第4章 功率放大電路

第4章功率放大電路功率放大電路的主要特點互補對稱式功率放大電路采用復合管的互補對稱式放大電路集成功率放大器§4.1功率放大電路的主要特點功率放大電路：要求放大電路有足夠大的輸出功率。一般直接驅(qū)動負載，帶載能力要強。電壓放大電路與功率放大電路的區(qū)別：從能量控制的觀點來看，功率放大電路與電壓放大電路沒有本質(zhì)的區(qū)別，所有放大電路都可稱為功率放大電路，但是兩者所要完成的任務是不同的。

電壓放大電路：主要要求是使負載得到不失真的電壓信號，討論的主要性能指標是電壓放大倍數(shù)，輸入輸出電阻等，輸出功率并不一定大。1.對放大電路的要求功率放大電路的特點主要有：(a)最大輸出功率：輸出波形不超過規(guī)定的非線性失真指標時，放大電路的最大輸出電壓與最大輸出電流有效值的乘積。共射接法的最大輸出功率：21UcemIcm=

2·Icm2Pom=Ucem(b)效率高：任何放大器的作用實質(zhì)上都是通過放大管的控制作用，把直流電源提供的直流功率轉(zhuǎn)換為向負載輸出的信號功率。放大電路輸出給負載的功率直流電源VCC所提供的功率2.放大電路中三極管的工作狀態(tài)在功率放大電路中，三極管通常工作在大信號狀態(tài)，使得管子的非線性問題充分暴露出來。在實際的功率放大電路中，應根據(jù)負載的要求，盡量設法減少輸出波形的非線性失真。晶體管的極限參數(shù)在功放中，三個主要參數(shù)工作在盡限狀態(tài)。①集電極的電流，它在整個過程中的最大值接近極限集電極電流ICM。②c-e之間的管壓降最大值接近c-e反向擊穿電壓U(BR)CEO。③集電極消耗功率的最大值接近集電極最大耗散功率PCM

。晶體管的選用：3.放大電路的分析方法由于三極管的工作點在大范圍內(nèi)變化，因此，對電路分析一般不能采用微變等效電路法，而常常采用圖解法來分析放大電路的靜態(tài)和動態(tài)工作情況。變壓器耦合推挽功率放大電路（傳統(tǒng)的功率放大電路）T1：輸入變壓器T2：輸出變壓器VT1和VT2接成對稱形式。當u1為正半周時，VT1導電，VT2截止當u1為負半周時，VT2導電，VT1截止優(yōu)點：①輸入為零時，兩個三極管均不導電，靜態(tài)功耗等于零，②加上正選輸入電壓后，VT1和VT2輪流導電，三極管本身的平均耗散相對較小，使直流電源提供的功率較多地傳送給負載，因此效率高。③阻抗匹配。缺點：變壓器體積龐大，消耗有色金屬，高、低頻相移，自激振蕩，無法集成?！?.2互補對稱式功率放大電路電路的組成和工作原理互補對稱電路主要參數(shù)的估算4.2.1電路組成和工作原理1.

OTL互補對稱電路OTL電路：省去輸出變壓器的功率放大電路?？煞譃閮煞N：(1).

OTL（OutputTransformerLess）乙類互補對稱電路(2).

OTL甲乙類互補對稱電路三極管兩管輪流導電，且每管導電180°，電流互補，電路結構形式對稱。兩管的導電角略大于180°，而小于360°。ICUCEOQiCtOICUCEOQiCtOICUCEOQiCtO晶體管的工作狀態(tài)甲類工作狀態(tài)晶體管在輸入信號的整個周期都導通靜態(tài)IC較大，波形好,管耗大效率低。乙類工作狀態(tài)晶體管只在輸入信號的半個周期內(nèi)導通，靜態(tài)IC=0，波形嚴重失真,管耗小效率高。甲乙類工作狀態(tài)晶體管導通的時間大于半個周期，靜態(tài)IC

0，一般功放常采用。(1).

OTL乙類互補對稱電路電容C2兩端直流電壓為VCC/2u1正半周：VT1導電，VT2截止，ic1從VCC經(jīng)VT1，C2，RL，公共端。u1負半周：VT2導電，VT1截止，ic2從C2正極經(jīng)VT2

，地，RL，C2負極。優(yōu)點：靜態(tài)功耗為零，效率高。缺點：交越失真。iC1iC2R1

和R2確定放大電路的靜態(tài)電位。2

VCC調(diào)整R1

和

R2的值，使靜態(tài)時兩管的發(fā)射極電位為如果電容足夠大，則動態(tài)時電容兩端的電壓保持0.5VCC的數(shù)值基本不變。OTL乙類互補對稱電路波形圖因所以iL和uo基本上是正弦波。交越失真：u1幅度小于死區(qū)電壓時，兩管都不導電。在VT1、VT2輪流導電的交界處，將有一段時間兩個三極管均截止。這種情況導致iL和uo的波形發(fā)生失真。為克服這一缺點，在VT1，VT2的基極之間，接入電阻R和兩個二極管VD1和VD2，這種電路成為OTL甲乙類互補對稱電路。otic1otic2otiLotuI交越失真R2R1uI++VCCC1-VT1NPNuOVT2PNP2VCCRLVD1VD2b1b2R+iC1iC2iLiB1iB2R

、VD1和VD2為兩管提供了靜態(tài)基極電流IB1和IB2避免了uI較小時兩管同時截止減小了交越失真。iC1

和

iC2不為零，靜態(tài)時為零(2).

OTL甲乙類互補對稱電路OtiC1OtiC2OtiLOTL甲乙類互補對稱電路的波形圖OtuIR2R1uI++VCCC1-VT1NPNuOVT2PNP2VCCRLVD1VD2b1b2R+iC1iC2iL優(yōu)點：既能減少交越失真，改善輸出波形，同時又能獲得較高的效率。在實際工作中廣泛應用。

缺點：在低頻率時容易產(chǎn)生頻率失真，而且大電容通常具有電感效應，在高頻時容易產(chǎn)生相移，大容量的電容無法集成。由于二極管抬高了三極管基極的電壓，ic1和ic2的波形如圖所示，兩管輪流導電的交替過程比較平滑，最終得到的iL和u0的波形接近理想的正弦波，減小了交越失真。Ucem=VCC

–

UCES

靜態(tài)時

UCE1=+VCC,UCE2=–

VCCOCL甲乙類互補對稱輸出級-VCCR2R1uI+VCCVT1NPNuOVT2PNPRLVD1VD2b1b2RiC1iC2iL2.OCL互補對稱電路OCL電路省去了大電容，既改善了低頻響應，又有利于實現(xiàn)集成化，應用更為廣泛。省去大電容C2，VT1、VT2的發(fā)射極直接與負載相連，為了在VT1、VT2分別導電時分別提供電源，電路中采用正負兩路電源，+VCC和-VCC。若VCC值相等，OCL的電流Icm比OTL電路大一倍。優(yōu)點：無電容，改善了低頻響應，易集成。

缺點：靜態(tài)工作點如果失調(diào)，將造成大電流通過負載，一般負載回路使用保險絲。小結：變壓器耦合乙類推挽電路：單電源供電，效率低，笨重，無法集成OTL電路：單電源供電，低頻特性差OCL電路：雙電源供電，低頻特性好，效率高uI>0時工作點沿QA上移。uI<0時工作點沿QB下移。Ucem=VCC-UCES若VT1、VT2對稱1.OCL互補對稱電路主要參數(shù)的估算-uCE2QiC1OiC2uCE1AOB

OCL互補電路的圖解法Icm1Icm2Ucem1UCESVCCRLVCC▼▼

4.2.2互補對稱電路主要參數(shù)的估算（1）最大輸出功率集電極最大電壓為集電極最大電流為最大輸出功率當滿足條件uCES<<VCC時，可將上式中uCES忽略，可得LCESccLcemcmcemomRUVRUIUP2)(22122-===LccomRVP22?CEScccemUVU-=LCESccLcemcmRUVRUI-==

當輸出最大功率時，放大電路的效率等于最大輸出功率Pom與直流電源提供的功率PV之比。當忽略飽和壓降uCES時

考慮三極管的飽和管壓降，則OCL乙類和甲乙類互補對稱電路的效率將低于此值。LVcmCCcmCCVRVPIVtdtIVPCCππππ2022)()sin(1?==òww78.5%42222==?=ππLCCLCCVomRVRVPPh（2）效率（3）功率三極管的極限參數(shù)a.集電極最大允許電流ICM選擇功率三極管時，集電極最大允許電流應為：b.集電極最大允許反向電壓U（BR）CEO功率三極管的集電極最大允許反向電壓應為LCCLCESCCcmRVRUVI?-=LCCCMRVI>CCCEOBRVU2)(>兩個三極管集電極電壓值和等于2VCC，當|uCE2|的值最小時，VT1的集電極電壓達到最大。此時uCE1≈2VCC。c.集電極最大允許耗散功率PCM在OCL互補對稱電路中，直流電源提供的功率PV，一部分轉(zhuǎn)換成輸出功率Po傳送給負載，另一部分則消耗在功率三極管內(nèi)部，成為三極管的耗散功率PT，使管子發(fā)熱。三極管的最大管耗大約等于最大輸出功率的五分之一。在選擇功率三極管時，集電極最大允許耗散功率應為：在實際工作中選用功率三極管時，應留有適當?shù)挠嗟?。omLCCTmPRVP2.022?=πomCMPP2.0>2

.OTL互補對稱電路主要參數(shù)的估算靜態(tài)工作點在靜態(tài)時，乙類或甲乙類互補對稱電路中兩個三極管集電極電流均等于零或接近于零。OTL和OCL的主要區(qū)別：集電極電壓uCE1=Vcc/2,uCE2=-Vcc/2,靜態(tài)工作點Q集電極電壓Vcc/2,而不是Vcc。兩管的靜態(tài)工作點均在橫坐標上的Q點處。（1）最大輸出功率集電極最大電壓為集電極最大電流為最大輸出功率當滿足條件uCES<<VCC時，可將上式中uCES忽略，可得CEScccemUVU-=2LCESccLcemcmRUVRUI-==2LCESccLcemcmcemomRUVRUIUP2)2(22122-===LccomRVP82?OTL互補對稱電路中，直流電源提供的功率為當忽略飽和壓降uCES時OTL互補對稱電路的效率與OCL電路相同。LVcmCCcmCCVRVPIVtdtIVPCCππππ2)()sin(1220===òww78.5%42822==?=ππLCCLCCVomRVRVPPh（2）效率選擇功率三極管時，集電極最大允許電流應為功率三極管的集電極最大允許反向電壓應為LCCLCESCCcmRVRUVI22?-=LCCCMRVI2>CCCEOBRVU>)(（3）功率三極管的極限參數(shù)a.集電極最大允許電流ICMb.集電極最大允許反向電壓U（BR）CEO

兩個三極管集電極電壓值和等于VCC，當|uCE2|的值最小時，VT1的集電極電壓達到最大。此時uCE1≈VCC。通過分析可以證明，在OTL互補對稱電路中，當忽略三極管的UCES時，每個三極管的最大管耗為：

三極管的最大管耗大約等于最大輸出功率的五分之一。在選擇功率三極管時，集電極最大允許耗散功率應為：在實際工作中選用功率三極管時，應留有適當?shù)挠嗟?。omTmPP2.0?omCMPP2.0>c.集電極最大允許耗散功率PCM復合管的接法及其β和rbe復合組成的互補對稱放大電路§4.3采用復合管的互補對稱式放大電路▼▼4.3.1復合管的接法及其β和rbe為什么互補對稱電路要采用復合管？當負載要求功率放大電路的輸出功率很大時，不僅功率三極管本身的電流和電壓都很大，而且對功放的前置放大級也相應地要求提供較大的驅(qū)動電流。這是因為，放大電路的最大輸出功率可表示為：故功率三極管集電極電流的最大值為：如果功率三極管的共射電流放大倍數(shù)為，則功率管基極電流最大值為：假設要求最大輸出功率Pom=50W,負載電阻RL=8Ω，功率管的β=20,則可算得：此時要求功放的前置級提供峰值為177mA的驅(qū)動電流，對于一般的三極管來說，要提供如此之大的輸出電流是比較困難的。如果由兩個三極管組成的復合管充當功率放大管，其中兩個三極管的電流放大系數(shù)分別為β1=50，β2=20，則復合管基極電流的最大值為：復合管可由兩個或兩個以上的三極管組合而成。它們可以由相同類型的三極管組成，也可以由不同類型的三極管組成。無論由相同或不同類型的三極管組成復合管時，首先，在前后兩個三極管的連接關系上，應保證前級三極管的輸出電流與后級三極管的輸入電流的實際方向一致。其次，外加電壓的極性應保證前后兩個三極管均為發(fā)射結正偏，集電結反偏，使兩管都工作在放大區(qū)。rbe=

rbe1

+（1+

β1）rbe2(β1+β2+β1β2)ΔiBΔiE=(1+β2)(1+β1)ΔiB1=ΔiB+ΔiCβ=ΔiCΔiB=

β1+β2+β1β2

≈

β1β2iC1iC2iE1=iB2iEiCiBiB1ΔiC1

=β1Δ

iB1ΔiE1=ΔiB2=(1+β1)ΔiB1ΔiC2

=β2(1+β1)ΔiB1與NPN型三極管等效VT1VT2bec三極管的輸入電阻rbe是其uBE與iB的變化量之比。ic1=iB2iE2iB1iBic2iciE1iEΔiC=β1(1+β2)ΔiB1=(β1+β1β2)ΔiBΔiE=(1+β1+β1β2)ΔiB1=ΔiC+ΔiBβ

=

β1（1

+β2）≈

β1β2rbe=

rbe1與NPN型三極管等效ΔiE1=(1+β1)ΔiB1ΔiC1=ΔiB2=β1ΔiB1ΔiC2=(β1β2)ΔiB1VT2VT1becrbe=

rbe1

+（1+

β1）rbe2β=

β1+β2+β1β2

≈

β1β2與PNP型三極管等效β

=

β1（1

+β2）≈

β1β2rbe=

rbe1與PNP型三極管等效iC1iE1=iB2iC2VT1VT2iEiCiB1iBbeciC1=iB2VT1VT2iEiC2iB1iBiCiE1bec（+）（+）（-）（-）（-）（+）（-）（+）結論1、由兩個相同類型的三極管組成的復合管，其類型與原來的相同，復合管的放大倍數(shù)與輸入電阻分別為：2、由兩個不同類型的三極管組成的復合管，其類型與前級三極管相同，復合管的放大倍數(shù)與輸入電阻分別為：β≈

β1β2β≈

β1β2rbe=

rbe1rbe=

rbe1+(1+β1)rbe24.3.2復合組成的互補對稱放大電路OCL甲乙類互補對稱放大電路VT1、VT3組成NPN復合管VT2、VT4組成PNP復合管

缺點：VT3、VT4不同類型，很難實現(xiàn)特性互補對稱。VT3、VT4相同類型準互補對稱電路接入Re1、Rc2是為了調(diào)整VT3、VT4靜態(tài)工作點.§4.4集成功率放大器集成功率放大器的電路組成集成功率放大器的主要技術指標集成功率放大器的引腳和典型接法

優(yōu)點：輕便小巧，成本低廉，外部接線少，方便使用，可靠性高，溫度穩(wěn)定性好，電源利用率高，功耗較低，非線性失真小，可集成各種保護電路（過流保護，過熱保護，過壓保護）用途劃分：通用型和專用型（收音機，錄音機，電視機）芯片內(nèi)部結構劃分：單通道和雙通道（立體聲音響）功率劃分：小功率（1W以下）大功率（幾十W）

輸出功率比集成運算放大器更大，輸出級常采用復合管組成，有時需要裝散熱片。集成功率放大器與一般集成運算放大器的主要區(qū)別在于，對前者要求輸出更大的功率。為了達到這個要求，集成功放的輸出級常常采用復合管組成。另外，通常要求更高的直流電源電壓。對于輸出功率比較高的集成功放，有時要求其外殼裝散熱片。82716354R3R2R1R4R5R7R615kΩ15kΩ50kΩ1.35kΩ150Ω15kΩ50kΩVT1VT2VT3VD1VT10VT4VT5VT7VT8VT6VT9VD2輸入級為雙端輸入、單端輸出差分放大電路鏡像電流源中間級引入一個電壓串聯(lián)負反饋，減小非線性失真。▼▼

4.4.1集成功率放大器的電路組成圖4.4.1集成功放LM386電路原理圖LM386是一種音頻集成功放，具有自身功率低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點。輸入級為雙端輸入，單端輸出差分放大。

VT1、VT2組成復合管，VT3、VT4組成復合管

VT5和VT6組成鏡像電流源

VT3集電極輸出，傳送到中間級。

VT7共射放大，集電極負載由恒流源充當，得到很高的增益。

VT8和VT9組成PNP型復合管，與NPN型三極管VT10組成準互補對稱電路。VD1和VD2提供偏置電壓避免交越產(chǎn)生失真。參數(shù)測試條件最小典型最大單位工作電源電壓（V+）LM386N-1,-3，LM386M-1LM386N-4451218VV靜態(tài)電流（IQ）V+=6V,Ui=048mA輸出功率（PO）LM386N-1，LM386M-1LM386N-3LM386N-4V+=6V,RL=8Ω,THD=10%V+=9V,RL=8Ω,THD=10%V+=16V,RL=32Ω,THD=10%2505007003257001000mWmWmW電壓增益（Au

）V+