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1、第五章 功率放大电路,5.1 功率放大电路概述,5.2 乙类互补对称功率放大电路,5.3 集成功率放大器,5.1 功率放大电路概述 能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路（Power amplifier），简称功放。 5.1.1 功率放大电路特点和要求 一、功率放大电路的特点 从能量控制的观点来看，功率放大电路与电压放大电路都属于能量转换电路，均将电源的直流功率转换成被放大信号的交流功率。两种电路的比较如下表所示：,二、对功率放大电路的要求 1、应有足够大的输出功率。2、效率要尽可能的高。 3、非线性失真要小。4、功率管要采取散热等保护措施。,5.1.2 功率放大电路的分类 1、
2、按静态工作点分类：,图.1.1 各类功率放大电路的静态工作点及其波形 （a）工作点位置 （b）甲类波形 （c）甲乙类波形（d）乙类波形,2、按信号频率分类 (1)低频 本章讨论 (2)高频 高频电路中讨论,5.1.3低频功率放大电路的主要技术指标 1最大输出功率Pom 输出功率Po等于输出电压与输出电流的有效值乘积，即,Iom表示输出电流振幅，Uom表示输出电压振幅。 最大输出功率Pom是在电路参数确定的情况下，负载上可能获得的最大交流功率。 2效率 就是负载上得到的有用信号功率Po与电源供给的直流功率PV之比，即,3非线性失真系数THD THD用来衡量非线性失真的程度，即：,式中，Im1、I
3、m2、Im3和Um1、Um2、Um3分别表示输出电流和输出电压中的基波分量和各次谐波分量的振幅。,5.2 乙类互补对称功率放大电路 功率放大器早期采用变压器耦合输出，可实现阻抗匹配，但体积大、传输损耗大，在实际中已使用不多。 目前大量应用的是无变压器的乙类互补对称功率放大电路。按电源供给的不同，分为双电源互补对称功放电路和单电源互补对称功放电路。 5.2.1 OCL电路 一、基本电路及工作原理 双电源互补对称电路又称无输出电容的功放电路，简称OCL电路，其原理电路如图5.2.1 （a）所示。图中V1、V2为导电类型互补（NPN、 PNP）且性能参数完全相同的功放管。两管均接成射极输出电路以增强
4、带负载能力。,图5.2.1 OCL基本原理电路 a)基本原理电路 b)输入信号波形 c)输出信号波形,1、静态分析 静态时两管零偏而截止, 故静态电流为零，又由于两管特性对称，故两管输出端的静态电压为零。 2、动态工作情况 电路输入如图5.2.1（b）所示的正弦信号。(1)在ui正半周期间， V1发射结正偏而导通，V2发射结反偏而截止。(2)在ui负半周期间，V1发射结反偏截止，V2发射结正偏导通。 V1、V2两管分别在正、负半周轮流工作，使负载RL获得一个完整的正弦波信号电压，如图5.2.1（c）所示。,图5.2.2 乙类互补对称功率放大电路的图解分析,*二、图解分析 该电路负载线方程式为u
5、CE=VCCiCRL，设管子的ICEO0，则静态电流IC1IC20。则UCEQ=VCC。属于乙类功放电路。由此可作出如图5.2.2所示斜率为1/RL的负载线。为便于分析，将V2管的特性曲线倒置于V1管特性曲线的右下方，且使Q点位置对齐。图中显示了两管信号电流iC1和iC2波形及合成后的uce波形。从图中可以看出，任意一个半周期内，每个管子c、e两端信号电压为|uCE|VCC|uo|，而输出电压uouceioRLicRL。在一般情况下，UomUcem，IomIcm，其大小随输入信号幅度而变，最大输出电压幅度为Uom(max)VCCUCE(sat)VCC。,三、电路性能参数计算 1最大输出功率Po
6、m 由图可见，IomIcm，UomUcem，得,当输入信号足够大时，Ucem=VCCUCE(sat)VCC，则,2直流电源供给功率PV 根据富氏级数分解，周期性半波电流的平均值IavIcm / ，因此正负电源供给的直流功率,3管耗PC (1)平均管耗 由于V1、V2各导通半个周期，且两管对称，故两管的管耗相同，每只管子的平均管耗为,(2)输出最大功率时的管耗Pc1(UcemVcc) Pc1(Ucem)0.137Pom。 (3)最大管耗 当 Ucem= 时出现最大管耗，且为Pcm10.2Pom。 4效率,5当电路输出最大功率时，UcemVCC，,四、功放管的选择 功放管的极限参数有PCM、ICM
7、、U（BR）CEO，应满足下列条件 1、放管集电极的最大允许功耗 2、功放管的最大耐压U（BR）CEO 当一只管子饱和导通时，另一只管子承受的最大反向电压为2VCC。故 3、功放管的最大集电极电流 4、选择示例 例5.2.1 OCL电路的VCC Vcc20V，负载RL8，功放管如何选择？,五、交越失真与OCL实用电路 1交越失真 乙类放大电路静态IC为零，效率高。但只有当信号电压大于导通电压时，管子才能导通。因此，当信号电压小于导通电压时，就没有电压输出。因此，信号在过零点附近，其波形会出现失真，称为交越失真，如图5.2.3所示。,图 5.2.3 交越失真波形,2交越失真消除 为了消除交越失真
8、，应为两功放管提供一定的偏置，一般采用如图5.2.4所示电路。其中，V3组成电压放大级，Rc为其集电极负载电阻， VD1、VD2正偏导通，和RP一起为V1、V2提供偏压，使V1、V2在静态时处于微导通状态，即处于甲乙类工作状态。此外，VD1、VD2还有温度补偿作用，使V1 、V2管的静态电流基本不随温度的变化而变化。,图5.2.4 甲乙类互补对称功放电路,3电路装配注意事项 在图5.2.4的电路中，若RP、 VD1、VD2中任一元件虚焊，则从+VCC经Rc，V1管发射结、V2管发射结、V3集电极-发射极、Re到-Vcc形成一个通路，有较大的基极电流IB1和IB2流过，从而导致V1、 V2管因功
9、耗过大而损坏。故常在输出回路中串接熔断器以保护功放管和负载。 例.5.2.2 甲乙类互补对称功放电路如图5.2.4所示，VCC12V，RL35，两个管子的UCE(sat)2V，试求 （1）最大不失真输出功率； （2）电源供给的功率； （3）最大输出功率时的效率。,解：,5.2.2 OTL电路 1、OCL电路线路简单、效率高，但要采用双电源供电，给使用和维修带来不便。 2、采用单电源供电的互补对称电路，称为无输出变压器（Output transformerless）的功放电路，简称OTL电路，如图5.2.5所示。其特点是在输出端负载支路中串接了一个大容量电容C2。,图5.2.5 OTL电路,一、
10、 电路组成原理 1电路组成 V3组成电压放大级，Rc1为其集电极负载，V3的偏置由输出A点电压通过RP和R1提供，组成电压并联直流负反馈组态，稳定静态工作点。VD1、VD2为二极管偏置电路，为V1、V2提供偏置电压。V1、V2组成互补对称电路。 2C2的作用 C2容量很大，满足RLC2T（信号周期），有信号输入时，电容两端电压基本不变，可视为一恒定值VCC/2。该电路就是利用大电容的储能作用，来充当另一组电源Vcc。此外，C2还有隔直作用。 3工作原理 该电路工作原理与OCL电路相似。(1)当ui0，V1正偏导通，V2反偏截止。经V1放大后的电流经C2送给负载RL，且对C2充电，RL上获得正半
11、周电压。(2) 当ui0，V1反偏截止，V2正偏导通，C2放电，经V2放大的电流由该管集电极经RL和C2流回发射极，负载RL上获得负半周电压。(3)输出电压uo的最大幅值约为VCC/2。 二、电路性能参数计算 OTL电路与OCL电路相比，每个管子实际工作电源电压不是VCC，而是VCC/2，故计算OTL电路的主要性能指标时，将OCL电路计算公式中的参数VCC全部改为VCC/2即可。,5.2.3 采用复合管的互补对称功率放大电路 一、复合管 输出功率较大的电路，应采用较大功率的功率管。但大功率管的电流放大系数往往较小，且选用特性一致的互补管也比较困难。故在实际应用中，用复合管（Darlington
12、 connection）来解决这两个问题。 复合管是指用两只或多只三极管按一定规律进行组合，等效成一只三极管，复合管又称达林顿管。复合管的组合方式如图5.2.6所示。 复合管具有如下特点： （1）复合管的导电类型取决于前一只管子：即iB向管内流者等效为NPN管,如图5.2.6中的a、d所示。iB向管外流者等效为PNP管，如图5.2.6 b、c所示。 （2）复合管的电流放大系数12。 （3）组成复合管的各管各极电流应满足电流一致性原则，即串接点处电流方向一致，并接点处保证总电流为两管输出电流之和。,图5.2.6 复合管的组合方式 （a）NPN管 （b）PNP管 （c）PNP管 （d）NPN管,二
13、、采用复合管的OTL实用电路 1电路组成 图5.2.8为采用复合管组成的OTL功率放大器，这种电路又称为准互补对称（Quasi complementary circuit）功率放大器。其中，V1组成激励级，它的基极偏压取自于中点电位VCC。RP1引入交直流电压并联负反馈。V2、V4复合成NPN管，V3、V5复合成PNP管。,图5.2.8 采用复合管组成的 OTL电路,2放大原理 当V1集电极输出正半周信号电压时，V2、V4导通，V3、V5截止，被放大的正半周信号电流经C送到负载RL上，形成正半周输出电压，同时，C上被充上VCC/2的电压。 当V1集电极输出负半周信号电压时，V2、V4截止，V3
14、、V5导通，此时，电源VCC不供电，由C放电提供V3、V5工作所需直流功率，在负载上形成负半周输出电压。它与正半周输出电压合成一个完整的正弦波形。 3自举电路原理及作用 电路中的C2、R9组成具有升压功能的“自举电路”（Bootstrapping circuit）。不接C2时，信号越强，V2、V4导通越充分，K点电位上升越多，将使V2、V4的正偏压UBE减小，输出电流也减小，限制了输出功率的提高。在电路中加入C2后，其两端被充上一定电压值。由于C2容量大，充放电时间常数大，其两端电压可视为基本不变。当正半周信号通过V2，V4使K点电位上升时，G点电位跟着升高，UG=UK+UC2，UG可高于VC
15、C，使V2、V4基极电位升高，保证了V2，V4的大电流输出，提高了输出功率。R9为隔离电阻，防止输出信号经电容C2短路到地。这种因C2的作用使G点电位随K点电位升高而上升的方式叫“自举”。具有自举功能的电路叫自举电路。,课后练习： 5.2.1 试用组成复合管的规则判断下图所示各连接方法是否正确。如正确，指出其等效于什么类型的管子，管脚1、2、3分别对应于什么电极。,5.3 集成功率放大器 集成功率放大器是在集成运放基础上发展起来的，其内部电路与集成运放相似。但是，由于其安全、高效、大功率和低失真的要求，使得它与集成运放又有很大的不同。电路内部多施加深度负反馈。 集成功率放大器广泛应用于收录机、电视机、开关功率电路、伺服放大电路中，输出功率由几百毫瓦到几十瓦。 除单片集成功放电路外，还有集成功率驱动器，它与外配的大功率管及少量阻容元件构成大功率放大电路，有的集成电路本身包含两个功率放大器，称为双声道功放。 现以LA4102、LM 386、 TDA7050等单片集成音频功率放大器为例，介绍其主要参数和典型应用电路。,5.3.1 LA4102集成功率放大器及其应用 一、LA4102及其主要参数 L
