模拟电路第四章 低频功率放大电路.docx

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模拟电路第四章低频功率放大电路

第4章低频功率放大器

§4.1教学要求

1、熟悉功率放大器的特点和主要研究对象。

2、熟悉功率放大器的分类，掌握甲类、乙类、甲乙类的概念。

3、熟练掌握OCL电路的工作原理及其性能分析，熟悉交越失真的概念及克服交越失真的方法；区别OTL与OCL电路的特点。

4、正确估算功率放大电路的输出功率和效率，了解功放管的选择方法。

5、了解集成功率放大器的性能特点及其应用。

4.2基本概念和内容要点

4.2.1功率放大器的特点和主要研究对象

功率放大器的主要功能是在保证信号不失真（或失真较小）的前提下获得尽可能大的信号输出功率。

由于通常工作在大信号状态下，所以常用图解法进行分析。

在功率放大器研究中需要关注的主要问题有：

1、要求输出功率Po尽可能大

Po=VoIo（4—1）

为了获得大的功率输出，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因此，功放管往往在接近极限状态下工作。

2、效率η要高

Po（交流输出功率）

η=×100%（4—2）

PV（直流电源供给的功率）

3、正确处理输出功率与非线性失真之间的矛盾

同一功放管随着输出功率增大，非线性失真往往越严重，因此，应根据不同的应用场合，合理考虑对非线性失真的要求。

4、功放管的散热与保护问题

在功率放大器中，有相当大的功率消耗在管子的集电结上，使结温和管壳温度升高。

为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率，功放管的散热是一个很重要的问题。

此外，在功率放大器中，为了输出大的信号功率，管子承受的电压要高，通过的电流要大，功放管损坏的可能性也就比较大，所以，功放管的保护问题也不容忽视。

4.2.2低频功率放大器的分类

通常在加入输入信号后，按照输出级晶体管集电极电流的导通情况，低频功率放大器可分为三类：

甲类、乙类、甲乙类。

如图4.1所示。

甲类；在信号的一个周期内，功放管始终导通，其导电角θ=360o。

该类电路的主要优点是输出信号的非线性失真较小。

主要缺点是；直流电源在静态时的功耗较大，效率η较低，在理想情况下，甲类功放的最高效率只能达到50%。

iC

图4.1功率放大电路的分类

乙类；在信号的一个周期内，功放管只有半个周期导通，其导电角θ=180o。

该类电路的主要优点是直流电源的静态功耗为零，效率η较高，在理想情况下，最高效率可达78.5%。

主要缺点是；输出信号中会产生交越失真。

甲乙类；在信号的一个周期内，功放管导通的时间略大于半个周期，其导电角180o＜θ＜360o。

功放管的静态电流大于零，但非常小。

这类电路保留了乙类功放的优点，且克服了乙类功放的交越失真，是最常用的低频功率放大器类型。

图4.2

4.2.3乙类双电源（OCL）互补对称功率放大电路

1、电路组成

如图4.2所示。

由两射极输出器组成基本的互补对称电路。

OCL为OutputCapacitorless（无输出电容

器）的缩写。

2、工作原理

在输入信号vi的整个周期内，T1、T2轮流导电半个周期，使输出vo的iL是一个完整的信号波形，如图4.3所示。

2Icm

Vcem1

（b）互补对称电路的工作情况

（a）vi＞0时T1管的工作情况

图4.3乙类OCL电路的工作原理

3、电路的性能分析

（1）输出功率Po

1Vom2

Po=VoIo=·（4—3）

2RL

最大输出功率为：

1VCC2

Pom≈·（4—4）

2RL

（2）晶体管管耗PT

2VCCVomVom2

PT=PT1+PT2=－（4—5）

RLπ4

当Vom≈0.6VCC时，具有最大管耗，最大管耗PT1M为：

PT1M≈0.2Pom（4—6）

（3）直流电源供给的功率PV

2VCCVom

PV=Po+PT=（4—7）

πRL

电源供给的最大输出功率为：

2VCC2

PVm=（4—8）

πRL

（4）效率η

PoπVom

η==（4—9）

PV4VCC

当Vom≈VCC时，效率最高，最大效率为：

Poπ

η==≈78.5%（4—10）

PV4

交越失真

4、功率管的选择

（1）PCM≥0.2Pom（4—11）

（2）V（BR）CEO≥2VCC（4—12）

（3）ICM≥VCC/RL（4—13）

5、存在的问题

由于电路没有直流偏置，而功率

三极管的输入特性又存在死区，所以，

输出信号在零点附近会产生交越失真

图4.4交越失真

现象，如图4.4所示。

4.2.4甲乙类双电源（OCL）互补对称功率放大电路

1、引入思想

为了克服交越失真，在静态时，为输出管T1、T2提供适当的偏置电压，使之处于微导通，从而使电路工作在甲乙类状态。

2、甲乙类OCL电路静态点的设置方案

如图4.5所示。

（b）利用vBE扩大电路进行偏置

－VCC

图4.5甲乙类OCL电路的静态偏置

图4.5（b）所示的偏置方法在集成电路中常用到。

可以证明：

R1

VCE4=（1+）VBE4（4—11）

R2

适当调节R1、R2的比值，即可改变T1、T2的偏压值。

3、电路的性能指标

上述电路的静态工作电流虽不为零，但仍然很小，因此，其性能指标仍可用乙类互补对称电路的公式近似进行计算。

4.2.5单电源（OTL）互补对称功率放大电路

1、电路原理图

（b）

如图4.6（a）所示，图4.6（b）是其等效电路。

OTL是OutputTransformerless（无输出变压器）的缩写。

C

（a）

图4.6单电源（OTL）互补对称功率放大电路

图4.6（a）与图4.2的最大区别在于输出端接有大容量的电容C。

当vi=0时，由于T1、T2特性相同，即有VK=VCC/2，电容C被充电到VCC/2。

设RLC远大于输入信号vi的周期，则C上的电压可视为固定不变，电容C对交流信号而言可看作短路。

因此，用单电源和C就可代替OCL电路的双电源。

2、电路的性能指标

OTL电路的工作情况与OCL电路完全相同，偏置电路也可采用类似的方法处理。

估算其性能指标时，用VCC/2代替OCL电路计算公式中的VCC即可。

4.2.6集成功率放大器

随着线性集成电路的发展，集成功率放大器的应用也日益广泛。

OTL、OCL电路均有各种不同输出功率和不同电压增益的多种型号的集成电路。

应当注意，在使用OTL集成电路时，需外接输出电容。

4.3典型习题详解

【4-1】在题图4.1（a）所示电路中，设BJT的β=100，VBE=0.7V，VCES=0.5V，ICEO=0，

电容C对交流可视为短路。

输入信号vi为正弦波。

（1）计算电路可能达到的最大不失真输出功率Pom;

（2）此时RB应调节到什么数值？

（b）

（3）此时电路的效率η=？

C

（a）

题图4.1

【解】本题用来熟悉甲类放大电路的分析方法及特点。

（1）先求输出信号的最大不失真幅值。

由题图4.1（b）可知：

vO=VOQ+Vomsinωt

1

Vom=（VCC－VCES）

2

2Vom≤VCC－VCES

VOQ+Vom≤VCC

VOQ－Vom≥VCES

因此，最大不失真输出功率Pom为：

Vom21（VCC－VCES）21

Pom==×≈2.07W

2RL88

VCC－VCES1

VOQ=+VCES=（VCC+VCES）

22

（2）静态时，

VCC－VOQVCC－VCES12－0.5

ICQ===≈0.72A

RL2RL2×8

所以

ICQ

IBQ==7.2mA

β

VCC－VBE12－0.7

RB==≈1.57kΩ

IBQ7.2

PomPom2.07

η===×100%≈24%

PVVCCICQ12×0.72

（3）

甲类功率放大电路的效率很低.

－VCC

【4-2】一双电源互补对称（OCL）电路如题图4.2

所示，已知VCC=12V,RL=16Ω，vi为正弦波。

求：

（1）在BJT的饱和压降VCES可以忽略不计的

条件下，负载上可能得到的最大输出功率Pom。

（2）每个管子允许的管耗PCM至少应为多少？

（3）每个管子的耐压│V（BR）CEO│至少应大于

多少？

题图4.2

【解】本题用来熟悉乙类放大电路的分析方法及特点。

（1）对乙类放大电路，静态时，VO=0。

若忽略BJT的饱和压降VCES，则有：

Vom=VCC，因此，

Vom2VCC2122

Pom====4.5W

2RL2RL2×16

（2）每管允许的管耗PCM≥0.2Pom=0.2×4.5=0.9W

（3）每个管子承受的最大电压为2VCC，故每管的耐压│V（BR）CEO│≥2VCC。

【4-3】电路如题图4.2所示，设vi为正弦波，RL=8Ω，要求最大输出功率Pom=9W。

在BJT的饱和压降VCES可以忽略不计的条件下，试求出下列各值：

（1）正、负电源VCC的最小值；

（2）根据所求的VCC的最小值，确定三极管的ICM、│V（BR）CEO│及PCM的最小值；

（3）当输出功率最大时，电源供给的功率PV；

（4）当输出功率最大时的输入电压有效值。

【解】本题用来熟悉乙类放大电路的分析方法及特点。

Vom2VCC2

Pom=≤

2RL2RL

VCC≥2PomRL=2×9×8=12V

（1）

故VCCmin=12V。

（2）当vo=Vom=VCC时，输出电流的幅值为：

Iom=Vom/RL=12/8=1.5A

ICM≥Iom=1.5A，故ICMmin=1.5A。

│V（BR）CEO│≥2VCC=2×12=24V，故│V（BR）CEO│min=24V。

PCM≥0.2Pom=0.2×9=1.8W，故PCMmin=1.8W。

（3）当输出功率最大时，电源供给的功率为

2VCC22×122

PV==≈11.46W

πRL3.14×8

（4）由于互补对称乙类功放无电压放大作用，所以，当输出功率最大时的输入电压有

VCC12

Vi=Vo==≈8.5V

22

效值为：

【4-4】电路如题图4.2所示，管子在输入信号vi作用下，在一个周期内T1和T2轮流导电约180o，电源电压VCC=20V，RL=8Ω，试计算：

（1）在输入信号Vi=10V（有效值）时，电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率和效率；

（2）当输入信号vi的幅值为Vim=VCC=20V时，电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率和效率。

【解】本题用来熟悉乙类放大电路的分析方法及特点。

（1）由于输入信号的有效值Vi=10V，所以输出信号的有效值Vo=10V。

因此，电路的输出功率为：

Vo2102

Po===12.5W

RL8

直流电源供给的功率为；

2VCCVom2×20×2×10

PV==≈22.5W

πRL3.14×8

总的管耗为：

PT=PV－Po=22.5－12.5=10W，每管的管耗为：

PT1=PT2=PT/2=5W

效率为：

Po12.5

η==×100%≈55.6%

PV22.5

（2）当输入信号vi的幅值为Vim=VCC=20V时，输出电压的幅值Vom=20V，此时，电路的输出功率为：

Vom2202

Po===25W

2RL2×8

直流电源供给的功率为；

2VCCVom2×20×20

PV==≈31.85W

πRL3.14×8

总的管耗为：

PT=PV－Po=31.85－25=6.85W，每管的管耗为：

PT1=PT2=PT/2=3.425W

效率为：

Po25

η==×100%≈78.5%

PV31.85

C

乙类功率放大电路的最高效率可达78.5%。

【4-5】一单电源互补对称（OTL）电路如题图4.3

所示，设vi为正弦波，RL=8Ω，管子的饱和压降

VCES可以忽略不计。

当最大不失真输出功率Pom

（不考虑交越失真）为9W时，电源电压VCC至少

应为多少？

【解】本题用来熟悉单电源乙类放大电路（OTL）

1

Vom=VCC

2

的分析方法及特点。

题图4.3

对单电源乙类放大电路，

Vom2VCC2

Pom==

2RL8RL

VCC≥8PomRL=8×9×8=24V

因此

即VCCmin=24V。

【4-6】互补对称功放电路如题图4.4所示，图中VCC=20V，RL=8Ω，T1和T2管的VCES=2V。

（1）当T3管输出信号Vo3=10V（有效值）时，计算电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率和效率；

（2）计算该电路的最大不失真输出功率、效率和所需的Vo3的有效值。

【解】本题用来熟悉双电源甲乙类放大电路（OTL）的分析方法及特点。

－VCC

（1）该电路由两级放大电路组成，其中

T3管电路为推动级，T1与T2管组成互补

对称功放电路。

T3管的输出信号Vo3就是

功放电路的输入信号电压。

故当Vo3=10V

（有效值）时，电路的输出功率为：

Vo2Vo32102

Po====12.5W

RLRL8

直流电源供给的功率为：

2VCCVom2×20×2×10

PV==≈22.5W

πRL3.14×8

管耗为：

PT=PV－Po=22.5－12.5=10W，PT1=PT2=5W

Po12.5

η==×100%≈55.6%

PV22.5

效率为：

（2）该电路的最大不失真输出功率为：

1（VCC－VCES）21（20－2）2

Pom=·=×=20.25W

2RL28

直流电源供给的功率为：

2VCCVom2×20×（20－2）

PV==≈28.66W

πRL3.14×8

效率为：

Po20.25

η==×100%≈70.7%

PV28.66

所需的Vo3的有效值为：

VomVCC－VCES20－2

Vo3===≈12.73V

222

功放电路的输出功率、效率，除与电路类型、电源电压等有关外，还与激励信号的大小有关。

【4-7】一单电源互补对称电路如题图4.5所示，设T1和T2的特性完全对称，vi为正

D2

弦波，VCC=12V，RL=8Ω。

试回答下列问题：

（1）静态时，电容C2两端的电压应是多

少？

调整哪个元件，可以改变VC2的值？

（2）若T1和T2管的饱和压降VCES可以

忽略不计。

该电路的最大不失真输出功率

Pom应为多少？

（3）动态时，若输出波形产生交越失真，

应调整哪一个电阻？

如何调？

（4）若R1=R3=1.1kΩ，T1和T2管的β=40，

│VBE│=0.7V，PCM=400mW，假设D1、D2

题图4.5

和R2中的任何一个开路，将会产生什么后果？

【解】本题用来熟悉；

（1）OTL电路的分析方法及特点；

（2）交越失真的概念及其消除方法。

（1）静态时，电容C2两端的电压VC2应为：

11

VC2=VCC=×12=6V

22

R1、R3为偏置电路，故调整R1、R3可以改变VC2的值。

Vom2VCC21122

Pom===×=2.25W

2RL8RL88

（2）

（3）当产生交越失真时，说明T1和T2两管基极间的电压小于│VBE1│+│VBE2│，因

此要增大T1和T2两管基极间的电压，故可调节电阻R2，使其增大。

（4）若D1、D2和R2中的任何一个开路，R1上的电流全部注入T1管的基极。

此时，

VCC－2VBE12－2×0.7

IB==≈4.8mA

R1+R31.1+1.1

IC=βiB=40×4.8=192mA

11

VCE=VCC=×12=6V

22

而

所以PT1=PT2=VCEIC=6×192=1152mW＞400mW，故会烧坏功放管。

【4-8】某集成电路的输出级如题图4.6所示，试说明：

（1）R1、R2和T3组成什么电路？

在电路中起何作用？

（2）恒流源I在电路中起何作用？

（3）电路中引入D1、D2作

为过载保护，说明理由。

T3

－15V

题图4.6

【解】本题用来熟悉；

（1）交越失真的概念及其消除方法；

（2）功率放大电路的过载保护措施。

（1）R1、R2和T3组成“VBE倍增电路”，用以消除交越失真。

由图可知：

VBE3R1

VCE3≈VBE3+R1=（1+）VBE3

R2R2

调节R1/R2的值，可以改变VCE3的值。

若电路出现交越失真，增大R1/R2（VCE3）的值，使输出管在静态时处于微导通，便可消除信号在零点附近的交越失真现象。

（2）恒流源I在电路中作为电压放大级T1、T2的有源负载，用以提高电压增益。

（3）当电路输出电流过大时，D1、D2可起到过载保护作用。

其工作原理如下：

IE4↑→VR3↑→VO↓→D1√→IB4↓→IE4↓；

IE5↑→VR4↑→VO↑→D2√→IB5↓→IE5↓。

【4-9】电路如题图4.7所示，当vi=0时，由VBB将甲乙类互补对称功放的静态值设置

如下：

IC1=I1=2mA，IC2=IC3=ICQ2=3mA，IC4=IC5=ICQ4=10mA，O点电位为零（即vo=0）

并设β1=β2=β3=200，β4=β5=50。

（1）说明D1、D2、RP和C的作用；

（2）说明

R1、R2的作用；（3）若VCES2=1.2V，VBE4=0.8V，计算电路的最大不失真输出功率Pom；

（4）求在Pom下的实际效率η。

IC1

题图4.7

【解】本题用来熟悉甲乙类OCL电路的分析方法及特点。

（1）D1、D2和RP的作用是为输出互补功放管提供适当的直流偏置电压，使输出管在静态时处于微导通，从而消除输出信号在零点附近的交越失真现象。

电容C起交流旁路作用，保证T1管提供T2、T3管输入端大小相等的放大信号。

（2）电阻R1、R2的作用有两个：

一方面防止T2或T3管截止时T4或T5管基极开路的情况，有利于提高输出管T4、T5的集射间耐压参数；另一方面对T2、T3管的ICEO起分流作用，有利于提高输出级工作的温度稳定性。

（3）电路最大正向输出电压为：

RLRL8

Vom=VE4max=（VCC－VCES2－VBE4）=×（18－1.2－0.8）≈15.6V

R3+RLR3+RL0.2+8

所以

Vom215.62

Pom==≈15.2W

2RL2×8

（4）直流电源供给的功率为：

2VCCVom2×18×15.6

PV==≈22.3W

πRL3.14×8

效率η为：

Po15.2

η==×100%≈68%

PV22.3

【4-10】现有一半导体收音机，输出级采用题图4.8（a）所示电路。

试回答下列问题：

（1）有人说：

当电源接通后。

无信号输出（即喇叭不响）时，输出级BJT的损耗最小，

你认为这种说法对不对？

为什么？

（2）设输出变压器效率为80%，T的型号为3AX22，其输出特性如题图4.8（b）所示，试用图解法确定负载上的输出功率和效率。

（a）

3AX22AmA

（b）

题图4.8

【解】本题用来熟悉甲类功率放大电路的分析方法和特点。

（1）此种说法不对。

理由如下：

甲类功率放大电路中，IC基本不变，PV基本不变。

PT′＞PT

无信号时，PV=PT′

有信号时，PV=Po+PT

所以，无信号输出时，输出级BJT的损耗最大。

（2）RL等效到三极管集电极的阻值为；

N12

RL′=RL=102×3.5=350Ω

N2

之后，按普通放大器进行分析。

VCEQ=－（VCC－ICQRE）=－（－6－17.8×10－3×5.5）≈－6V

首先确定电路的静态工作点。

RB20.68

VBQ=（－VCC）=×（－6）=－0.298V

RB1+RB213+0.68

VRE0－VEQ－（VBQ－VBE）－－0.298－（－0.2）

ICQ≈IEQ====≈17.8mA

RERERE5.5

1

－

RL′

在输出特性曲线上过Q点作斜率为的交流负载线MN，如题图4.9所示。

由图可见：

交流输出电压和电流的幅值分别为：

Vcemax≈VCC=6V，Icmax≈ICQ=17.8mA

QAmA

所以，输出功率为；

11

Poc=VcemaxIcmax=×6×17.8≈53.4mW

22

负载获得的功率为；

Po=Poc×80%=53.4×80%≈42.7mW

效率为；

PoPo42.7

η===×100%≈40%

PVVCCICQ17.8×6

题图4.9

【4-11】一个简易手提式小型扩音机的输出级如题图4.10所示。

（1）试计算负载上输

出功率和扩音机效率；

（2）验算功率BJT3AD1的定额是否超过。

N2

100

提示：

（1）电路基本上工作在乙类，

Tr2内阻可忽略，变压器效率为0.8。

管子3AD1的│V（BR）CER│=30V，

ICM=1.5A，PCM=1W（加散热片

150×150×3mm3时为8W）。

（2）此题的等效交流负载电阻

N12

RL′=RL

N2

（3）可参考双电源互补对称功放的有关

计算公式算出BJT集电极输出功率，再乘

以变压器就是负载RL上的输出功率。

【解】本题用来熟悉变压器耦合式乙类功率放大器的分析方法和特点。

N12

RL′=RL=12×8=8Ω

N2

1VCC21122

Poc==×=9W

2RL′28

（1）

Po=Poc·ηT=9×80%=7.2W

2VCC22122

PV==×≈11.46W

πRL′3.148

Po7.2

η==×100%≈62.8%

PV11.46

VCC12

ICM===1.5A

RL′8

（2）最大集电极电流为：

每管的最大反压降为：

│VCEmax│=2VCC=24V

每管的功耗为：

11

PT1=PT2=（PV－Poc）=×（11.46－9）=1.23W

22

由上述计算可知：

3AD1的定额未超过，可以使用。

【4-12】题图4.11为一输出功率大于18W的高传真扩音机复合管互补对称OCL电路。

（1）试说明该电路的结构；

（2）试说明下列元件在电路中起什么作用：

①R7、D1、D2；