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1、第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,前面几节讲述的电压放大电路，可以将输入的微弱电压信号放大，得到大的输出电压信号，但要驱动诸如扬声器、伺服电动机类的负载时，还必须有足够的功率。,实际应用的电子放大系统都是一个多级放大器，它的前置级是电压放大级，最后一级是功率放大级，它要有足够大的功率输出以带动负载工作。这类主要用于向负载提供功率的放大电路常称为功率放大电路。实际上，无论是用于放大电压的电压放大电路还是用于放大电流的电流放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电流和功率，上述在称呼上的区别，只是强调的输出量不同。,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,一、功率放大电路的特点和要求,
2、放大电路实质上都是能量转换电路。从能量控制的观点看，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。对电压放大电路的主要要求是使负载得到不失真的电压信号，讨论的主要指标使电压放大倍数、输入电阻和输出电阻等，输出功率并不一定大。,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,而功率放大电路主要要求获得一定的不失真或失真较小的输出功率，因此要求它既要有足够大的输出电压变化量，又要有足够大的输出电流变化量，这样才能得到足够大的功率输出，即功率放大电路是在大信号情况下工作的。这样功率放大电路就存在着电压放大电路中没有出现过的特殊问题，同时对功率放大电路也
3、提出了一些特殊要求。,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,1要有尽可能大的输出功率,从能量转换观点，功率放大电路是将直流电源供给的能量转换成交流电能输送给负载。由于输出功率较大，在能量转换过程中，电源供给的直流功率仅有一部分转换成交流输出功率，而另一部分则被晶体管集电结和直流电源本身所损耗，此外还有一小部分消耗在晶体管偏置电路的电阻上。所谓功率放大电路的效率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，效率就越高。,2效率要高,为了输出最大功率，要求晶体管工作时输出电压和电流都有较大的幅度，即管子在接近极限运用状态下工作。,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路
4、,3非线性失真要小,功率放大电路是在大信号下工作的，输出电压和电流的幅值都很大，所以不可避免地会产生非线性失真，而且，输出功率越大，非线性失真越严重。这就使要求输出功率大和减小非线性失真成为一对主要矛盾。但在不同场合，对非线性失真的要求也不同，例如，在测量系统和电声设备中，要求非线性失真要小，而在工业控制系统的等场合，则以输出功率为主要目的，对非线性失真的要求降为次要问题。,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,4晶体管的散热和保护,在功率放大电路中，晶体管的集电结要消耗很大的功率使结温升高，为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率，必须考虑晶体管的散热问题。另外，由于管子承受的电
5、压高，通过的电流大，所以还必须考虑晶体管的保护问题。通常在功率晶体管上加装一定面积的散热片和电流保护环节。,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,甲类,乙类,甲乙类,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,根据晶体管静态工作点设置的不同，放大电路通常可有以下几种工作状态：,甲乙类：晶体管微偏置，在输入信号的大半个周期内有电流流过晶体管，其导通角大于180 小于360 。如图232b所示。,乙类：晶体管零偏置，在输入信号的半个周期内有电流流过晶体管，其导通角为180 ，如图232c所示。,甲类：静态工作点设置得比较合适，在输入信号的整个周期内，都有电流流过晶体管，即晶体管的导通角为36
6、0这种工作状态，称为甲类工作状态。如图232a所示。,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,晶体管工作在甲类状态时，由于在整个周期内晶体管都导通，电源不断地输送功率，在没有信号输入时，这些功率全部消耗在管子（和电阻）上。在有信号输入时，其中一部分转化为有用的输出功率，信号越大，输出的功率也越大。可以证明，工作在甲类状态的放大电路，效率最大只能达到50。这主要是因为静态电流IC太大，在没有信号输入时，电源照样要发出功率。可见，提高效率的办法是减小静态电流IC 。,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,如图232b、c所示，将静态工作点下移，使管子工作在乙类或甲乙类状态，静态时IC为零
7、或很小，则当输入信号为零时，电源输出的功率也为零或很小，随着信号的增大，电源发出的功率也增大，这样，电源供给的功率及管子的损耗都随着输出功率的大小而变化。显然，比甲类放大时的效率提高了。但同时产生了波形的严重失真，为使失真尽量小，在电路结构上就出现了互补对称形式。,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,三、乙类互补对称功率放大电路,电路如图233所示，V1和V2分别为NPN型和PNP型晶体管，两管的基极和发射极互相连接，信号从基极输入，从发射极输出，RL为负载电阻。实际上该电路是两个射极输出器的组合。,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,1、工作原理,由上述分析可见，这种放大电路
8、实现了在静态时管子不取用电流，而在有信号时，两管轮流导通，互相补充对方在负载上的另一半周波形，因此称为互补对称电路。,忽略晶体管输入特性的死区，则在输入信号正半周时，V1导通，V2截止，有正半周电流iC1流过负载电阻RL；在输入信号负半周时，V2导通， V1截止，有负半周电流流iC2过负载电阻RL。这样可在RL上得到完整的正弦波形，如图234所示。,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,2、分析计算,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,若令iC允许的最大变化范围为2ICm，则uce的最大变化范围为2(UCC-UCES)，如果忽略UCES
9、,（2）直流电源提供的功率,（1）输出功率,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,两个直流电源提供的总功率为,（4）效率,（3）管耗,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,(5) 最大管耗与最大输出功率的关系,工作在乙类的放大电路，在静态时，几乎不取用电流，管耗接近零，因此，当输入信号较小时，功率输出较小，管耗也较小。但是否输出功率越大管耗越大呢？最大管耗发生在什么情况下？通过求（250）式的最大值可以得出结论。,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,在考虑管子的饱和压降(2-49式)后，式（250）可以写为（单个管子的管耗）,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,四、
10、甲乙类互补对称功率放大电路,前面讨论的乙类功率放大电路，是在假定晶体管是理想的，死区电压为零的情况下，负载上得到的波形是不失真的正弦波。但实际上晶体管是存在死区的，当考虑死区电压影响时，乙类互补对称电路的输入输出波形如图236所示。这种由于两管交替导通时产生的失真，称为交越失真。,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,为消除这种失真，通常使晶体管工作在甲乙类状态，如图237a所示。图中晶体管V1为典型的甲类电压放大电路，作为推动级。在晶体管V1的集电极即功率放大级晶体管V2、V3的基极之间加了两个二极管VD4、VD5（或加电阻，或加电阻和二极管串联，或利用电阻、三极管电路），利用V1的静
11、态工作电流在VD4、VD5上产生的正向压降，以供给V2、V3大于死区电压的基极偏置。静态时两管都处于微导通状态，这样在两管轮流导电时，交替得比较平滑，如图237b所示，消除了交越失真。,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,由于电路完全对称，静态时V2、V3管电流相等，负载RL上没有静态电流流过，两管发射极电位为零。当有输入信号时，由于二极管的交流电阻比V1集电极电阻RC1小得多，因此可以认为V2、V3的基极交流电位基本相等，两管轮流工作在过零点附近。V2、V3的导电时间都比半个周期长，即有一定的交替时的重迭导通时间，图2-37a中，iC2和i
12、C3的虚线箭头方向对应于V2、V3正负半周导电时的真实方向。负载电流io是iC2和iC3之差，故合成的负载电流io的波形如图2-37b中虚线所示。为了克服交越失真，互补对称电路工作在甲乙类放大状态，但是为了提高工作效率，在设置偏置时，应尽可能接近乙类状态。,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,三、单电源互补对称功率放大电路,第三章 放大电路基础 第五节 功率放大电路,前面讲到交流放大电路时，为了分析简便起见，设输入信号是单一频率的正弦信号。实际上，放大电路的输入信号往往是非正弦量。例如广播的语言和音乐信号、电视的图像和伴音信号以及非电量通过传感器变换所得的信号等，都含有基波和各种频率的
13、谐波分量或缓慢变化的直流量。由于在放大电路中一般都有电容元件，如耦合电容、发射极交流旁路电容以及晶体管的极间电容和连线分布电容等。它们对不同频率的信号所呈现的容抗值是不相同的。,第三章 放大电路基础 第六节 放大电路的频率特性,第三章 放大电路基础 第六节 放大电路的频率特性,因而，放大电路对不同频率的信号在幅度上和相位上放大的效果不完全一样，输出信号不能重现输入信号的波形，这就产生了幅度失真和相位失真，统称频率失真。因此，有必要讨论放大电路的频率特性。,第三章 放大电路基础 第六节 放大电路的频率特性,频率特性又分为幅频特性和相频特性。,第三章 放大电路基础 第六节 放大电路的频率特性,在工
14、业电子技术中，最常用的是低频放大电路，其频率范围约为2010kHz。在分析放大电路的频率特性时，再将低频范围分为低、中、高三个频段。,在中频段，由于耦合电容和发射极旁路电容的容量较大，故对中频段信号来讲其容抗很小，可视作短路。而晶体管的极间电容和连线分布电容等都很小，约为几皮法到几百皮法，可认为它们的等效电容并联在输出端上。由于该电容的容量很小，它对中频段信号的容抗很大，可视作开路。所以，在中频段，可认为电容不影响交流信号的传送，放大电路的放大倍数与信号频率无关。,第三章 放大电路基础 第六节 放大电路的频率特性,在低频段，由于信号频率较低，耦合电容的容抗较大，其分压作用不能忽略，以致实际送到
15、晶体管输入端的电压Ube比输入信号Ui要小，故放大倍数要降低。同样，发射极旁路电容的容抗不能忽略，也会使放大倍数降低。在低频段，晶体管的极间电容和连线分布电容等的容抗比中频段更大，仍可视作开路。,第三章 放大电路基础 第六节 放大电路的频率特性,在高频段，由于信号频率较高，耦合电容和发射极旁路电容的容抗比中频段更小，故皆可视作短路。但晶体管的极间电容和连线分布电容等的容抗将减小，它与输出端的电阻并联后，使总阻抗减小，因而使输出电压减小，电压放大倍数降低。此外，在高频段电压放大倍数的降低，还由于高频时电流放大系数下降之故。,第三章 放大电路基础 第六节 放大电路的频率特性,可见只有在中频段，可以认为电压放大倍数与频率无关，并且单级共射放大电路的输出电压与输入电压相位相反。前面所讨论的，都是指放大电路工作在中频段的情况。在本书的习题和例题中计算交流放大电路的电压放大倍数，也都是指中频段的电压放大倍数。,
