第3章：功率放大器

仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院第3章功率放大器

本章要點(diǎn)：正確理解典型功放電路的組成原則，工作原理以及工作在甲乙類狀態(tài)的特點(diǎn)；熟悉功放電路最大輸出功率的估算方法；了解功放管的選擇方法；了解集成功率放大電路的工作原理。

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3.1功率放大器的概述3.2互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路3.3功率放大電路的安全運(yùn)行3.4集成功率放大器仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院3.1功率放大器的概述3.1.1功率放大電路的特點(diǎn)一、輸出功率足夠大二、效率要高三、非線形失真要小四、圖解分析法仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院功率放大器從不同的角度可有不同的分類：一、按照靜態(tài)偏置的不同分為，甲類、乙類、和甲乙類三種基本形式。

甲類：如圖（a）所示，靜態(tài)電流大,導(dǎo)通角θ=2π，效率低,管耗較大,波形失真小。3.1.2功率放大電路的分類

仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院如圖（b）所示，導(dǎo)通角θ=π,靜態(tài)偏置電流IBQ=0,波形失真大,靜態(tài)功耗為零,效率最高。乙類：仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院甲乙類：二、耦合方式：變壓器耦合、直接耦合。如圖（c）所示，導(dǎo)通角π<θ<2π,它的IBQ較小,導(dǎo)通時(shí)間比半個(gè)周期稍長(zhǎng)而不足整個(gè)周期,介于甲類和乙類中間，稱為甲乙類,其效率接近乙類功放的效率。仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院3.2互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路3.2.1OCL電路的組成及工作原理

一、電路組成電路如圖3.2所示。圖中T1、T2是兩個(gè)特性一致的NPN型和PNP型三極管。圖3.2基本互補(bǔ)對(duì)稱電路

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無信號(hào)時(shí),發(fā)射極電壓uE=0,RL中無靜態(tài)電流,IBQ=0、ICQ=0,故電路中無靜態(tài)損耗。有正弦信號(hào)ui輸入時(shí),兩管輪流工作。正半周時(shí),T1因發(fā)射結(jié)正偏而導(dǎo)通,在負(fù)載RL上輸出電流iC1,如圖中實(shí)線所示,T2因發(fā)射結(jié)反偏而截止。同理,在負(fù)半周時(shí),T2因發(fā)射結(jié)正偏而導(dǎo)通,在負(fù)載RL上輸出電流iC2,如圖中細(xì)線所示,T1因發(fā)射結(jié)反偏而截止。這樣在信號(hào)ui的一個(gè)周期內(nèi)，電流iC1、iC2以正反兩個(gè)不同的方向交替流過負(fù)載電阻RL，在RL上合成一個(gè)完整的略有點(diǎn)交越失真的正弦波信號(hào)。

二、電路分析：仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院一、輸出功率P0及最大不失真輸出功率P0(max)

式中，Uo、Io為正弦交流有效值，Uom、Iom為正弦交流的幅值（半峰值）。上式是一般情況下的輸出功率計(jì)算。3.2.2OCL電路的輸出功率及效率

仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院如果T1、T2參數(shù)對(duì)稱，它們的幅值飽和管壓降相等則當(dāng)ui幅值足夠大時(shí)，輸出的正弦半峰的最大值為：Uom（max）=VCC-UCE(sat)≈Vcc

則電路的最大不失真輸出功率為

或（忽略UCE(sat)時(shí)）

仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院由于T1、T2管交替導(dǎo)通，可以認(rèn)為iC1、iC2近似為正弦波的半波，每個(gè)電源各提供半個(gè)周期的電流，則兩個(gè)電源提供的總功率PDC一般為：

最大輸出時(shí)的功率PDC(max)的表達(dá)式為：二、直流電源提供的平均功率PDC、PDC(max)

仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院一般輸出時(shí)效率為：當(dāng)Uom=VCC時(shí)效率最大:三、效率η、η（max）

仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院總管耗PT（top）：每只管的最大管耗和最大功率之間的關(guān)系為:

四、總管耗PT（top）、最大管耗PT（max）

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例:3.1在圖3.2中所示的乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放電路中,設(shè)VCC=12V,RL=8Ω,試求：

①當(dāng)輸入信號(hào)足夠大，使集電極電壓能夠充分運(yùn)用時(shí)的PO（max)、PDC（max)、η（max)、PT（top)；

②當(dāng)輸入信號(hào)電壓有效值4V時(shí)的PO、PDC、η、PT；

③若三極管飽和壓降UCE(sat)=1V，不可忽略，在計(jì)算①題中各參數(shù)。仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院解：①輸入信號(hào)足夠大時(shí)，忽略管子飽和壓降，輸出電壓幅值約等于電源電壓，可輸出最大功率。最大輸出功率為

電源供給最大功率為:此時(shí)的效率為:總功耗為:仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院

電源供給功率為：

②若輸入電壓有效值為4V，則

考慮到射極輸出器的輸出電壓近似等于輸入電壓，故

輸出功率為：

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雙管的管耗:

③若三極管飽和壓降不可忽略，則

效率為:仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院

3.2.3OCL電路中晶體管的選擇

若想得到預(yù)期的最大輸出功率，則晶體管的有關(guān)參數(shù)須滿足以下條件：

a.每只晶體管的最大管耗:

PT（max）（或0.2）

b.應(yīng)選用的晶體管的晶體管

c.晶體管的最大集電極電流為。因此晶體管的IC（max）不宜低于此值（稍微低是允許的，因?yàn)榧姌O電流超過IC（max）），晶體管只是β下降，并不至于損壞。仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院例3.2：電路如圖3.3所示，晶體管臨界飽和管壓降為2V，試計(jì)算這個(gè)電路的最大不失真輸出功率，此時(shí)的效率是多少？最大管耗是多少？

圖3.3互補(bǔ)功率放大器

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此時(shí)的電源功率為：故效率：

晶體管的最大管耗：

每只晶體管的最大管耗約為2.85W。

解：最大輸出功率為：仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院例3.3已知互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路如圖3.2所示,已,RL=8Ω,試估算該放大電路最大輸出功率Pom及此時(shí)電源供給的功率PDC和管耗PT1,并說明該功放電路對(duì)功率管的要求.

解：（1)求略去三極管飽和壓降,最大不失真輸出電壓幅度為最大輸出功率此時(shí)每管的管耗為

電源供給功率仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院因此，為了保證功率管不損壞，則要求功率管的集電極最大允許損耗功率為：（2）功率管的選擇

該功放晶體管實(shí)際承受的最大管耗為：

仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院由于乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路中一只晶體管導(dǎo)通時(shí)，另一只晶體管截止，由圖3.2可知，當(dāng)輸出電壓達(dá)到最大不失真輸出幅度時(shí)，截止管所承受的反向電壓為最大，且近似等于2為了保證功率管不致被反向電壓所擊穿，因此要求三極管的。

放大電路最大功率輸出狀態(tài)時(shí)，集電極電流幅度達(dá)最大值，為使放大電路失真不致太大，則要求功率管最大允許集電極滿足

仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院圖4.4單電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器

3.2.4OTL電路1．電路組成圖4.4所示,為單電源供電的互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器。這種形式的電路無輸出變壓器，而有輸入耦合電容，簡(jiǎn)稱OTL。

仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院2．電路分析

圖3.4電路中，功放管工作于乙類狀態(tài)。靜態(tài)時(shí)，因電路對(duì)稱，兩管發(fā)射極E點(diǎn)電位為電源電壓的一半，負(fù)載中沒有電流。動(dòng)態(tài)時(shí)，在輸入信號(hào)正半周T1導(dǎo)通，T2截止，T1以射極輸出的方式向負(fù)載RL提供電流i0=iC1，使負(fù)載RL上得到正半周輸出電壓，同時(shí)對(duì)電容C充電。

仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院在輸入信號(hào)負(fù)半周，T1截止，T2導(dǎo)通，電容C通過T2、RL放電，T2放電，T2也以射極輸出的方式向RL提供電流i0=iC2在負(fù)載RL上得到負(fù)半周輸出電壓。電容C這時(shí)起到負(fù)電源的作用。為了使輸出波形對(duì)稱，即iC1與iC2大小相等，C的容量足夠大。

在前面各參數(shù)計(jì)算式中，只要將VCC改為，就可用于單電源互補(bǔ)電源對(duì)稱功率放大器。

仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院3.3.1功放管的二次擊穿

一、功放管二次擊穿曲線

（a）二次擊穿現(xiàn)象（b）二次擊穿臨界曲線

圖3.5晶體管的二次擊穿仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院二、二次擊穿的原因二次擊穿是由于管子內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷（如發(fā)射結(jié)表面不平整、半導(dǎo)體材料電阻率不均勻等）和制造工藝不良等原因引起的，為不可逆擊穿，時(shí)間過長(zhǎng)（如一秒種）將使管子毀壞。進(jìn)入二次擊穿的點(diǎn)隨基極電流IB的不同而變，把進(jìn)入二次擊穿的點(diǎn)連起來就成為圖（b）所示的二次擊穿臨界曲線。為此，必須把晶體管的工作狀態(tài)控制在二次擊穿臨界曲線之內(nèi)。仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院三．防止二次擊穿的措施

使用功率容量大的晶體管，改善管子散熱情況，以確保其工作在安全區(qū)之內(nèi)；使用時(shí)應(yīng)避免電源劇烈波動(dòng)、輸入信號(hào)突然大幅度增加、負(fù)載開路或短路等，以免出現(xiàn)過壓過流；在負(fù)載兩端并聯(lián)二極管（或二極管和電容），以防止負(fù)載的感性引起功放管過壓或過流，在功放管的c、e端并聯(lián)穩(wěn)壓管以吸收瞬間過電壓。仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院3.3.2功放管散熱問題一、功放管發(fā)熱原因功率放大器的工作電壓、電流都很大，管耗大，使管子本身升溫發(fā)熱。當(dāng)管子溫度升高到一定程度（鍺管一般為75—90℃，硅管為150℃）后，就會(huì)損壞晶體結(jié)構(gòu)。二、功放管散熱措施給功放管加裝由銅、鋁等導(dǎo)熱性能良好的金屬材料制成的散熱片子（板）。

仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院3．4集成功率放大器一、集成功率放大器的品種和型號(hào)二、電路結(jié)構(gòu)多半和運(yùn)算放大器基本相同或相似，如LM384及LM386等集成功率放大器都由輸入極、中間極和輸出極組成。輸入極是復(fù)合管差動(dòng)放大電路，它有同向和反向兩個(gè)輸入端，它的單端輸出信號(hào)傳送到中間共發(fā)射極放大級(jí)，以提高電壓放大倍數(shù)，輸出極是OLT互補(bǔ)對(duì)稱放大電路，故為單電源供電。中間極和輸出極的電路和復(fù)合管的組成的互補(bǔ)對(duì)稱放大電路大致相同。仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院圖3.6LM386構(gòu)成的功率放大電路

三、集成功率放大器實(shí)例仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院本章小節(jié)

1、各種功率放大電路的工作點(diǎn)（重點(diǎn)）

2、互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的工作原理（1）基本OCL電路的原理，及存在的問題（重點(diǎn)：交越失真）

（2）交越失真的產(chǎn)生原因，克服交越失真的兩種方法。

（3）單電源（OTL）電路。

（4）最大不失真輸出功率