在正、负半周两管分别导电的过程中，将有一段短暂的时间VT1、VT2同时导电，避免了两管同时截止，因此交替过程比较平滑，减小了交越失真。9.3.2由复合管组成的甲乙类互补对称功放电路

产生背景：如果功率放大电路输出端的负载电流比较大，必须要求互补对称管VT1和VT2是能输出大电流的三极管。但是，大电流的三极管一般β值较低，因此就需要中间级输出大的推动电流提供给输出级。在集成运放电路中，中间级一般是电压放大，很难输出大的电流。为了解决这一矛盾，一般输出级采用由复合管构成的互补对称电路。如图9-5所示。

图9-5

由复合管组成的甲乙类互补

图9-6

由复合管组成的甲乙类准互补

对称功率放大电路

对称功率放大电路

不足：图9-5所示电路有一个缺点，大功率三极管VT3是NPN型，而VT4是PNP型，它们类型不同，很难做到特性互补对称。为了克服这个缺点，VT3和VT4采用同一类型甚至同一型号的三极管，例如二者均为NPN型，而T2则用另一类型的三极管，如PNP型，如图9-6所示。此时VT2与VT4组成的复合管为PNP型，可与VT1、VT3组成的NPN性复合管实现互补。这种电路称为准互补对称电路。图中接入电阻Re1和Rc2是为了调整功率管VT3和VT4的静态工作点。

图9-5

由复合管组成的甲乙类互补

图9-6

由复合管组成的甲乙类准互补

对称功率放大电路

对称功率放大电路

复习思考题

9.3.1简答：

（1）图9-2所示的电路，为何会产生交越失真？

（2）图9-4所示的甲乙类互补对称功率放大电路为何能够克服交越失真？

（3）由复合管组成的甲乙类互补对称功率放大电路有何优越性？

9.3.2

在图9-4所示电路中，已知VCC=16V，RL=4Ω，VT1和VT2的饱和压降|UCES|=2V，输入电压足够大。试问：

（1）最大输出功率Pom和效率η各为多少？

（2）三极管的最大功耗PTmax为多少？

（3）为了使输出功率达到Pom，输入电压的有效值约为多少？

9.3.3

在题图9.3.3所示电路中，已知二极管的导通电压UD=0.7V，三极管导通时的|UBE|=0.7V，VT2和VT4管发射极静态电位VEQ=0V。

（1）VT1、VT3和VT5基极的静态电位各为多少？

（2）设R2=10kΩ，R3=100Ω。若VT1和VT3基极的静态电流可忽略不计，则VT5集电极静态电流为多少？静态时ui为多少？

（3）若静态时iB1>iB3，则应调节哪个参数可使iB1=iB2？如何调节？

（4）该电路中二极管的个数为多少个最合适？为什么？题图9.3.3甲乙类OCL功放电路小结：

图9-4所示甲乙类OCL电路。优点：低频效应好，便于集成。缺点：但需要两个独立电源，使用很不方便。改进：为了简化电路，可采用单电源供电的互补对称功率放大电路，如图9-7所示。与图9-4相比省去了一个负电源（-VCC），在两管的发射极与负载之间增加了电容C，这种电路通常称为无输出变压器的功率放大电路，即OTL（OutputTransformless）功率放大电路。图9-4双电源甲乙类互补对称功率放大电路图9-7单电源互补对称功率放大电路

9.4.1电路组成及工作原理

图9-7路中R1、R2为偏置电阻，选择合适的R1、R2阻值，可使两管静态时发射极电位为VCC/2，电容两端电压也稳定在VCC/2，这样VT1、VT2两管的集电极、发射极之间如同分别加上了+VCC/2和-VCC/2的电源电压。

在输入信号正半周，VT1导通，VT2截止，VT1以射极输出器形式将正信号传送给负载，同时对电容C充电；在输入信号负半周，VT1截止，VT2导通，电容C放电，相当于VT2的直流工作电源，此时VT2也以射极输出器的形式将负信号传送给负载。这样，负载RL上得到一个完整的信号波形。9.4单电源互补对称功率放大电路图9-7单电源互补对称功率放大电路

9.4.2参数的估算

估算方法：单电源供电的互补对称功率放大电路功率和效率的计算方法与双电源供电相同，但要注意公式中的VCC应换成VCC/2，因为此时每个管子的工作电压已不是VCC，而是VCC/2。具体为：（1）最大输出功率：（2）电源提供的最大功率图9-7单电源互补对称功率放大电路

（4）管耗

（1）每只管子的最大管耗：；

三极管有关参数的选择方法与原则（同双电源）：

由电路图可知，当导通管饱和时，截止管承受的反压为VCC，所以三极管的反向击穿电压应满足∣U（BR）CEO∣＞VCC；

三极管的最大集电极电流为，因此三极管的。（3）电源的效率【例9-2】

假设图9-7所示的OTL电路以及图9-4所示的OCL电路中的直流电源VCC均为20V，负载电阻RL均为16Ω，且三极管的饱和管压降军委2V，试分别估算两个电路的最大输出功率Pom。

解：OTL电路的最大输出功率为：OCL的最大输出功率为：

可见，在相同的VCC和RL之下，OCL电路和OTL电路的最大输出功率差别很大。

【补充例题】OTL电路如下图所示。试求：（1）为了使得最大不失真输出电压幅值最大，静态时T2和T4管的发射极电位应为多少？若不合适，则一般应调节哪个元件参数？（2）若T2和T4管的饱和管压降│UCES│＝3V，输入电压足够大，则电路的最大输出功率Pom和效率η各为多少？（3）T2和T4管的ICM、U（BR）CEO和PCM应如何选择？

解：（1）射极电位UE＝VCC/2＝12V；若不合适，则应调节R2。

（2）最大输出功率和效率分别为：

解：（3）T2和T4管ICM、U（BR）CEO和PCM的选择原则分别为：复习思考题

9.4.1简答：

（1）在图9-7所示电路中，如何实现为两只三极管供电？

（2）对于OCL电路与OTL电路，其主要参数的计算方法有何异同？

9.4.2OTL电路如题图9.4.2所示，设VT1、VT2特性完全对称，ui为正弦电压，VCC=10V，RL=16Ω。试回答下列问题：

（1）静态时，电容C2两端的电压应是多少?调整哪个电阻能满足这一要求？

（2）动态时，若输出电压波形出现交越失真，应调整哪个电阻？如何调整？

（3）若R1=R3=1.2kΩ，VT1、VT2的β=50，|UBE|=0.7V，PCM=200mW，假设VD1、VD2、R2中任意一个开路，将会产生什么后果？题图9.4.29.5实用功率放大电路举例9.5.1OCL高保真功率放大电路

图9-8OCL高保真功率放大电路

图9-8OCL高保真功率放大电路

组成：电路包括三个放大级：差动放大输入级、中间级和功率输出级。

输入级：由三极管VT1、VT2和VT3组成的恒流源式差动放大电路构成，属单端输入、单端输出方式。恒流管VT3的基极电位由电阻R1和二极管VD1、VD2组成的支路提供。

中间级：是由VT4、VT5组成的共射放大电路。VT4管是放大管，VT5是共集电极负载。VT5的基极也接在电阻R1和二极管VD1、VD2之间。由于采用有源负载，因此可以获得较高的电压放大倍数。

图9-8OCL高保真功率放大电路

输出级：由VT6、VT7、VT8、VT9和VT10组成，是一个OCL准互补对称放大电路。其中VT7与VT9构成NPN型复合管，VT8与VT10构成PNP型复合管，三极管VT6和电阻Rc4、Rc5组成所谓UBE扩大电路，其作用是给VT7、VT8提供一个较小的静态基极电流，使互补对称电路工作在甲乙类状态，用以减小交越失真。

图9-8OCL高保真功率放大电路

图9-8OCL高保真功率放大电路

深度负反馈：图中电阻RF的作用是从放大电路的输出端到VT2的基极之间引入一个深度交、直流电压串联负反馈，其作用是展宽频带、减小输出波形的非线性失真，降低输出电阻，提高放大电路的带负载能力，并能稳定静态工作点。9.5实用功率放大电路举例9.5.2OTL音频功率放大电路图9-9OTL音频功率放大电路

输入级：图9-9所示为OTL音频功率放大电路，该电路可用于电视机的音频放大电路。电路共有三个放大级。输入级由三极管VT1组成，是一个典型的静态工作点稳定电路。大电容C1、C2作为隔直电容分别与输入信号以及中间级耦合。图9-9OTL音频功率放大电路

中间级：由VT2组成单管共射放大电路，R9是其集电极负载电阻。图9-9OTL音频功率放大电路

功率输出级：由三极管VT3、VT4组成OTL互补对称电路，电容C6是输出电容。该电路只需一路直流电源VCC。静态时，电容C6上的电压为VCC/2。为使电路工作在甲乙类状态，以减小交越失真，在VT3和VT4的基极之间接有电阻R6、R7和R8。以保证在静态时VT3和VT4已有一个较小的基极电流。R8是一个负温度系数的热敏电阻，若环境温度升高，R8的阻值将减小，则输出级两个功率管的基极之间的电压也下降，从而抑制了静态电流的上升。电阻R10是负反馈电阻，发射极的小电阻R11和R12用来限流。图9-9OTL音频功率放大电路

负反馈：电阻R14引入电压串联负反馈，用以改善放大电路的性能，例如可以减小非线性失真，提高带负载能力及展宽频带等。小电容C2、C4和C7是校正电容，其作用是避免产生自激振荡。图9-9OTL音频功率放大电路9.6集成功率放大器介绍

应用：随着线性集成电路的发展，集成功率放大器的应用已日益广泛。与分立元件三极管低频功率放大器相比，集成功率放大器具有体积小、重量轻、成本低、外接元件少、调试简单、使用方便等特点，而且在性能上也十分优越。例如，温度稳定性好、功耗低、电源利用率高、失真小。在集成功率放大器的电路中设计有许多保护措施，如过流保护、过压保护以及启动、消噪电路等等，所以可靠性大大提高。因此，集成化是低频功率放大器的发展方向。

种类：集成功率放大器品种比较多，有单片集成功率组件，输出功率1W左右，以及由集成功率驱动器外接大功率管组成的混合功率放大电路，输出功率可达几十瓦。近几年，国内已生产出VMOS功率场效应管，如产品VN系列，输出功率可达100W。本节以TDA2030A音频功率放大器为例加以介绍，希望读者在使用时能举一反三，灵活应用其他功率放大器件。9.6集成功率放大器介绍

9.6.1TDA2030A音频集成功率放大器简介

图9-10TDA2030A集成功率放大器的内部结构TDA2030A是目前使用较为广泛的一种集成功率放大器，与其他