第7章-功率放大電路

第7章功率放大電路7.1功率放大電路的特殊問題7.2乙類互補對稱功率放大電路7.3甲乙類互補對稱功率放大電路7.4集成功率放大電路本章學習目的和要求1.了解功率放大電路的工作特點；2.理解甲類、乙類和甲乙類三種功率放大電路的工作特點；3.理解乙類功率放大電路中交越失真產生的原因以及解決的方法；4.熟練掌握甲類、乙類功率放大器的輸出功率、電源提供功率、三極管消耗功率、效率等參數(shù)的計算；5.了解常見的集成功率放大電路的各部分結構的工作原理，了解集成功放電路的應用。7.1功率放大電路的特殊問題7.1.1功率放大電路的特點與要求7.1.2甲類功率放大器的效率分析7.1.3提高功率放大電路效率的主要途徑多級放大電路的輸出級考慮的是在提升信號電流的同時，還要把信號盡可能多地輸送到負載上。對于負載而言，需要的不僅僅是輸出電壓或者電流的大小，而是有一定的功率輸出。這類用于向負載輸出功率的放大電路稱為功率放大電路。7.1.1功率放大電路的特點與要求(1)功率放大電路的主要特點

功率放大器的主要作用就是向負載輸出大功率的信號，BJT既要輸出大電壓，又要輸出大電流，接近于工作在極限狀態(tài)，其重要的技術指標是最大輸出功率。(2)要解決的問題提高效率輸出效率η的定義為：

其中，Po為輸出功率，PE為電源提供的功率。減小失真功率放大器運行在大信號狀態(tài)下，BJT接近于極限工作狀態(tài)，不可避免地會出現(xiàn)非線性失真。失真程度可以用非線性失真系數(shù)THD來衡量：

管子的保護功率放大器的設計和使用過程中，必須注意BJT的散熱和保護問題。7.1.2甲類功率放大器的效率分析1.BJT的工作狀態(tài)

在正弦信號的整個周期內，都有電流流過BJT，集電極電流ic的波形如圖(c)所示。電路的靜態(tài)工作點設置在圖(d)的Q1點。這種情況下的BJT稱為工作在甲類放大狀態(tài)。圖7.1.1放大電路中的三極管的三種工作狀態(tài)BJT的四種工作狀態(tài)

根據正弦信號整個周期內三極管的導通情況劃分：乙類：導通角等于180°甲類：一個周期內均導通甲乙類：導通角大于180°丙類：導通角小于180°2.甲類功率放大器的靜態(tài)功耗圖7.1.2甲類單管放大器

3.甲類功率放大器的動態(tài)功耗

BJT的功耗為：

負載RL上的功耗為

電源提供的功率為

7.1.3提高功率放大電路效率的主要途徑1.甲類功率放大器的效率

2.提高功率放大電路效率的主要途徑甲類功率放大器效率低下的兩個原因：輸出功率小。靜態(tài)功耗大因此，要提高輸出效率，必須設法降低靜態(tài)功耗。

7.2乙類互補對稱功率放大電路（OCL電路）7.2.1電路組成和工作原理7.2.2分析計算7.2.3功率管的選擇原則7.2.1電路組成和工作原理圖7.2.1乙類OCL功率放大電路Tl和T2分別為NPN型管和PNP型管，兩管的基極和發(fā)射極相互連接在一起，信號從基極輸入，從發(fā)射極輸出，RL為負載，整個電路采用正、負對稱雙電源供電。由于該電路沒有采用輸出電容，通常稱為無輸出電容互補對稱功率放大電路，簡稱為OCL功率放大電路。圖7.2.1乙類OCL功率放大電路靜態(tài)時，三極管的發(fā)射結偏置電壓均為0，基極和集電極電流也為0。因此，負載兩端的輸出電壓為0。動態(tài)時，假定三極管為理想三極管：

可見，兩個三極管在輸入信號的正、負半個周期內輪流導通，組成互補推挽式電路，使負載得到一個完整的波形。這樣既保證了三極管工作在乙類狀態(tài)，又保證了輸出得到完整的不失真波形。7.2.2分析計算圖7.2.2乙類OCL功率放大電路的圖解分析

1.輸出功率

2.直流電源的供給功率

直流電源供給的最大功率為：

3.管耗由于Tl和T2一周期內分別導通半個周期，且電路對稱。因此，只需要求出一個管子的管耗，即可得到電路的總管耗。

電路的總管耗為

4.效率OCL乙類功放的效率為：

這個結論是基于電路互補對稱，三極管處于理想狀態(tài)的假設，忽略了管子的飽和壓降VCES，同時輸入信號足夠大，輸出電壓能夠達到最大值的情況下得出的，實際的功率放大電路的效率是低于這一數(shù)值的。7.2.3功率管的選擇原則圖7.2.3由三極管極限參數(shù)限制的安全工作區(qū)

輸入電壓的正半周，Tl導通，T2截止，這時T2的集電極和發(fā)射極之間承受的反向壓降為

則T2管承受的反向管壓降達到最大為：

對求導，得

因此，選擇功率放大電路的功率放大管時，功放管的極限參數(shù)必須滿足：

當然，實際上在選擇管子的額定功耗時，還需要留有裕量。7.3甲乙類互補對稱功率放大電路7.3.1OCL甲乙類互補對稱功率放大電路7.3.2OTL甲乙類互補對稱功率放大電路7.3甲乙類互補對稱功率放大電路1.乙類功率放大電路存在的問題——交越失真

如果考慮了三極管門坎電壓，則當輸入電壓較小時，兩個三極管均處于截止狀態(tài)，三極管的集電極電流就基本上等于零，負載上無電流流過，此種情況下，負載兩端的輸出電壓波形如圖7.3.1所示。圖7.3.1乙類功率放大電路中的交越失真

這種在兩個三極管交替導通的時間段，出于輸入電壓太小，而導致兩個三極管均處于截止狀態(tài)，從而使負載上無輸出電壓而引起的輸出波形的失真現(xiàn)象稱為交越失真。圖7.3.1乙類功率放大電路中的交越失真2.交越失真的解決方法——甲乙類功率放大電路

消除交越失真的方法在于給電路設置合適的靜態(tài)工作點，使兩只三極管靜態(tài)時均工作在臨界導通或者微導通狀態(tài)，這樣當輸入信號比較小，即使是小于門坎電壓，也能保證三極管立即進入導通狀態(tài)，使負載RL上有電流流過，從而得到不失真的輸出波形，此時，兩個三極管全部工作于甲乙類工作狀態(tài)。7.3.1OCL甲乙類互補對稱功率放大電路圖7.3.2甲乙類OCL功率放大電路圖中T3是前置放大級。T1和T2組成互補輸出級。靜態(tài)時，二極管Dl、D2上產生的壓降為T1和T2兩管基極-射極之間提供了一個適當?shù)钠秒妷?，此電壓略大于T1管發(fā)射結和T2管發(fā)射結門坎電壓之和，從而保證了兩只管子在靜態(tài)時均處于微導通狀態(tài)，即都有一個微小的基極電流。

圖7.3.2甲乙類OCL功率放大電路

圖7.3.2甲乙類OCL功率放大電路

該電路在輸入信號的正半周主要是T1管發(fā)射極驅動負載，而負半周主要是T2管發(fā)射極驅動負載，但兩管的導通時間都比輸入信號的半個周期長，三極管工作在甲乙類狀態(tài)。

電路克服了乙類OCL功率放大電路中的交越失真，最終得到的負載電流和電壓波形更接近理想的正弦波。這種電路由于三極管工作在甲乙類狀態(tài)，所以稱為甲乙類OCL功率放大電路。OCL功率放大電路是雙電源供電的，下面再來討論一類由單電源供電的功率放大電路。

這類電路中輸出信號通過電容與負載耦合，而不采用雙電源供電的直接耦合方式，也不采用輸出變壓器耦合方式，所以這種電路通常稱為無輸出變壓器互補對稱功率放大電路，簡稱為OTL(outputtransformerless)功率放大電路。7.3.2OTL甲乙類互補對稱功率放大電路7.3.2OTL甲乙類互補對稱功率放大電路圖7.3.3甲乙類OTL功率放大電路

圖7.3.3甲乙類OTL功率放大電路

7.4集成功率放大電路7.4.1集成功率放大電路的分析集成功率放大電路一般由前置級、中間級、輸出級和偏置電路等組成，具有體積小、重量輕、調試簡單、效率高、失真小和使用方便等優(yōu)點。集成功率放大電路以用途區(qū)分，分為通用型功放和專用型功放；以芯片內部構成區(qū)分，分為單通道功放和雙通道功放；以輸出功率區(qū)分，分為小功率功放和大功率功放。集成功放使用時不能超過規(guī)定的極限參數(shù)，主要有功耗和最大允許電源電壓。7.4.2集成功率放大電路的主要性能指標

集成功率放大電路的主要性能指標除最大輸出功率外，還有電源電壓范圍、電源靜態(tài)電流、電壓增益、頻帶寬度、輸入阻抗、輸入偏置電流、總諧波失真等。1.輸入偏置電流：集成功放輸入電壓為零時，兩個輸入端靜態(tài)電流的平均值定義為輸入偏置電流。2.總諧波失真：是指用信號源輸入時，輸出信號(諧波及其倍頻成分)比輸入信號多出的額外諧波成分，通常用百分數(shù)來表示。7.4.3集成音頻功率放大電路TDA2030A及其應用1.TDA2030A集成功率放大器簡介5個引腳：1腳為同相輸入端、2腳為反相輸入端、3腳為負電源端、4腳為輸出端、5腳為正電源端。2.TDA2030A集成功放的典型應用

雙電源采用初級線圈中間點接地、上下電壓對稱相等的變壓器，經過整流濾波后構成±18V的雙電源，輸出功率為20W。輸出端的RC串聯(lián)網絡為高頻校正網絡，用來抑制高頻自激振蕩；兩個二極管D1、D2為外接保護電路，用來泄放負載RL上的自感電壓；電源接入口所連接的并聯(lián)電容組合用于消除電源的高頻干擾。(2)單電源應用電路圖7.4.3TDA2030單電源功放電路

本章小結1.功率放大電路在大信號條件下工作，通常采用圖解法進行分析，研究的重點是如何在非線性失真允許的范圍內，盡可能提高輸出功率和效率。2.互補對稱功率放大電路是本章重點。與甲類放大電路相比，乙類功率放大電路的主要優(yōu)點是效率高，理想情況下，最高可達78.5％。但由于三極管的輸入特性存在門坎電壓，工作在乙類的互補對稱電路將出現(xiàn)交越失真，克服交越失真的方法是采用甲乙類互補對稱電路。

3.在單電源互補對稱電路中，計算輸出