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功率放大电路

第六章功率放大电路

多级放大电路（例如集成电路）的输出级通常要带上一定的负载,例如,使扬声器发声,推动电机旋转等,这就要求输出级电路不但要输出大幅度的电压,而且要输出大幅度的电流,即输出足够大的功率.这种向负载提供信号功率的放大电路称为功率放大电路,简称功放。

根据放大信号频率的高低，功放分为低频功放和高频功放，本章只讨论低频功放。

本章先介绍功放的特点、分类和主要性能指标，然后围绕功放的输出功率、效率和非线失真之间矛盾的解决措施，分析几种主要的功放电路，同时介绍了集成功放的应用。

第一节功率放大电路

一、对功率放大电路的要求

从能量控制的观点来看，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别，但是功率放大电路和电压放大电路所要完成的任务是不同的。

电压放大电路的主要任务是把微弱的信号电压进行放大；而功率放大电路则不同，它的主要任务是不失真或失真较小地放大信号功率,通常在大倍状态下工作,讨论的主要技术指标是最大不失真输出功率、电源转换效率、功放管的极限参数及电路防止失真的措施。

针对功率放大电路的特点，对功率放大电路有以下几点要求。

1.要有尽可能大的输出功率

为了获得足够大的输出功率，要求功放管的电压和电流都允许有足够大的输出幅度，因此功放管往往工作于接近极限状态，在工作时必须考虑功放管的极限参数U（BR）CEO、ICM和PCM。

2.电源转换效率要高

任何放大电路的实质都是通过放大管的控制作用，把电源供给的直流功率转换为负载输出的交流功率，这就有一个如何提高能量转换效率的问题。

放大电路的效率是指负载获得的功率Po与电源提供的功率PV之比，用η表示，即

η=P0/PV6-1

对小信号的电压放大电路来讲，由于输出功率较小，电源提供的直流功率也小，效率问题也就不突出。

但对于功率放大电路来讲，由于输出功率较大，效率问题就显得突出了。

3.非线性失真要小

由于功率放电路在大信号下工作，所以不可避免地会发生非线性失真，而且对于同一功率放大管，其输出功率越大，非线性失真往往越严重，这就使输出功率和非线性失真成为一对矛盾。

但是在不同场合，对非线性失真的要求是不同的。

例如，在测量系统和电声设备中，要求非线性失真越小越好，而在工业控制系统等场合中，则以输出功率为主要目的，对非线性失真的要求就降为次要问题了。

4.要加装散热和保护装置

在功率放大电路中，为使输出功率尽可能大，要求晶体管工作在极限应用状态，即晶体管集电极电流大时接近ICM；管压降最大时接近U（BR）CEO；耗散功率最大时接近PCM。

因此，功放管的散热条件要好，且需要有一定的过流保护装置。

5．要用图解法分析

由于功率放大电路的晶体管处于大信号工作状态，小信号分析所用的微变等效分析法不再适用，故应采用图解法分析电路。

二、功率放大器的分类

根据三极管静态工作点Q在交流负载线上的位置不同，可分为甲类、乙类和甲乙类三种功率放大电路。

1.甲类功率放大器

三极管的静态工作点Q设置在交流负载线的中点附近，如图6-1（a）所示。

在输入信号的整个同期内都有iC流过的功放管，波形失真小。

由于静态电流大，放大器的效率较低，最高只能达到50%。

图6-1Q点下移对放大电路工作状态的影响

2.乙类功率放大电路

三极管的静态工作点设置在交流负载线的截止点，如图6-1（c）所示。

在输入信号的整个周期内，功放管仅在输入信号的正半周导通，iC波形只有半个波输出。

由于几乎无静态电流，功率损耗最小，使效率大大提高。

乙类功率放大电路采用两个三极管组合起来交替工作，则可以放大输出完整的全波信号。

3.甲乙类功率放大电路

三极管的静态工作点介于甲类与乙类之间，一般略高于乙类，如图6-1（b）所示。

功放管有不大的静态电流，在输入信号的整个周期内，在大于半上周期内有iC流过功放管。

它的波形失真情况和效率介于甲类和乙类之间，是实用的功率放大器经常采用的方式。

甲类功放由于静态电流大，效率低，因此很少采用；变压器耦合功放由于变压器体积大，不适于集成，频率性能差，在现在的功放中也不大采用，因此本章不涉及这两类功放。

第二节互补对称功率放大电路

目前使用最广泛的是无输出电容的功率放大电路（OCL电路）和无输出变压器的功率放大电路（OTL电路）。

一、乙类双电源互补对称功率放大电路（OCL）

1.电路的组成

OCL电路的原理如图6-2所示，图中VT1为NPN型三极管，VT2为PNP型三极管，两管参数要求基本一致,两管的发射极连在一起作为输出端,直接接负载电阻RL,两管都为共集电极接法。

正负对称双电源供电，两管中的静态电位为零。

图6-2OCL基本电路及工作波形

2.工作原理

当输入信号ui=0时，电路处于静态，两管都不导通，静态电流为0，电源不消耗功率。

当ui为正半周时，VT1管导通，VT2管截止，电流ic1流经负载RL形成输出电压uo的正半周。

当ui为负半周时，VT1管截止，VT2管导通，电流ic2流经负载RL形成输出电压Uo、的负半周。

由此可见，VT1、VT2实现了交替工作，正负电源供电。

这种不同类型的两只晶体管交替工作，且均组射极输出形式的电路称为“互补电路”，两只管子的这种交替工作方式称为“互补”工作方式，这种功放电路通常称为互补对称功率放大电路。

3.输出功率和效率

功率放大电路最重要的技术指标是电路的最大输出功率Pom及效率η。

为了便于分析Pom，将VT1管和VT2管的输出特性曲线组合在一起，如图6-3所示。

图中Ⅰ区为VT1管的输出特性，Ⅱ区为VT2的输出特性。

因两管子的静态电流很小，所以可以认为静态工作点在横轴上，如图中所标的Q点。

因而最大输出电压幅值为UCC-UCES

根据以上分析，不难求出工作在乙类的互补对称电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率和效率。

图6-3OCL的图解分析

（1）输出最大功率Pom由前面分析可知，OCL电路输出电压最大幅值为UCC-UCES所以最大输出功率为：

（6-1）

（2）直流电源供给的最大平均功率Pvm在忽略其它回路电流的情况下，电源UCC提供的最大幅值为

，设输入信号频率为ω，则t时刻电源提供的电流为

（6-2）

在负载获得最大交流功率时，电源所提供的平均功率等于其最大平均电流与电源电压之积，其表达式为：

（6-3）

整理后得:

（6-4）

（3）效率η在输出电压达到最大幅度时的效率为

（6-5）

（4）集电极最大功耗Ptm，在功率放大电路中，电源提供的功率，除了转换为输出功率外，其余部分主要消耗在晶体管上，晶体管所损耗的功率为：

PT=PV-Po。

当输入电压为零时，由于集电极电流很小，管子的功耗很小；输入电压最大，即输出功率最大时，由于管压降很小，管子的功耗也很小；可见，管耗最大既不是在输入电压最小时，也不是在输入电压最大时。

可以证明，当输出电压峰值Uom≈0.6UCC时，管耗最大，每只管子的管耗PT=Ptm

0.2Pom。

在理想情况下，即UCES=0的情况下，

（6-6）

（6-7）

（6-8）

4.功率管的选择

若要使功放电路输出最大功率，又使功率管安全工作，功率管的参数必须满足下列条件：

（1）PCM>0.2Pom

（2）|U（BR）CEO|>2UCC

（3）ICM>UCC/RL

二、甲乙类互补对称功率放大器

1.乙类互补对称功放的交越失真

前面讨论如图6-2所示的乙类互补对称功率放大电路，实际上并不能使输出波形很好地反映输入的变化。

根据三极管的输入特性可知，三极管只有在加于其发射结的电压大于门坎电压时才能导通。

由于没有直流偏置，当ui较低时，VT1和VT2管都截止，ic1和ic2基本为0，负载RL上无电流流过，出现一段死区，如图6-4所示，这种现象称为交越失真。

2.甲乙类互补对称功率放大器

为了克服交越失真，可给两互补管的发射结设置一个很小的正向偏置电压，使它们在静态时处于微导通状态。

这样既消除了交越失真，又使功放管工作在接近乙类的甲乙类状态，效率仍然很高。

图6-5所示电路就是按照这种要求来构成的甲乙类功放电路。

图6-4乙类互补对称功放的交越失真

图6-5（a）中，静态时VD1、VD2两端压降加到VT1、VT2的基极之间，使两管处于微导通状态。

当有信号输入时，由于VD1、VD2对交流信号近似短路（其正向交流电阻很小），因此加到两管基极的正、负半周信号的幅度相等。

图6-5（b）中，VT4、R1和R2组成具有恒压特性的偏置电路，称为UBE倍增电路，若R1的电流iR>iB4，则VT1、VT2基极间电压

因此，上述偏置电路有恒压特性，它对交流近似短路，保证加到VT1、VT2基极的正、负周信号的幅度相等，同时，适当选择R1、R2的值，就可得到UBE4的任意倍数的直流电压，以适应不同的要求，这也是取名“UBE倍增电路”的原因。

三、单电源互补对称功率放大器（OTL电路）

（a）二极管偏置

（b）UBE倍增电路作为偏置

图6-5甲乙类互补对称功放电路

1.基本电路

双电源互补对称功率放大电路采用双电源供电，但某些场合往往给使用带来不便。

为此，可采用图6-6所示的单电源供电的甲乙类功放，又称OTL电路。

图中VT3前置放大级，VT1、VT2组成互补对称输出级，VD1、VD2保证电路工作于甲乙类状态。

在输入信号ui=0时，一般只要R1、R2取值适当，就可使 IC3、UB1和UB2达到所需大小，给VT1和VT2提供一个合适的偏置，从而使K点直流电位为UCC/2。

CL两端静态电压也为UCC/2。

由于CL容量很大，满足RLCL>T（信号周期），因此有交流信号时，电容CL两端电压也为基本不变，它相当于一个电压为UCC/2的直流电源。

此外，CL还有隔直通交的耦合作用。

图6-6OTL电路

当ui为负半周时，VT1导通，VT2截止，有电流流过负载RL，同时向CL充电；当ui为正半周时，VT1截止，VT2导通，此时CL起着电源的作用，通过负载RL放电。

电容CL和一个电源UCC起到了原来的+UCC和—UCC两个电源的作用，但其电源电压值应等效为UCC/2。

显然若把OCL电路性指标中的UCC换成UCC/2，就得到OTL电路的性能指标。

图中R2引入的负反馈，不但稳定了K点的直流电位，而且改善了整个电路的性能指标。

2.自举电路

图6-6电路虽然解决了互补对称电路工作点偏置和稳定问题，但是，实际上还存在其他方面的问题。

在额定输出功率的情况下，电路存在最大输出电压幅值偏小的问题，当ui为正半周最大值时，VT1截止，VT2饱和，K点电位由静态时的UCC/2下降为UCES，于是负载上得到最大负向输出电压，幅值为UCC/2-UCES≈UCC/2。

当ui为负半周上得到最大正向输出电压，幅值约为UCC/2，但由于iB1流过RC3产生的电压降使uB1下降，iB1的增加受到限制，从而使VT1达不到饱和，于是负载上的最大正向输出电压幅值受到了限制，将明显小于UCC/2。

解决上述问题的措施是把图6-6中H点的电位升高，使ui为负半周最大值时UH>UCC，从而使iB1足够大，保证VT1饱和。

为此常采用图6-7所示带举的OTL电路。

图6-7中，R、C组成自举电路，C的容量很大，静态时两端电压UC=UCC/2-IC3R，且在信号输入时UC基本不变，当ui为负半周时，VT1导通，UH=UC+UK，随着UK的升高，UH也自动升高，这就是“自举”。

显然，当ui为负半周最大时，UH将大小UCC，故有足够的iB，使VT1饱和，于是功放的最大输出电压幅值接近UCC/2。

图6-7带自举的OTL电路

例6-1在图6-7所示电路中，若UCC=24V，UCES=1V，RL=16试计算Pom、Ptm1与η。

解

第三节集成功率放大器

随着线性集成电路的发展，集成功率放大器的应用日益广泛。

OTL、OCL等电路，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。

下面以低频功放为例，讲述集成功放的主要性能指标和典型应用。

一、集成功率放大电路的主要性能指标

集成功率放大电路的性能指标是应用集成功放给电流。

集成功率放大电路的主要性能指标有最大输出功率、电源电压范围、静态电源供给电流、电压增益、频带宽度、输入阻抗、，总谐波失真等。

几种典型产品的性能指标如表6-1所示。

表6-1典型集成功放的主要参数

型号

LM386—4

LM2877

TDA1514

LA4100

电路类型

OTL

OTL（双通道）

OCL

OTL

电源电压V

5.0~18

6.0~24

±10~±30

3.0~9.0

静态电流mA

4

25

56

15

输入阻抗

50

1000

20

输出功率

1.0

4.5

48

1.0

电压增益dB

26~46

70

89

70

频率宽度kHz

300

25

总谐波失真

0.2%

0.07%

—90dB

0.5%

表6-1中所示电压增益均为在信号频率为1KHz条件下测试所得。

对于同一负载，当电源电压不同时，最大输出功率的数值将不同。

当然，对同一电源电压，当负载不同时，最大输出功率的数值也不同。

应当指出表6-1中所示数据均为典型数据，使用时应进一步查阅手册，以便获得更确切的数据。

二、集成功率放大电路的应用

1．用LM386组成的OTL功放电路。

图6-8是用LM386组成的OTL功放电路。

7脚接去耦电容C，5脚所挡10

和0.1

F串联网络是为防止电路自激而设置的。

1、8肢所接阻容电路可调整电路的电压增益，通常电容取10

F，R约为20K

。

R的值愈小，增益愈大。

该电路常用于收录机及玩具电路中。

图6-8用LM386组成OTL电路

2．LA4100集成功放的典型应用

图6-9是用LA4100功放集成电路组成的互补对称式功率放大电路。

LA4100各引脚作用如下：

1脚为功率放大器的输出端，放大后的信号从1脚输出，通过耦合电容C5送到扬声器。

2、3脚接电源负极，也就是公共地端。

图6-9典型电路

4、5脚两端之间接一小电容C3，用以防止放大器产生高频自激振荡。

6脚外接C2、R1与内部电路元件构成交流负反馈网络，调小R1的阻值可降低反馈的深度，提高放大倍数。

7、11脚为空脚。

8脚为输入级差分放大管的发射极引出脚，使用时一般是悬空不接。

9脚为信号输入，通过输入耦合电容C1与输入信号相连。

10脚外接去耦电容C9。

12脚接电源滤波电容C8。

13脚为自举端口，外接自举电容C6，可以使输出管的动态范围增大。

14脚为正电源湍，与电源+UCC相连。

3．集成OCL电路TDA1521的应用

图6-10所示为TDA1521的基本用法。

TDA1521为2通道OCL电路，可作为立体声扩音机左、右两声道的功放。

其内部引入了深度电压反馈，闭环电压增益为30dB，并且有待机、静噪、短路保护和过热保护等功能。

图6-10TDA1521的基本用法

4．集成BTL电路的应用

OTL和OCL功放的电源利用率不高，它们的电源电压分别是UCC和2UCC（两组电源之和），而在负载上获得的最大电压幅值却只有UCC/2和UCC，这就使得在电源电压不是很高的场合，电路的输出功率受到限制。

为弥补这一缺憾，可采用BTL功率放大器，又称为桥式功率放大器。

TDA1556为2通道BTL电路，可作为立体声扩音机左右声道的功放，图6-11所示为基本接法，两个通道有组成完全相同。

TDA1556内部具有待机、静噪功能，并有短路保护、电压反向保护、过电压保护、过热保护和扬声器保护待功能。

为了使最大不失真输出电压的峰值接近电源电压UCC，静态时，应使放大电路的同相输入端和反相输入端电位UCC/2，输出端电位也为UC/2。

因此内部提供的基准电压UREF为UCC/2。

当输入电压ui由零逐渐增大时，uo1从UCC/2逐渐增大，uo2从Ucc/2逐渐减小；当ui增大到峰值时，uo1到达最大值，uo2到达最小值，负载上电压接近——Ucc。

同理，当ui由零逐渐减小时，uo1和uo2的变化与上述过程相反；当ui减小到峰值时，uo1达到最小值，uo2达到最大值，负载上电压接近-Ucc。

因此，最大不失真输出电压的峰值可接近电源电压UCC。

图6-11TDA15566的基本接法

习题

6-1功率放大器的功能是什么？

它与电压放大器相比有哪些主要异同点？

它有哪些基本要求？

6-2功率放大器的实质是什么？

6-3功率放大器中，甲类、乙类、甲乙类三种工作状态下静态工作点选取在三极管伏安特性什么位置？

在输入信号一周内，三种工作状态下，三极管导通角度有何差别？

6-4功放电路中功放管常常处于极限工作状态，试问选择功放管时特别要考虑哪些参数？

6-5什么是OCL电路？

它有哪些优点？

6-6什么是交越失真？

产生交越失真的原因是什么？

如何消除？

6-7什么是OTL功放电路？

它有什么优点？

常见的OTL功放电路有哪几类？

比较它们的特点。

6-8在使用集成功放时应注意哪些事项？

6-9判断下列说法是否正确（对的打√，错的打×）。

（1）功率放大器是大信号放大器，要求在不失真的条件下，能够得到足够大的输出（）

（2）功率放大器就是把小的输入功率放大为大的输出功率供给负载。

（）

（3）甲类功率放大电路中，在没有输入信号时，电源的功耗最小。

（）

（4）功率放大器输出功率越大，功率管的损耗也越大。

（）

（5）功放电路、电压放大电路、电流放大电路都有功率放大的作用。

（）

6-10已知电路如图6-12所示，VT1和VT2的饱和压降UCES=1V，UCC=15V，RL=8Ω，选择正确答案填入以下各题横线上。

图6-12

（1）电路中VD1和VD2的作用是消除。

A.饱和失真B.截止失真C.交越失真

（2）静态时，晶体管发射极电位UEQ。

A.>0B.=0C.<0

（3）最大输出功率POM。

A.≈28WB.=12.25WC.=9W

（4）当输入正弦波时，若R1虚焊，即开路，则输出电压。

A.等于0B.仅有正半波C.仅有负半波

（5）若VD1虚焊，则VT1管。

A.可能因功耗过大损坏B.始终饱和C.始终截止

6-11在图6-12所示电路中，已知：

UCC=16V，RL=4Ω，VT1和VT2管的饱和管压降UCES=2V，输入电压足够大。

试问：

（1）最大输出功率POM和效率η各为多少？

（2）晶体管的最大功耗Ptm为多少？

（3）为了使输出功耗达到POM,输入电压的有效值约是多少？

6-12OTL电路如图6-13所示，其中RL=8Ω，UCC=12V，C1、CL容量很大。

求：

（1）静态时电容CL的两端电压应是多少？

调整哪个元件满足这一要求？

（2）动态时若uo出现交越失真，应调整哪个电阻？

该电阻是增大还是小？

（3）若R1=R2=1.1KΩ,VT1和VT2的β=40，UBE=0.7，PCM=40mW，假设R2因虚焊而开路，问三极管是否安全？

（4）若两管的UCES皆可忽略，求POM。

图6-13

6-13一个集成功放LM384组成的功率放大电路如图6-14所示。

已知电路通带内的电压增益为0dB，在RL=8Ω时，不失真最大输出电压可达18V，求当ui为正弦信号时：

（a）最大不失真输出功率POM。

（b）输出功率最大时的输入电压有效值。

图6-14

6-142030集成功放的一种应用电路如图6-15所示，假定其输出级功放管的饱和压降可忽略不计，ui为正弦。

问：

（1）该电路是属于OTL还是OCL电路？

（2）理想情况下最大输出功率POM为多少？

（3）电路输出级的效率η为多少？

图6-15