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互補對稱功率放大器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

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

2.對功率放大器的要求

功率放大器和電壓放大器在放大信號方面沒有本質的區別，但對二者的要求不一樣。對于電壓放大器，要求其電壓放大倍數大，工作穩定;而對功率放大器，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（負載獲得的信號功率）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

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

甲類功放的靜態工作點Q大致工作在交流負載線的中點，無論有無輸入信號，三極管在輸入信號的一個周期內均導通。但由于三極管導通時間長、功耗大，使輸出效率較低，因此實際的功率放大器并不采用甲類功放。

乙類功放的靜態工作點設置在截止點IC≈0，三極管在輸入信號的半個周期內導通，管耗最小，效率最高，但輸出波形嚴重失真。甲乙類功放的靜態工作點Q接近于截止區,特點是管耗和失真較小、效率較高，三極管導通時間小于輸入正弦信號的一個周期，而大于半個周期。圖9.1功率放大器的類型

(a)甲類；(b)乙類；(c)甲乙類 9.2互補對稱功率放大器

9.2.1

OCL乙類互補對稱功率放大器

1.工作原理

電路如圖9.2所示。OCL是指輸出端無輸出電容，輸出與負載RL直接耦合；互補對稱是指V1（NPN）和V2（PNP）為導電類型相反、參數相同，且工作在乙類的兩只功放管輪流導通，相互補足；OCL電路要求雙電源供電。圖9.2

OCL乙類互補對稱功放原理電路

靜態時(ui=0)，V1、V2

均處于零偏而截止，輸出電壓uo=0，此時電路不消耗功率。

當輸入信號為正半周(ui>0)時，V1導通，V2截止，輸出電流通過電源VCC流入V1的集電極，從發射極流出,經過負載RL到地，負載獲得正半周輸出電壓uo>0。

當輸入信號ui<0時，V1截止而V2導通，則負載RL上的電流方向與信號正半周時剛好相反，負載獲得負半周輸出電壓uo<0。

由以上分析可知，在輸入信號的一個周期內，經過V1和V2管的輪流導通，負載上正、負半波疊加后便形成了一個完整的正弦波輸出信號，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

靜態時，io=0，沒有功率輸出。動態時，集電極電流都為半個周期的正弦波。設兩個管子的飽和壓降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化為信號功率，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％）。可以證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達到最大值，即η=π/4=78.5%。事實上，由于飽和壓降及元件損耗等因素，乙類功放的實際效率一般為60%左右。

3)交越失真

乙類互補對稱功率放大器，由于沒有直流偏置，當輸入信號ui的幅度低于管子的死區電壓時，V1和V2截止，io=0，uo=0，這就使輸出電流、電壓的波形發生畸變。這種由于管子的死區電壓，使得輸入、輸出電流的波形在正、負半周過零處產生的非線性失真,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所示的乙類互補對稱功率放大器，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應滿足PCm≥PTm=7.2W當輸出電壓Uo達到最大不失真輸出幅度時，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應為另外，功率管的最大集電極允許電流ICm應滿足條件9.2.2

OCL甲乙類互補對稱功率放大器

減小和克服乙類功放交越失真的方法是給兩個功放管設置一個較小的靜態偏壓，從而使兩個管子在靜態時就處于導通狀態。用這種方式設計的功放稱為OCL甲乙類互補對稱功率放大器，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甲乙類互補對稱功率放大器9.2.3

OTL甲乙類互補對稱功率放大器

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

OTL甲乙類互補對稱功率放大器

OTL電路中有關輸出功率、管耗等指標的計算方法與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，因此在應用OCL電路的有關公式時，應將VCC用VCC/2替代。

當要求功率放大器的輸出功率較大時，選配符合電路對稱要求的大功率NPN和PNP管就比較困難。解決這個問題的方法是：把兩個型號和參數都相同的大功率管通過驅動管變成復合管，如圖9.7所示。其中V1為驅動管，V2為大功率管。

從圖9.7可知:圖9.7復合管的連接方法和等效電路

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

(3)復合管的等效管型與驅動管的管型相同。 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，其特點是性能穩定、可靠、適應長時間工作。有些種類的集成功率放大器內還有過載保護和熱切斷電保護電路，在輸出過載或負載短路時起到保護作用。使用這種集成電路時，只需在電路外部接入規定數值的電阻、電容、電源及負載，就可向負載提供一定的功率。

圖9.8是型號為SL33的集成功率放大器作為收音機的功放輸出使用時的電路接線圖。SL33外部有14個引腳，內部由9個三極管、10個電阻構成甲乙類互補對稱電路，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端電位穩定；

電容C2：消振電容，作用是防止電路可能產生的高頻振蕩；

電阻Rf、電容C3：與負載（8Ω喇叭）并聯構成阻尼網絡，使并聯電路成為純電阻負載；

電容C4（輸出耦