1、第九章功率放大電路本章內容簡介(一) 目標：向 rl （揚聲器的音圈、電動機繞組、crt 等）提供一定大小的可控功率(二) 側重點不同：側重研究rl 上的功率 po ，而不是 vo ,i o(三) 深入研究：在后續課程電力電子技術、高頻電子線路(四) 主要內容一般問題、特點、分類；po 、效率、非線性失真（三者之間的矛盾）；互補對稱、乙類功放（原理）；集成功放；散熱問題、功率bjt、 vmos 管(五)學習目標熟練掌握如何解決輸出功率、效率和非線性失真三者之間的矛盾；要熟練掌握乙類互補對稱功率放大電路的組成、分析計算和功率 bjt的選擇；正確理解甲乙類互補對稱功放電路的工作原理及計算；了解各種

2、功率器件及散熱問題；（選講內容）了解集成功率放大器的使用。（選講內容）( 六) 參考資料說明 ：清華大學 童詩白 主編模擬電子技術基礎有關章節高文煥、劉潤生編電子線路基礎王小海編 集成電子技術教程王遠編 模擬電子技術基礎學習指導書陳大欽編模擬電子技術基礎問答、例題、試題5.1 功率放大電路的一般問題（1 學時）主要內容 :本節主要定義了功率放大電路并做了分類?；疽螅赫_理解功率放大電路的定義及種類。教學要點：1. 功率放大電路的定義功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。它一般直接驅動負載，帶負載能力要強。2. 功率放大電路與電壓放大電路的區別(1). 本質相同電壓放大電路或電流

3、放大電路：主要用于增強電壓幅度或電流幅度。功率放大電路 :主要輸出較大的功率。但無論哪種放大電路，在負載上都同時存在輸出電壓、電流和功率，從能量控制的觀點來看，放大電路實質上都是能量轉換電路。因此，功率放大電路和電壓放大電路沒有本質的區別。稱呼上的區別只不過是強調的輸出量不同而已。(2).任務不同電壓放大電路：主要任務是使負載得到不失真的電壓信號。輸出的功率并不一定大。在小信號狀態下工作 .功率放大電路：主要任務是使負載得到不失真（或失真較小）的輸出功率。在大信號狀態下工作。(3).指標不同電壓放大電路：主要指標是電壓增益、輸入和輸出阻抗 .功率放大電路：主要指標是功率、效率、非線性失真。(4

4、).研究方法不同電壓放大電路：圖解法、等效電路法功率放大電路：圖解法總結板書如下：電壓放大電路功率放大電路(1)本質相同能量轉換能量轉換(2)任務不同不失真的輸出電壓不失真（或失真較?。┑妮敵龉β?3)指標不同電壓增益、輸入和輸出阻抗功率、效率、非線性失真(4)研究方法不同圖解法、等效電路法圖解法3. 功率放大電路的特殊問題(1) 功率要大 ：為了獲得大的功率輸出，要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度，因此管子往往在接近極限運用狀態下工作。povoi o（2）效率要高 ：所謂效率就是負載得到的有用信號功率和電源供給的直流功率的比值。它代表了電路將電源直流能量轉換為輸出交流能量的能力.po

5、 / pv（3）失真要小 ：功率放大電路是在大信號下工作，所以不可避免地會產生非線性失真，這就使 輸出功率和非線性失真成為一對主要矛盾。在不同場合下，對非線性失真的要求不同，例如，在測量系統和電聲設備中，這個問題顯得重要，而在工業控制系統等場合中，則以輸出功率為主要目的，對非線性失真的要求就降為次要問題了。（4）散熱要好： 在功率放大電路中，有相當大的功率消耗在管子的集電結上，使結溫和管殼溫度升高。為了充分利用允許的管耗而使管子輸出足夠大的功率，放大器件的散熱就成為一個重要問題。4放大電路的工作狀態分類根據放大電路中三極管在輸入正弦信號的一個周期內的導通情況，可將放大電路分為下列三種工作狀態：

6、（ 1）甲類放大在輸入正弦信號的一個周期內三極管都導通，都有電流流過三極管。這種工作方式稱為甲類放大?；蚍Q a 類放大。此時整個周期都有ic0 ，功率管的導電角 = 2 。甲類甲乙類乙類丙類圖 1 甲類放大（ 2）乙類放大圖 2乙類放大圖 3 甲乙類放大圖 4 丙類放大（ 2）乙類放大（ b 類放大）在輸入正弦信號的一個周期內，只有半個周期三極管導通。稱為乙類放大。如圖2所示，此時功率管的導電角=。（ 3）甲乙類放大（ ab類放大）在輸入正弦信號的一個周期內，有半個周期以上三極管是導通的。稱為甲乙類放大。如圖 3 所示，此時功率管的導電角 滿足： 2 。（3）丙類放大（ c 類放大）功率管的導

7、電角小于半個周期，即0 0 ，則 t2 截止， t1 承擔放大任務，有電流通過負載rl；這樣，一個在正半周工作，而另一個在負半周工作，兩個管子互補對方的不足，從而在負載上得到一個完整的波形，稱為互補電路?；パa電路解決了乙類放大電路中效率與失真的矛盾。(c) 互補對稱 (ocl)電路 : 為了使負載上得到的波形正、負半周大小相同，還要求兩個管子的特性必須完全一致，即工作性能對稱。所以圖1 所示電路通常稱為乙類互補對稱電路。雙電源乙類互補對稱電路又稱為ocl電路。圖 2 乙類互補對稱功放的工作原理2. 乙類互補對稱功放的圖解分析功率放大電路的分析任務是求解最大輸出功率、效率及三極管的工作參數等。分

8、析的關鍵是 vo 的變化范圍。在分析方法上，通常采用圖解法，這是因為bjt 處于大信號下工作 .圖 3（a）表示在 vi 為正半周時 t1 的工作情況。圖中假定，只要 vbe1= vi 0 ，t1 就開始導電，則在一周期內 t1 導電時間約為半周期。隨著 vi 的增大，工作點沿著負載線上移，則 io = ic1 增大， vo 也增大，當工作點上移到圖中 a 點時， vce1 =vces，已到輸出特性的飽和區，此時輸出電壓達到最大不失真幅值 vomax 。at1 管的工作情況t2 管的工作情況vomaxvo（ a） t1 管的工作情況兩管的輸出圖 3乙類互補對稱功放的圖解分析根據上述圖解分析，可

9、得輸出電壓的幅值為vom = iomrl = vcc - vce1其最大值為vommax= vcc - vces。t2 管的工作情況和t1 相似，只是在信號的負半周導電。兩管的工作情況：為了便于分析兩管的工作情況，將t2 的特性曲線倒置在t1 的右下方，并令二者在 q點，即 vce = vcc處重合，形成 t1 和 t2 的所謂合成曲線，如圖3(b) 所示。這時負載線通過 vcc點形成一條斜線，其斜率為-1/rl 。顯然，允許的 io 的最大變化范圍為2iom，vo 的變化范圍為2vom=2iomrl=2（vcc-vces）。若忽略管子的飽和壓降vces，則 vommax 2vcc 。根據以上

10、分析，不難求出工作在乙類的互補對稱電路的輸出功率、管耗、直流電源供給的功率和效率。3功放的最大輸出功率(1) 輸出功率的一般表示式輸出功率是輸出電壓有效值 vo 和輸出電流有效值 io 的乘積（也常用管子中變化電壓、變化電流有效值的乘積表示）。所以(2) 最大輸出功率的表達式乙類互補對稱電路中的t1、t2 可以看成共集狀態（射極輸出器），即av ?1。所以當輸入信號足夠大，使 vim = vommax = vcc- vces ? vcc時，可獲得最大輸出功率，即4乙類互補對稱功放的管耗考慮到 t1 和 t2 在一個信號周期內各導電約 180，且通過兩管的電流和兩管兩端的電壓 vce在數值上都分

11、別相等（只是在時間上錯開了半個周期）。因此，為求出總管耗，只需先求出單管的損耗就行了。設輸出電壓為vo = vomsinwt，則 t1 的管耗為而兩管的管耗為5乙類互補對稱功放的效率效率就是負載得到的有用信號功率和電源供給的直流功率的比值。為了計算效率，必須先分析直流電源供給的功率 pv ，它包括負載得到的信號功率和 t1、 t2 消耗的功率兩部分，即當輸出電壓幅值達到最大，即vom = vcc時，則得電源供給的最大功率為所以，一般情況下效率為當 vomvcc時，則6. 最大管耗與最大輸出功率的關系工作在乙類的基本互補對稱電路，在靜態時，管子幾乎不取電流，管耗接近于零，因此，當輸入信號較小時，

12、輸出功率較小，管耗也小，這是容易理解的；但能否認為，當輸入信號愈大，輸出功率也愈大，管耗就愈大呢？答案是否定的。那么，最大管耗發生在什么情況下呢？由管耗表達式可知管耗 pt1是輸出電壓幅值vom的函數，因此，可以用求極值的方法來求解。有 :令，則故vom = 2vcc /p ? 0.6 vcc此時最大管耗為為了便于選擇功放管，常將最大管耗與功放電路的最大輸出功率聯系起來。由最大輸出功率表達式可得每管的最大管耗和最大輸出功率之間具有如下的關系上式常用來作為乙類互補對稱電路選擇管子的依據，它說明，如果要求輸出功率為 10w，則只要用兩個額定管耗大于 2w的管子就可以了。當然，在實際選管子時，還應留

13、有充分的安全余量，因為上面的計算是在理想情況下進行的。為了加深印象，可以通過 po、pt1和 pv與 vom/vcc的關系曲線（如圖 1 所示）觀察它們的變化規律。圖中用 vom / vcc 表示的自變量作為橫坐標，縱坐標分別用相對值表示。圖 17功率 bjt 的選擇在功率放大電路中，為了輸出較大的信號功率，管子承受的電壓要高，通過的電流要大，功率管損壞的可能性也就比較大，所以功率管的參數選擇不容忽視。選擇時一般應考慮 bjt 的三個極限參數，即集電極最大允許功率損耗 pcm，集電極最大允許電流 icm和集電極 - 發射極間的反向擊穿電壓 v(br)ceo。由前面知識點的分析可知，若想得到最大

14、輸出功率，又要使功率bjt 安全工作，bjt的參數必須滿足下列條件：（ 1） 每只 bjt 的最大管耗 pt1max0.2 pomax（ 2） 通過 bjt 的最大集電極電流為 icm voc/ rl（ 3） 考慮到當 t2 導通時， -v ce2 =vces 0 ，此時 vce1具有最大值，且等于 2vcc ，因此，應選用反向擊穿電壓 | v(br)ceo | 2vcc 的管子。注意，在實際選擇管子時，其極限參數還要留有充分的余地。5.3甲乙類互補對稱功率放大電路（ 2 學時）主要內容 :本節主要介紹了甲乙類互補對稱電路工作原理。基本要求：要熟練掌握甲乙類互補對稱功率放大電路的組成、分析計算

15、。教學要點：5.3.1甲乙類雙電源互補對稱功率放大電路1乙類互補對稱功率放大電路的交越失真理想情況下，乙類互補對稱電路的輸出沒有失真。實際的乙類互補對稱電路（圖 1），由于沒有直流偏置，只有當當輸入信號 vi 大于管子的門坎電壓（ npn硅管約為 0.6v， pnp鍺管約為 0.2v）時，管子才能導通。當輸入信號 vi 低于這個數值時， t1 和 t2 都截止， ic1 和 ic2 基本為零，負載 rl上無電流通過，出現一段死區，如圖 1 所示。這種現象稱為交越失真。圖 1乙類互補對稱功率放大電路的交越失真2甲乙類雙電源互補對稱電路2 1 基本電路為了克服乙類互補對稱電路的交越失真，需要給電路

16、設置偏置，使之工作在甲乙類狀態。如圖 2 所示。圖 2 甲乙類雙電源互補對稱電路圖中：t3 組成前置放大級（注意，圖中未畫出 t3 的偏置電路），給功放級提供足夠的偏置電流。t1 和 t2 組成互補對稱輸出級。靜態時，在 d1、d2 上產生的壓降為 t1、t2 提供了一個適當的偏壓，使之處于微導通狀態，工作在甲乙類。這樣，即使 vi 很?。?d1和 d2的交流電阻也小），基本上可線性地進行放大。上述偏置方法的缺點：偏置電壓不易調整，改進方法可采用vbe擴展電路。2 2 vbe擴展電路vbe擴展電路如圖 3 所示圖 3 vbe 擴展電路圖中，流入 t4 的基極電流遠小于流過 r1、r2 的電流，

17、則由圖可求出vce4=vbe4（ r1+r2）/r2由于 vbe4基本為一固定值（硅管約為 0.60.7v ），只要適當調節 r1、r2 的比值，就可改變 t1、t2 的偏壓 vce4值。vce4就是 t1、t2 的偏置電壓這種電路稱為 vbe擴展電路3甲乙類單電源互補對稱電路3 1 電路組成甲乙類單電源互補對稱電路如圖 4 所示。圖 4甲乙類單電源互補對稱電路圖中：t3 組成前置放大級，t2 和 t1 組成互補對稱電路輸出級。3 2 工作原理在 vi =0 時，調節 r1、r2，就可使 ic3 、vb2和 vb1達到所需大小，給 t2 和 t1提供一個合適的偏置，從而使k 點電位 vk= v

18、c= vcc/2 。vi 0 時，在信號的負半周， t1 導電，有電流通過負載 rl，同時向 c 充電；在信號的正半周， t2 導電，則已充電的電容 c起著雙電源互補對稱電路中電源 -vcc的作用，通過負載 rl放電。只要選擇時間常數 rlc足夠大（比信號的最長周期還大得多），就可以認為用電容 c 和一個電源 vcc可代替原來的 + vcc和-vcc兩個電源的作用。3 3 分析計算：采用一個電源的互補對稱電路，由于每個管子的工作電壓不是原來的 vcc，而是 vcc /2，即輸出電壓幅值 vom最大也只能達到約 vcc /2，所以前面導出的計算 po、pt、和 pv的最大值公式，必須加以修正才能

19、使用。修正的方法也很簡單，只要以 vcc/2 代替原來的公式中的 vcc即可。4自舉電路41 單電源互補對稱電路存在的問題圖 5 單電源互補對稱電路單電源互補對稱電路解決了工作點的偏置和穩定問題。但輸出電壓幅值達不到 vom= vcc/2?，F分析如下：（1）理想情況當 vi 為負半周最大值時， ic3 最小， vb1 接近于 +vcc，此時希望 t1 在接近飽和狀態工作，即 vce1= vces，故 k 點電位 vk=+vcc -vces vcc。當 vi 為正半周最大值時， t1 截止， t2 接近飽和導電， vk= vces0。因此，負載rl兩端得到的交流輸出電壓幅值vom= vcc/2。

20、（2）實際情況當 vi 為負半周時， t1 導電，因而 ib1 增加，由于 rc3上的壓降和 vbe1的存在，當 k 點電位向 +vcc接近時， t1 的基流將受限制而不能增加很多，因而也就限制了 t1 輸向負載的電流，使 rl 兩端得不到足夠的電壓變化量，致使 vom明顯小于 vcc/2。42 自舉電路（1）電路解決上述矛盾方法是如果把圖 1 中 d 點電位升高，使 vd +vcc，例如將圖中 d 點與 +vcc的連線切斷， vd由另一電源供給，則問題即可以得到解決。通常的辦法是在電路中引入 r3、c3 等元件組成的所謂自舉電路，如圖6 所示。圖 6 有自舉電路單電源互補對稱電路（2）工作原理在圖 6 中，當 vi =0 時， vd= vd= vcc-ic3 r3 ，而 vk= vk= vcc/2，因此電容 t1兩端電壓被充電到vc3= vcc/2 - ic3 r3 。當時間常數 r3c3足夠大時， vc3（電容 c3 兩端電壓）將基本為常數（ vc3 vc3），不隨 v