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1、第九章 功率放大电路扩音系统扩音系统功率放大器的作用：功率放大器的作用：用作放大电路的用作放大电路的输出级输出级，以驱，以驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、仪表仪表指针偏转等。指针偏转等。执行机构执行机构功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取一、引言功率放大电路的特点及主要研究对象功率放大电路的特点及主要研究对象 功功率率放放大大电电路路是是一一种种以以输输出出较较大大功功率率为为目目的的的的放放大大电电路路。因因此此，要要求求同同时时输输出出较较大大的的电电压和电流。压和电流。管子工作在接近极限状态。管子工作在接近极限状态。一般直接驱
2、动负载，带载能力要强。一般直接驱动负载，带载能力要强。#功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别吗？上的区别吗？上的区别吗？上的区别吗？没有，都是能量转换。（直流电源的直流电能转化没有，都是能量转换。（直流电源的直流电能转化为信号控制的交流电能）电压放大电路使负载得到尽为信号控制的交流电能）电压放大电路使负载得到尽可能大的不失真的电压信号，功率放大获得尽可能大可能大的不失真的电压信号，功率放大获得尽可能大的不失真输出功率。的不失真输出功率。（2）功率放大电路的
3、特点：）功率放大电路的特点：要求输出功率尽可能大：要求输出功率尽可能大：输出信号电压和电流大，使放，使放大管工作在极限状态，因此必须保证放大管的安全工作。大管工作在极限状态，因此必须保证放大管的安全工作。要求效率高：要求效率高：效率效率负载得到的有用信号功率与电源提负载得到的有用信号功率与电源提供的直流功率之比。供的直流功率之比。要求非线性失真小：要求非线性失真小：由于功率放大电路是大信号运用，由于功率放大电路是大信号运用，接近晶体管的截止区和饱和区，容易产生非线性失真。接近晶体管的截止区和饱和区，容易产生非线性失真。可见，输出功率与非线性失真是功率放大电路可见，输出功率与非线性失真是功率放大
4、电路的一对主要矛盾。的一对主要矛盾。功放管的散热功放管的散热:有相当大的功率消耗在管子上，引起温升有相当大的功率消耗在管子上，引起温升 三三极极管管根根据据正正弦弦信信号号整整个个周周期期内内的的导导通通情情况况，可可分为四个工作状态：分为四个工作状态：乙类：导通角等于乙类：导通角等于180180甲类：一个周期内均导通甲类：一个周期内均导通甲乙类：导通角大于甲乙类：导通角大于180180丙类：导通角小于丙类：导通角小于180180（3）功率放大电路的分类）功率放大电路的分类甲甲类类放放大大：三三极极管管360导导电电。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
5、件件。电电压压放放大大器器一一般般工工作作在在甲甲类类。电电源源始始终终不不断断输输送送功功率率，在在没没有有交交流流信信号号输输入入时时（也也意意味味着着没没有有交交流流信信号号输输出出），没没有有信信号号输输出出功功率率，电电源源提提供供的的功功率率全全部部消消耗耗在在管管子子（电电阻阻）上上（管管耗耗），并并转转化化为为热热量量散散发发出出去去；当当有有信信号号输输入入时时，其其中中有有一一部部分分转转化化为为有有用用的的信信号号输输出出功功率率。甲甲类放大的效率不高，理论上不超过类放大的效率不高，理论上不超过50%。乙乙类类放放大大：三三极极管管180导导电电。功功率率放放大大电电路路
6、必必须须考考虑虑效效率率问问题题。静静态态电电流流是是造造成成管管耗耗的的主主要要原原因因。为为了了降降低低静静态态时时的的工工作作电电流流，三三极极管管从从甲甲类类工工作作状状态态改改为为乙乙类类工工作作状状态态。一一周周期期内内只只有有半半个个周周期期iC0。没没有有输输入入信信号号时时，信信号号输输出出功功率率为为零零，电电源源供供给给的的功功率率为为零零，管管耗耗为为零零。信信号号增增大大，电电源源供供给给的功率增大，输出功率增大。但输出出现了严重的失真。的功率增大，输出功率增大。但输出出现了严重的失真。甲甲乙乙类类放放大大：导导通通角角大大于于180。一一周周期期内内有有半半个个周周
7、期期以以上上iC0。降低了静态工作电流。降低了静态工作电流。电压放大电路电压放大电路BJT工作在工作在甲类，乙类和甲乙类放大甲类，乙类和甲乙类放大主要用于功率放大电路。主要用于功率放大电路。甲乙类和乙类放大虽降低了静态工作电流，但又产生了甲乙类和乙类放大虽降低了静态工作电流，但又产生了失真问题。如果不能解决乙类状态下的失真问题，乙类工作状失真问题。如果不能解决乙类状态下的失真问题，乙类工作状态在功率放大电路中就不能采用。态在功率放大电路中就不能采用。推挽电路或互补对称电路推挽电路或互补对称电路较较好地解决了乙类工作状态下的失真问题。好地解决了乙类工作状态下的失真问题。1.性能指标：输出功率和效
8、率。：输出功率和效率。若已知若已知Vom，则可得则可得Pom。最大输出功率与电源损耗的平均功率之比为效率。最大输出功率与电源损耗的平均功率之比为效率。2.分析方法：因大信号作用，故应采用图解法。：因大信号作用，故应采用图解法。3.晶体管的选用：根据极限参数选择晶体管。：根据极限参数选择晶体管。在功放中，晶体管集电极或发射极电流的最大值接近在功放中，晶体管集电极或发射极电流的最大值接近最大集电极电流最大集电极电流ICM，管压降的最大值接近，管压降的最大值接近c-e反向击穿电反向击穿电压压V(BR)CEO，集电极消耗功率的最大值接近集电极最大耗集电极消耗功率的最大值接近集电极最大耗散功率散功率PC
9、M。称为工作在极限状态。称为工作在极限状态。（4）研究的问题）研究的问题有效值有效值 射极输出器的输射极输出器的输出电阻低，带负载能出电阻低，带负载能力强，但做功放不适力强，但做功放不适合。合。Rbvo VCCviibRE射极输出器能否做功率放大射极输出器能否做功率放大？射极输出器效率的估算：射极输出器效率的估算：(设设RL=RE)votvoibQicvceVCCRbvo VCCviibRE若忽略晶体管的饱和压若忽略晶体管的饱和压降和截止区，输出信号降和截止区，输出信号vo的峰值最大只能为：的峰值最大只能为：vCEv vo o的取的取值范围值范围Q Qi ic cV VCCCC直流负直流负载线
10、载线交流负交流负载线载线VCEQ=0.5VCC 静态工作点：静态工作点：为得到较大的输出信号，假设将射极输出器的静态为得到较大的输出信号，假设将射极输出器的静态工作点（工作点（Q Q）设置在负载线的中部，令信号波形正负半）设置在负载线的中部，令信号波形正负半周均不失真周均不失真 ，如下图所示。，如下图所示。1.1.直流电源输出的功率直流电源输出的功率2.2.最大负载功率最大负载功率3.3.最大效率最大效率如何解决效率低的问题？如何解决效率低的问题？办法：办法：降低降低Q点。点。既降低既降低Q点又不会引起截止失真的办法：点又不会引起截止失真的办法：采用采用推挽输出电路，推挽输出电路，或或互补对称
11、射极输出器。互补对称射极输出器。缺点：缺点：会引起截止失真。会引起截止失真。二、二、传统的推挽功率放大电路传统的推挽功率放大电路(乙类功率放大器乙类功率放大器)1、电路结构、电路结构(变压器耦合变压器耦合)：T1：输入变压器；：输入变压器；T2：输出变压器；：输出变压器；VT1和和VT2：对对称放大管。称放大管。2、工作原理：、工作原理：当当vI为正半周时：为正半周时：VT1工作在放大工作在放大 区，区，VT2工作在工作在 截止区。截止区。(推推)当当vI为负半周时：为负半周时：VT1工作在截止工作在截止 区，区，VT2工作在放大区。工作在放大区。(挽挽)最后在两管的集电极合成一个完整的正弦波
12、最后在两管的集电极合成一个完整的正弦波，再通再通过过T2耦合到负载耦合到负载RL上。上。iC13、图解分析：图解分析：4、传统的乙类推挽功率放大电路的传统的乙类推挽功率放大电路的 缺点：缺点：输入输入/输出变压器的体积大、重；输出变压器的体积大、重；因为是变压器耦合，故频带窄；因为是变压器耦合，故频带窄；存在交越失真和不对称失真；存在交越失真和不对称失真；电路采用反馈时，易自激振荡。电路采用反馈时，易自激振荡。三、三、OTL乙类互补对称电路乙类互补对称电路1、电路结构：电路结构：VT1 和和VT2 分别由分别由 NPN和和PNP管组成，管组成，然后共同对然后共同对RL组成组成 射极输出器。射极
13、输出器。电路只有一个电源，电路只有一个电源，NPN管由管由VCC供电，供电，PNP管管 由电容由电容C供电。供电。R1和和R2分别为两管的偏置电阻。分别为两管的偏置电阻。2、工作原理：工作原理：静态时：静态时：合理选取合理选取R1、R2，使使 两管均微通，其发射两管均微通，其发射 极电位为极电位为VCC/2。大。大 电容电容C已充满电已充满电，VC 也为也为VCC/2。当当vI为正半周时：为正半周时：VT1放大、放大、VT2截止截止。其正半周的信号通过其正半周的信号通过VT1管、管、C到达负载。到达负载。VT1的的 供电电压为供电电压为：VCC-VC=VCC-VCC/2=VCC/2。当当vI为
14、负半周时：为负半周时：VT1截止、截止、VT2放大放大。其负半周的信号通过其负半周的信号通过 VT2管和电容管和电容C到达负到达负 载。载。VT2的供电电压的供电电压 为为：VC=-VCC/2。VT1和和VT2各负责输各负责输 入信号半周波形的放入信号半周波形的放 大。所以在负载上大。所以在负载上iRL=iC1-iC2，合成了一个，合成了一个完整完整 的正的正弦波。弦波。3、讨论：讨论：VT1导电是靠导电是靠VCC 供电，供电，VT2导电是导电是 靠靠 C 供电。所以供电。所以 C 必须必须非常大，否则非常大，否则 在负半周会供电不足产生失真。在负半周会供电不足产生失真。此电路不使用变压器，用
15、电容此电路不使用变压器，用电容 C 来耦来耦 合，所以称为：合，所以称为：OTL电路。电路。此电路由两管轮流工作，互补对称输此电路由两管轮流工作，互补对称输 出，各处理正弦信号的出，各处理正弦信号的 180 度。故又度。故又 称为：乙类互补对称电路。称为：乙类互补对称电路。4 4、图解分析、图解分析 将两管的输出特性曲线合并，将两管的输出特性曲线合并，VT2是是PNP管，管，所以所以VCE2取负值。取负值。静态时：静态时：所以：所以：静态工作点静态工作点Q在中点处，负载线的斜率由在中点处，负载线的斜率由RL来确来确定。定。输入电压在正半周时：输入电压在正半周时：VT1导电，工作点从导电，工作点
16、从Q沿斜沿斜 线向左上方运动。最大集流为线向左上方运动。最大集流为Icm1。输入电压在负半周时：输入电压在负半周时：VT2导电，工作点从导电，工作点从Q沿斜沿斜 线向右下方运动。最大集流为线向右下方运动。最大集流为Icm2。假设假设VT1、VT2 特性曲线对称：特性曲线对称：三极管集电极电三极管集电极电 压的最大值为：压的最大值为：OTL乙类互补对称电路的最大输出功率乙类互补对称电路的最大输出功率Pom将前式将前式代入上式代入上式:（若若Vces在在0.3V左右时，则可以忽略）左右时，则可以忽略）直流电源直流电源VCC消耗的功率消耗的功率PV PV等于等于VCC/2与半个周期内三极管集电极电流
17、平与半个周期内三极管集电极电流平均值的乘积。均值的乘积。由于：由于：所以：所以：OTL乙类互补对称电路的最大效率乙类互补对称电路的最大效率 m 电路实际上的效率比上值要低。因为电源提供的电路实际上的效率比上值要低。因为电源提供的功率有一部分转化为集电极的功耗，使管子发热产生功率有一部分转化为集电极的功耗，使管子发热产生了温升。了温升。5、OTL乙类互补对称乙类互补对称电路的优、缺点电路的优、缺点优优 点点 效率高，理想情况下最在可达效率高，理想情况下最在可达到到78.5%，在静态时，在静态时，ic1、ic2 为为0，即：静态功耗为即：静态功耗为0。缺缺 点点 在输入信号为在输入信号为 0 附近
18、的区域内，附近的区域内，VT1 和和VT2 都不导通，因此会出现都不导通，因此会出现交越失真。所以上电路若不改进，交越失真。所以上电路若不改进，则没有实用的价值。则没有实用的价值。6、交越失真现象、交越失真现象 产生交越失真的原因产生交越失真的原因 在输入信号正半周在输入信号正半周或者负半周的起始段，或者负半周的起始段，VT1、VT2都处在截止都处在截止状态，所以这一段输出状态，所以这一段输出信号出现了失真，我们信号出现了失真，我们称此现象为交越失真。称此现象为交越失真。克服交越失真的方法克服交越失真的方法 在在两个互补管两个互补管的基极引入的基极引入R、VD1和和VD2支路，保证支路，保证电
19、路在静态时或起电路在静态时或起始段，始段，VT1和和VT2都处在导通状态，都处在导通状态，这样就克服了两管这样就克服了两管都截止的情况，保都截止的情况，保证了输出信号不出证了输出信号不出现了失真。现了失真。二、二、OTL甲乙类互补对称电路甲乙类互补对称电路1、电路结构：电路结构：在在VT1和和VT2的基极的基极接入接入R和和VD1、VD2。静态时：静态时：2、工作原理：工作原理：由由R和和VD1、VD2在在两个三极管的基极上产生两个三极管的基极上产生一个偏压，使一个偏压，使VT1和和VT2微微导通。所以微微导通。所以uI=0时，时，VT1 和和VT2 有一个小小的集有一个小小的集流。但是，流。
20、但是，iL=0。当当vI为正半周时为正半周时：ic1逐渐增大，逐渐增大，VT1在在放大区工作，放大区工作，ic2逐渐减逐渐减小，小，VT2进入截止区。进入截止区。当当vI为负半周时为负半周时：ic2逐渐增大，逐渐增大，VT2在在放大区工作，放大区工作，ic1逐渐减逐渐减小，小，VT1进入截止区。进入截止区。在在vI的整个周期内的整个周期内：负负载载RL上得到了比较理想的正弦波，减小了交上得到了比较理想的正弦波，减小了交越失真。越失真。此电路的参数计算，可以近似用此电路的参数计算，可以近似用 乙类互补电路的公式计算；乙类互补电路的公式计算；3、讨论讨论：此电路的交越失真小，效率也不此电路的交越失
21、真小，效率也不 错，故应用非常广泛；错，故应用非常广泛；缺点是：电容体积大，不易集成缺点是：电容体积大，不易集成 化；低频效果差，不适用高档音化；低频效果差，不适用高档音 响设备。响设备。四、四、OCL互补对称电路互补对称电路一、一、电路结构：电路结构：1、彻底实现了直接耦彻底实现了直接耦合合2、采用了两路电源、采用了两路电源(用用 -VCC替代了替代了OTL电电 路中路中的的VC)，分别为，分别为 VT1和和VT2供电。供电。二、工作原理二、工作原理：工作原理与工作原理与OTL电路基本相同，但供电方式不电路基本相同，但供电方式不同。同。1、静态时：静态时：所以：所以：静态工作点静态工作点Q在
22、中点处，负载线的斜率仍由在中点处，负载线的斜率仍由RL来确来确定。定。2、三极管集电极电三极管集电极电 压的最大值为：压的最大值为：3、OCL互补对称电路的最大输出功率互补对称电路的最大输出功率Pom将前式将前式代入上式代入上式:（若（若Uces在在0.3V左右时，可以忽略）左右时，可以忽略）比比OTL电路的电路的Pom大，大，这是靠两套电源获得这是靠两套电源获得的。的。4、直流电源直流电源VCC消耗的功率消耗的功率PV PV等于等于VCC与半个周期内三极管集电极电流平与半个周期内三极管集电极电流平均值的乘积。均值的乘积。由于：由于：所以：所以：电源消耗的功率也比电源消耗的功率也比OTL电路大
23、得多。电路大得多。5、OCL互补对称电路的最大效率互补对称电路的最大效率 m 电路实际上的效率比上值要低。因为电源提供的电路实际上的效率比上值要低。因为电源提供的功率有一部分转化为集电极的功耗，使管子发热产生功率有一部分转化为集电极的功耗，使管子发热产生了温升。了温升。OCL与与OTL电路的最大效率电路的最大效率 m相同相同。三、三、OCL互补互补对称电路的优、缺点对称电路的优、缺点优优 点点 兼顾了兼顾了OTL电路的所有优点，电路的所有优点，并省去了并省去了C，便于集成化；改善了，便于集成化；改善了低频响应。低频响应。缺缺 点点 由于负载直接与射极相连，一由于负载直接与射极相连，一旦三极管损
24、坏，旦三极管损坏，VCC 形成的大电流形成的大电流将直接流过负载，若时间稍长必定将直接流过负载，若时间稍长必定会造成负载烧毁。会造成负载烧毁。在实用电路中常采用熔断保险在实用电路中常采用熔断保险丝与负载串联或启用二极管、三极丝与负载串联或启用二极管、三极管保护电路。管保护电路。四、讨论四、讨论1、甲类放大时，静态电流大，因此甲类放大时，静态电流大，因此 效率也就低，约在效率也就低，约在30%左右。左右。2、乙类放大时，静态功耗等于乙类放大时，静态功耗等于0，因，因 此效率高，约在此效率高，约在78%左右。左右。3、OCL的功率是的功率是OTL的的4倍倍，但需要，但需要 两套电源。两套电源。五、
25、注意五、注意 由于共集电极电路只能放大由于共集电极电路只能放大电流而不能放大电压，所以上面电流而不能放大电压，所以上面的电路必须用电压幅度足够大的的电路必须用电压幅度足够大的信号驱动。换句话说：输入和输信号驱动。换句话说：输入和输出电压的幅度近似相等，但输出出电压的幅度近似相等，但输出信号的功率得到了放大。信号的功率得到了放大。例例 下图两电路的下图两电路的VCC均为均为20V，负载电阻，负载电阻RL均为均为16 ，三极管饱和压降三极管饱和压降 Vces 均为均为 2V，分别估算下面，分别估算下面OTL 和和OCL电路电路的最大输出功率的最大输出功率Pom和最大效率和最大效率m。解：估算解：估
26、算OTL电路的电路的Pom电源消耗的功率电源消耗的功率最大效率最大效率解：估算解：估算OCL电路的电路的Pom电源消耗的功率电源消耗的功率最大效率最大效率1、功率放大电路主要任务、功率放大电路主要任务是要大功率、高效率、是要大功率、高效率、小失真。小失真。2、常用的功率放大、常用的功率放大 电路主要有电路主要有OTL 和和OCL两种。两种。本章小结：本章小结：3、为了克服交越失真，将、为了克服交越失真，将三极管工作在甲乙类状三极管工作在甲乙类状态，即：导通角大于态，即：导通角大于180度。度。4、功率放大器的主要技术、功率放大器的主要技术指标是：最大输出功率；指标是：最大输出功率；电源消耗功率和效率。电源消耗功率和效率。