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1、本本章章以以分分析析功功率率放放大大电电路路的的输输出出功功率率、效效率率和和非非线线性性失失真真之之间间的的矛矛盾盾为为主主线线，逐逐步步提提出出解解决决矛矛盾盾的的措措施施。在在电电路路方方面面，以以互互补补对对称称功功率率放放大大电电路路为为重重点点进进行行较较详详细细的的分分析析与与计计算算，并并介介绍绍了了集集成成功功率率放放大大器器实实例。例。第第9章章功率放大电路功率放大电路Chapter9:LowFrequencyPowerAmplifier9.1 9.1 放大的主要特点放大的主要特点 如如前前所所述述，放放大大电电路路实实质质上上都都是是能能量量转转换换电电路路。从从能能量量
2、控控制制的的观观点点来来看看，功功率率放放大大电电路路和和电电压压放放大大电电路路没没有有本本质质的的区区别别。但但是是，功功率率放放大大电电路路和和电电压压放放大大电电路路所所要要完完成成的的任任务务是是不不同同的的。对对电电压压放放大大电电路路的的主主要要要要求求是是使使负负载载得得到到不不失失真真的的电电压压信信号号，讨讨论论的的主主要要指指标标是是电电压压增增益益、输输入入和和输输出出阻阻抗抗等等，输输出出的的功功率率并并不不一一定定大大。而而功功率率放放大大电电路路则则不不同同，它它主主要要要要求求获获得得一一定定的的不不失失真真（或或失失真真较较小小）的的输输出出功功率率，通通常常
3、是是在在大大信信号号状状态态下下工工作作，因因此此，功功率率放放大大电电路路包包含含着着一一系系列列在在电电压压放放大大电电路路中中没没有有出现过的特殊问题。出现过的特殊问题。一、一、功率放大电路主要特点功率放大电路主要特点功功率率放放大大电电路路包包含含着着一一系系列列在在电电压压放放大大电电路路中中没没有有出出现现过过的的特殊问题，这些问题是：特殊问题，这些问题是：1要求输出功率尽可能大要求输出功率尽可能大2效率要高效率要高由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，这就存在由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，这就存在一个效率问题。所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源一个效率问
4、题。所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源提供的直流功率的比值。这个比值越大，意味着效率越高。提供的直流功率的比值。这个比值越大，意味着效率越高。3非线性失真要小非线性失真要小功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地产生非线功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地产生非线性失真。性失真。4晶体管的散热问题晶体管的散热问题此此外外，在在功功率率放放大大电电路路中中，为为了了输输出出较较大大的的信信号号功功率率，管管子子承承受受的的电电压压要要高高，通通过过的的电电流流要要大大，功功率率管管损损坏坏的的可可能能性性也也就就比较大，所以功率管的损坏与保护问题也不容忽视。比较大，所以功率管的
5、损坏与保护问题也不容忽视。从从前前面面的的讨讨论论中中可可知知，在在电电压压放放大大电电路路中中，输输入入信信号号在在整整个个周周期期内内都都有有电电流流流流过过放放大大器器件件，这这种种工工作作方方式式通通常常称称为为甲甲类类放放大大。甲甲类类放放大大的的典典型型工工作作状状态态如如图图（a）所所示示，此此时时iC0。在在甲甲类类放放大大电电路路中中，电电源源始始终终不不断断地地输输送送功功率率，在在没没有有信信号号输输入入时时，这这些些功功率率全全部部消消耗耗在在管管子子（和和电电阻阻）上上，并并转转化化为为热热量量的的形形式式耗耗散散出出去去。当当有有信信号号输输入入时时，其其中中一一部
6、部分分转转化化为为有有用用的的输输出出功功率率，信信号号愈愈大大，输输送送给给负负载载的的功功率率愈愈多多。可可以以证证明明，即即使使在在理理想情况下，甲类放大电路的效率最高也只能达到想情况下，甲类放大电路的效率最高也只能达到50%。tiCiCttiC图6.1.1 功率放大电路的三种工作状态（a）甲类 （b）甲乙类 （c）乙类（a）（b）（c）二、二、功率放大电路提高效率的主要途径功率放大电路提高效率的主要途径怎样才能使电源供给的功率大部分转化为有用的信号输出功怎样才能使电源供给的功率大部分转化为有用的信号输出功率呢？从甲类放大电路中知道，静态电流是造成管耗的主要因率呢？从甲类放大电路中知道，
7、静态电流是造成管耗的主要因素。如果把静态工作点素。如果把静态工作点Q向下移动，使信号等于零时电源输出的向下移动，使信号等于零时电源输出的功率也等于零（或很小），信号增大时电源供给的功率也随之功率也等于零（或很小），信号增大时电源供给的功率也随之增大，这样电源提供给功率及管耗都随着输出功率的大小而变，增大，这样电源提供给功率及管耗都随着输出功率的大小而变，也就改变了甲类放大时效率低的状况。利用图（也就改变了甲类放大时效率低的状况。利用图（b）、（）、（c）所所示工作情况，就可实现上述设想。在图（示工作情况，就可实现上述设想。在图（b）中，有半个周期以中，有半个周期以上上iC0；图（图（c）中，一
8、周期内只有半个周期中，一周期内只有半个周期iC0，它们分别它们分别称为甲乙类和乙类放大。甲乙类和乙类放大主要用于功率放大称为甲乙类和乙类放大。甲乙类和乙类放大主要用于功率放大电路中。电路中。甲甲乙乙类类和和乙乙类类放放大大，虽虽然然减减小小了了静静态态功功耗耗，提提高高了了效效率率，但但都都出出现现了了严严重重的的波波形形失失真真，因因此此，既既要要保保持持静静态态时时管管耗耗小小，又又要要使使失失真真不不太太严严重重，这这就就需需要要在在电电路路结结构上采取构上采取措施。措施。提高效率的途径提高效率的途径改变功放管的工改变功放管的工作状态作状态选择最佳负载选择最佳负载tiCiCttiC图6.
9、1.1 功率放大电路的三种工作状态（a）甲类 （b）甲乙类 （c）乙类（a）（b）（c）9.29.2互补对称功放放大电路互补对称功放放大电路工工作作在在乙乙类类的的放放大大电电路路，虽虽然然管管耗耗小小，有有利利于于提提高高效效率率，但但存存在在严严重重的的失失真真，使使得得输输入入信信号号的的半半个个波波形形被被削削掉掉了了。如如果果用用两两个个管管子子，使使之之都都工工作作在在乙乙类类放放大大状状态态，但但一一个个在在正正半半周周工工作作，而而另另一一个个在在负负半半周周工工作作，同同时时使使这这两两个个输输出出波波形形都都能能加加到到负负载载上上，从从而而在在负负载载上上得得到到一一个个
10、完完整整的的波波形形，这这样样就就能能解解决决效效率率与与失真的矛盾。失真的矛盾。怎怎样样实实现现上上述述设设想想呢呢？下下面面来来研研究究一一下下图图（a）所所示示的的互互补补对称电路。对称电路。一一、OCL乙乙类类互互补补对对称称电电路路(即即无无输输出出电电容容器器OutputCapacitorless的缩写）。的缩写）。1、电路组成：下图（、电路组成：下图（a）所示的互补对称电路。所示的互补对称电路。（a）（b）（c）图 两射极输出器组成的基本互补对称电路（a）基本互补对称电路 （b）由NPN管组成的射极输出器 （c）由PNP管组成的射极输出器2.工作原理工作原理图图（a）所所示示的的
11、互互补补对对称称电电路路中中，T1和和T2分分别别为为NPN型型管管和和PNP型型管管，两两管管的的基基极极和和发发射射极极相相互互连连接接在在一一起起，信信号号从从基基极极输输入入，从从射射极极输输出出，RL为为负负载载。这这个个电电路路可可以以看看成成是是由由图图（b）、（c）两两个个射射极极输输出出器器组组合合而而成成。考考虑虑到到BJT发发射射结结处处于于正正向向偏偏置置时时才才导导电电，因因此此当当信信号号处处于于正正半半周周时时，T2截截止止，T1承承担担放放大大任任务务，有有电电流流通通过过负负载载RL；而而当当信信号号处处于于正正半半周周时时，T1截截止止，由由T2承担放大任务
12、，仍有电流通过负载承担放大任务，仍有电流通过负载RL。这这样样，图图（a）所所示示基基本本互互补补对对称称电电路路实实现现了了在在静静态态时时管管子子不不取取电电流流，而而在在有有信信号号时时，T1和和T2轮轮流流导导电电，组组成成推推挽挽式式电电路路。由由于于两两个个管管子子互互补补对对方方的的不不足足，工工作作性性能能对对称称，所所以以这这种种电电路路通通常常称称为为互互补补对对称称电电路路（也也称称为为OCL电电路路，即即无无输输出出电电容容器器OutputCapacitorless的缩写）。的缩写）。分析计算分析计算参参见见图图（a），为为分分析析方方便便起起见见，假假定定三三极极管管
13、是是理理想想的的，即即只只要要ui0（正正半半周周），T1就就开开始始导导电电，则则在在一一周周期期内内T1导导电电时时间间约约为为半半周周期期。T2的的工工作作情情况况和和T1相相似似，只只是是在在信信号号的的负负半半周周导导电电。显显然然，允允许许的的iC的的最最大大变变化化范范围围为为2Icm，uCE的的变变化化范范围围为为2(VCCUCE(Sat)=2Ucem=2IcmRL。如如果果忽忽略略管管子子的的饱饱和和压压降降UCES，则则Ucem=IcmRLVCC。(1).输出功率输出功率输出功率用输出电压有效值输出功率用输出电压有效值Uo和输出电流有效值和输出电流有效值Io的乘积来的乘积来
14、表示（也常用管子中变化电压、变化电流有效值的乘积表示）。表示（也常用管子中变化电压、变化电流有效值的乘积表示）。设输出电压的幅值为设输出电压的幅值为Uom，则则图中的图中的T1、T2可以看成工作在射极输出器状态，可以看成工作在射极输出器状态，Au1。当当输入信号足够大，使输入信号足够大，使Uim=Uom=Ucem=VCC-UCESVCC和和Iom=Icm时，时，可获得最大输出功率可获得最大输出功率(2)管耗管耗PT考考虑虑到到T1和和T2在在一一个个信信号号周周期期内内各各导导电电约约180，且且通通过过两两管管的的电电流流和和两两管管两两端端的的电电压压uCE在在数数值值上上都都分分别别相相
15、等等（只只是是在在时时间间上上错错开开了了半半个个周周期期）。因因此此，为为求求出出总总管管耗耗，只只需需先先求求出出单单管管的损耗就行了。设输出电压为的损耗就行了。设输出电压为uo=Uomsint，则则T1的管耗为的管耗为而两管的管耗为而两管的管耗为(3).直流电源供给的功率直流电源供给的功率PV直直流流电电源源供供给给的的功功率率PV包包括括负负载载得得到到的的信信号号功功率率和和T1、T2消耗的功率两部分。消耗的功率两部分。当当Ui=0，PV=0；当当Ui0，由式（由式（6.2.1）和式（）和式（6.2.4）得）得当输出电压幅值达到最大，即当输出电压幅值达到最大，即UomVCC时，则得电
16、源供给的时，则得电源供给的最大功率为最大功率为(4).效率效率 一般情况下效率为一般情况下效率为当当UomVCC时，则时，则这这个个结结论论是是假假定定互互补补对对称称电电路路工工作作在在乙乙类类、负负载载电电阻阻为为理理想想 值值，忽忽 略略 管管 子子 的的 饱饱 和和 压压 降降 UCES和和 输输 入入 信信 号号 足足 够够 大大（UimUomVCC）情况下得来的，实际效率比这个数值要低些。情况下得来的，实际效率比这个数值要低些。(5)最大管耗和最大输出功率的关系最大管耗和最大输出功率的关系工作在乙类的基本互补对称电路，在静态时，管子几乎不取工作在乙类的基本互补对称电路，在静态时，管
17、子几乎不取电流，管耗接近于零，因此，当输入信号较小时，输出功率较电流，管耗接近于零，因此，当输入信号较小时，输出功率较小，管耗也小，这是容易理解的；但能否认为，当输入信号愈小，管耗也小，这是容易理解的；但能否认为，当输入信号愈大，输出功率也愈大，管耗就愈大呢？因管耗大，输出功率也愈大，管耗就愈大呢？因管耗PT1是输出电压幅是输出电压幅值值Uom的函数，因此，可以用求极值的方法来求解。由的函数，因此，可以用求极值的方法来求解。由PT1式有式有令令，则，则故故Uom=2VCC/上式表明，当上式表明，当时具有最大管耗，所以时具有最大管耗，所以考虑到最大输出功率考虑到最大输出功率Po=VCC2/2RL
18、，则每管的最大管耗和电则每管的最大管耗和电路的最大输出功率具有如下的关系路的最大输出功率具有如下的关系上式常用来作为乙类互补对称电路选择管子的依据，它说明，上式常用来作为乙类互补对称电路选择管子的依据，它说明，如果要求输出功率为如果要求输出功率为10W，则只要用两个额定管耗大于则只要用两个额定管耗大于2W的管的管子就可以了。子就可以了。诚然，上面的计算是在理想情况下进行的，实际上在选管子诚然，上面的计算是在理想情况下进行的，实际上在选管子的额定功耗时，还要留有充分的余地。的额定功耗时，还要留有充分的余地。（6）功率）功率BJT的选择的选择由由上上分分析析可可知知，若若想想得得到到最最大大输输出
19、出功功率率，BJT的的参参数数必必须须满满足下列条件：足下列条件：（1）每只）每只BJT的最大允许管耗的最大允许管耗PCM必须大于必须大于PT1m0.2Pom；（2）考考虑虑到到当当T2导导通通时时，uCE20，此此时时uCE1具具有有最最大大值值，且等于且等于2VCC。因此，应选用的管子；因此，应选用的管子；（3）通通过过BJT的的最最大大集集电电极极电电流流为为VCC/RL，选选择择BJT的的ICM一般不宜低于此值。一般不宜低于此值。工工作作在在乙乙类类的的放放大大电电路路，虽虽然然管管耗耗小小，有有利利于于提提高高效效率率，但但存存在在严严重重的的失失真真，使使得得输输入入信信号号的的半
20、半个个波波形形被被削削掉掉了了。如如果果用用两两个个管管子子，使使之之都都工工作作在在乙乙类类放放大大状状态态，但但一一个个在在正正半半周周工工作作，而而另另一一个个在在负负半半周周工工作作，同同时时使使这这两两个个输输出出波波形形都都能能加加到到负负载载上上，从从而而在在负负载载上上得得到到一一个个完完整整的的波波形形，这这样样就就能能解解决决效效率与失真的矛盾。率与失真的矛盾。怎怎样样实实现现上上述述设设想想呢呢？下下面面来来研研究究一一下下图图（a）所所示示的的互互补补对称电路。对称电路。（a）(b)uituot甲乙类互补对称功率放大电路甲乙类互补对称功率放大电路 前前面面讨讨论论了了由
21、由两两个个射射极极输输出出器器组组成成的的乙乙类类互互补补对对称称电电路路，实实际际上上这这种种电电路路并并不不能能使使输输出出波波形形很很好好地地反反映映输输入入的的变变化化，由由于于没没有有直直流流偏偏置置，管管子子的的iB必必须须在在大大于于某某一一个个数数值值（即即门门坎坎电电压压，NPN硅硅管管约约为为0.6，PNP锗锗管管约约为为0.2V时时才才有有显显著著变变化化。当当输输入入信信号号uI低低于于这这个个数数值值时时，T1和和T2都都截截止止，iC1和和iC2基基本本为为零零，负负载载RL上上无无电电流流通通过过，出出现现一一段段死死区区，如图所示。这种现象称为交越失真。如图所示
22、。这种现象称为交越失真。甲乙类双电源互补对称电路甲乙类双电源互补对称电路 利利用用图图所所示示的的偏偏置置电电路路是是克克服服交交越越失失真真的的一一种种方方法法。由由图图可可见见，T T1 1和和T T2 2组组成成互互补补输输出出级级。静静态态时时，在在D D1 1、D2D2上上产产生生的的压压降降为为T T1 1、T T2 2提提供供了了一一个个适适当当的的偏偏压压，使使之之处处于于微微导导通通状状态态。由由于于电电路路对对称称，静静态态时时i iC1C1=i iC2C2，i iL L=0=0，u uo o=0=0。有有信信号号时时，由由于于电电路路工工作作在在甲甲乙乙类类，即即使使u
23、uI I很很小小（D D1 1和和D D2 2的的交交流流电电阻阻也也小小），基本上可线性地进行放大。，基本上可线性地进行放大。上述偏置方法的缺点是，其偏置电压不易调整。甲甲乙乙类类单单电电源源互互补补对对称称电电路路 图是采用一个电源的互补对称原理电路，T2和T1组成互补对称电路输出级。在输入信号uI=0时，一般只要R1、R2有适当的数值，就可给T2和T1提供一个合适的偏置，从而使K点电位UK=UC=VCC/2。当有信号ui时，在信号的负半周，T1导电，有电流通过负载RL，同时向C充电；在信号的正半周，T2导电，则已充电的电容C起着电源VCC的作用，通过负载RL放电。只要选择时间常数RLC足
24、够大（比信号的最长周期还大得多），就可以认为用电容C和一个电源VCC可代替原来的+VCC和VCC两个电源的作用。1管耗管耗PT 考虑到T1和T2在一个信号周期内各导电约180，且通过两管的电流和两管两端的电压uCE在数值上都分别相等（只是在时间上错开了半个周期）。因此，为求出总管耗，只需先求出单管的损耗就行了。设输出电压为uo=Uomsint，则T1的管耗为而两管的管耗为2.直流电源供给的功率直流电源供给的功率PV直流电源供给的功率PV包括负载得到的信号功率和T1、T2消耗的功率两部分。当Ui=0，PV=0；当Ui0，当输出电压幅值达到最大，即UomVCC时，则得电源供给的最大功率为 3.效率
25、效率 一般情况下效率为 当UomVCC时，则 这个结论是假定互补对称电路工作在乙类、负载电阻为理想值，忽略管子的饱和压降UCES和输入信号足够大（UimUomVCC）情况下得来的，实际效率比这个数值要低些。功率功率BJT的选择的选择1最大管耗和最大输出功率的关系最大管耗和最大输出功率的关系 工作在乙类的基本互补对称电路，在静态时，管子几乎不取电流，管耗接近于零，因此，当输入信号较小时，输出功率较小，管耗也小，这是容易理解的；但能否认为，当输入信号愈大，输出功率也愈大，管耗就愈大呢？由管耗PT1是输出电压幅值Uom的函数，因此，可以用求极值的方法来求解。由式有令 ，则故Uom=2VCC/上式表明
26、，当 时具有最大管耗所以 考虑到最大输出功率Po=VCC2/2RL，则每管的最大管耗和电路的最大输出功率具有如下的关系 上式常用来作为乙类互补对称电路选择管子的依据，它说明，如果要求输出功率为10W，则只要用两个额定管耗大于2W的管子就可以了。诚然，上面的计算是在理想情况下进行的，实际上在选管子的额定功耗时，还要留有充分的余地。2功率功率BJT的选择的选择 由上分析可知，若想得到最大输出功率，BJT的参数必须满足下列条件：（1）每只BJT的最大允许管耗PCM必须大于PT1m0.2Pom；（2）考虑到当T2导通时，uCE20，此时uCE1具有最大值，且等于2VCC。因此，应选用的管子；（3）通过BJT的最大集电极电流为VCC/RL，选择BJT的ICM一般不宜低于此值。