《電路與電子技術(shù)》課件第9章

第9章功率放大器

9.1功率放大器的概念、要求和類型9.2互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器9.3集成功率放大器9.1功率放大器的概念、要求和類型

1.功率放大器的概念

一般電子設(shè)備中的多級(jí)放大器，如圖8.29所示，其輸入級(jí)和中間級(jí)(前置級(jí))大都屬于電壓放大器，其作用是將電壓信號(hào)進(jìn)行放大。而輸出級(jí)（末級(jí)和末前級(jí)）一般為功率放大器（簡(jiǎn)稱功放），其作用是把電壓放大器送來的低頻信號(hào)進(jìn)行功率放大，即不但要向負(fù)載提供足夠大的電壓信號(hào)，而且要向負(fù)載提供足夠大的電流信號(hào)，從而推動(dòng)負(fù)載工作。

2.對(duì)功率放大器的要求

功率放大器和電壓放大器在放大信號(hào)方面沒有本質(zhì)的區(qū)別，但對(duì)二者的要求不一樣。對(duì)于電壓放大器，要求其電壓放大倍數(shù)大，工作穩(wěn)定;而對(duì)功率放大器，則要求其輸出功率大、效率高，而且非線性失真小。

功率放大器的效率定義為輸出功率（負(fù)載獲得的信號(hào)功率）Po與電源供給的直流功率PE之比，即(9.1)其中，輸出功率Po為輸出電壓Uo和輸出電流Io的乘積，即Po=UoIo

(9.2)

電源供給的直流功率PE為電源電壓VCC和流過電源的直流電流IC的乘積，即PE=VCCIC

(9.3)

3.功率放大器的種類

根據(jù)功率放大器中三極管靜態(tài)工作點(diǎn)位置的不同，可將功放分為甲類、乙類和甲乙類三種類型，如圖9.1所示。

甲類功放的靜態(tài)工作點(diǎn)Q大致工作在交流負(fù)載線的中點(diǎn)，無論有無輸入信號(hào)，三極管在輸入信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通。但由于三極管導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)、功耗大，使輸出效率較低，因此實(shí)際的功率放大器并不采用甲類功放。

乙類功放的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在截止點(diǎn)IC≈0，三極管在輸入信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，管耗最小，效率最高，但輸出波形嚴(yán)重失真。甲乙類功放的靜態(tài)工作點(diǎn)Q接近于截止區(qū),特點(diǎn)是管耗和失真較小、效率較高，三極管導(dǎo)通時(shí)間小于輸入正弦信號(hào)的一個(gè)周期，而大于半個(gè)周期。圖9.1功率放大器的類型

(a)甲類；(b)乙類；(c)甲乙類 9.2互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器

9.2.1

OCL乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器

1.工作原理

電路如圖9.2所示。OCL是指輸出端無輸出電容，輸出與負(fù)載RL直接耦合；互補(bǔ)對(duì)稱是指V1（NPN）和V2（PNP）為導(dǎo)電類型相反、參數(shù)相同，且工作在乙類的兩只功放管輪流導(dǎo)通，相互補(bǔ)足；OCL電路要求雙電源供電。圖9.2

OCL乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放原理電路

靜態(tài)時(shí)(ui=0)，V1、V2

均處于零偏而截止，輸出電壓uo=0，此時(shí)電路不消耗功率。

當(dāng)輸入信號(hào)為正半周(ui>0)時(shí)，V1導(dǎo)通，V2截止，輸出電流通過電源VCC流入V1的集電極，從發(fā)射極流出,經(jīng)過負(fù)載RL到地，負(fù)載獲得正半周輸出電壓uo>0。

當(dāng)輸入信號(hào)ui<0時(shí)，V1截止而V2導(dǎo)通，則負(fù)載RL上的電流方向與信號(hào)正半周時(shí)剛好相反，負(fù)載獲得負(fù)半周輸出電壓uo<0。

由以上分析可知，在輸入信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，經(jīng)過V1和V2管的輪流導(dǎo)通，負(fù)載上正、負(fù)半波疊加后便形成了一個(gè)完整的正弦波輸出信號(hào)，其工作波形如圖9.3所示。圖9.3工作波形

2.輸出功率和效率

1)輸出功率

靜態(tài)時(shí)，io=0，沒有功率輸出。動(dòng)態(tài)時(shí)，集電極電流都為半個(gè)周期的正弦波。設(shè)兩個(gè)管子的飽和壓降UCES≈0，則輸出電壓的最大幅度為Uom≈VCC，其最大輸出功率為(9.4)

2)效率

直流電源提供的功率只有一部分轉(zhuǎn)化為信號(hào)功率，另外一部分主要被管子本身消耗掉了(大約占輸出功率的20％）?？梢宰C明兩組電源提供的總功率為(9.5)則效率為(9.6)

在理想情況下（UCES≈0，Uom≈VCC），η達(dá)到最大值，即η=π/4=78.5%。事實(shí)上，由于飽和壓降及元件損耗等因素，乙類功放的實(shí)際效率一般為60%左右。

3)交越失真

乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器，由于沒有直流偏置，當(dāng)輸入信號(hào)ui的幅度低于管子的死區(qū)電壓時(shí)，V1和V2截止，io=0，uo=0，這就使輸出電流、電壓的波形發(fā)生畸變。這種由于管子的死區(qū)電壓，使得輸入、輸出電流的波形在正、負(fù)半周過零處產(chǎn)生的非線性失真,稱為交越失真，如圖9.4所示。圖9.4交越失真例9.1如圖9.2所示的乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器，已知VCC=24V，RL=8Ω，試估算：

（1）該電路最大輸出功率Pom；

（2）最大管耗PTm；

（3）說明該功放電路對(duì)功率管的要求。

解（1）最大輸出功率（2）最大管耗（3）選擇功率管應(yīng)滿足以下的條件：

為保證管子不被燒壞，功率管的最大允許管耗PCm應(yīng)滿足PCm≥PTm=7.2W當(dāng)輸出電壓Uo達(dá)到最大不失真輸出幅度時(shí)，截止管所承受的反向電壓也為最大，且近似等于2VCC，故要求管子的最大反向擊穿電壓U(BR)CEO應(yīng)為另外，功率管的最大集電極允許電流ICm應(yīng)滿足條件9.2.2

OCL甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器

減小和克服乙類功放交越失真的方法是給兩個(gè)功放管設(shè)置一個(gè)較小的靜態(tài)偏壓，從而使兩個(gè)管子在靜態(tài)時(shí)就處于導(dǎo)通狀態(tài)。用這種方式設(shè)計(jì)的功放稱為OCL甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器，如圖9.5所示。圖中利用了二極管的直流壓降作為功放管的基極偏壓來克服交越失真。圖9.5OCL甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器9.2.3

OTL甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器

OCL電路中的雙電源供電方式在實(shí)際使用中有諸多不便，若在功放的發(fā)射極和負(fù)載RL之間加一大的電解電容C，且使電容C兩端的電壓穩(wěn)定在VCC/2，則電容C就可以代替OCL電路中負(fù)電源的作用為V2管供電。圖9.6所示的電路，為單電源供電甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器，簡(jiǎn)稱OTL電路，OTL是指輸出無變壓器。圖9.6

OTL甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器

OTL電路中有關(guān)輸出功率、管耗等指標(biāo)的計(jì)算方法與OCL電路相同，但由于OTL電路中每只三極管的工作電壓僅為VCC/2，因此在應(yīng)用OCL電路的有關(guān)公式時(shí)，應(yīng)將VCC用VCC/2替代。

當(dāng)要求功率放大器的輸出功率較大時(shí)，選配符合電路對(duì)稱要求的大功率NPN和PNP管就比較困難。解決這個(gè)問題的方法是：把兩個(gè)型號(hào)和參數(shù)都相同的大功率管通過驅(qū)動(dòng)管變成復(fù)合管，如圖9.7所示。其中V1為驅(qū)動(dòng)管，V2為大功率管。

從圖9.7可知:圖9.7復(fù)合管的連接方法和等效電路

(2)若V1、V2的放大倍數(shù)為β1和β2，則復(fù)合管的總放大倍數(shù)β=β1β2。

(3)復(fù)合管的等效管型與驅(qū)動(dòng)管的管型相同。 9.3集成功率放大器

集成功率放大器是一種能完成功率放大功能的集成電路，其特點(diǎn)是性能穩(wěn)定、可靠、適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間工作。有些種類的集成功率放大器內(nèi)還有過載保護(hù)和熱切斷電保護(hù)電路，在輸出過載或負(fù)載短路時(shí)起到保護(hù)作用。使用這種集成電路時(shí)，只需在電路外部接入規(guī)定數(shù)值的電阻、電容、電源及負(fù)載，就可向負(fù)載提供一定的功率。

圖9.8是型號(hào)為SL33的集成功率放大器作為收音機(jī)的功放輸出使用時(shí)的電路接線圖。SL33外部有14個(gè)引腳，內(nèi)部由9個(gè)三極管、10個(gè)電阻構(gòu)成甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路，輸出功率為130mW。圖9.8SL33集成功率放大器接線圖圖中各元件的作用如下。

電容C1：電源的濾波電容，作用是保證引腳1端電位穩(wěn)定；

電容C2：消振電容，作用是防止電路可能產(chǎn)生的高頻振蕩；

電阻Rf、電容C3：與負(fù)載（8Ω喇叭）并聯(lián)構(gòu)成阻尼網(wǎng)絡(luò)，使并聯(lián)電路成為純電阻負(fù)載；

電容C4（輸出耦