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模拟电子线路 Analog Circuits 南通职业大学电子工程系:杨碧石

本章以分析功率放大电路的输出功率、效率和非线性失真之间的矛盾为主线，逐步提出解决矛盾的措施。在电路方面，以互补对称功率放大电路为重点进行较详细的分析与计算，并介绍了集成功率放大器实例。本章以分析功率放大电路的输出功率、效率和非线性失真之间的矛盾为主线，逐步提出解决矛盾的措施。在电路方面，以互补对称功率放大电路为重点进行较详细的分析与计算，并介绍了集成功率放大器实例。第九章:功率放大电路Chapter 9: Low Frequency Power Amplifier

9.1 放大的主要特点 如前所述，放大电路实质上都是能量转换电路。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。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，讨论的主要指标是电压增益、输入和输出阻抗等，输出的功率并不一定大。而功率放大电路则不同，它主要要求获得一定的不失真（或失真较小）的输出功率，通常是在大信号状态下工作，因此，功率放大电路包含着一系列在电压放大电路中没有出现过的特殊问题。

一、功率放大电路主要特点 功率放大电路包含着一系列在电压放大电路中没有出现过的特殊问题，这些问题是： 1．要求输出功率尽可能大 2．效率要高由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，这就存在一个效率问题。所谓效率就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，意味着效率越高。 3．非线性失真要小功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地产生非线性失真。 4．晶体管的散热问题

此外，在功率放大电路中，为了输出较大的信号功率，管子承受的电压要高，通过的电流要大，功率管损坏的可能性也就比较大，所以功率管的损坏与保护问题也不容忽视。此外，在功率放大电路中，为了输出较大的信号功率，管子承受的电压要高，通过的电流要大，功率管损坏的可能性也就比较大，所以功率管的损坏与保护问题也不容忽视。

从前面的讨论中可知，在电压放大电路中，输入信号在整个周期内都有电流流过放大器件，这种工作方式通常称为甲类放大。甲类放大的典型工作状态如图（a）所示，此时iC≥0。在甲类放大电路中，电源始终不断地输送功率，在没有信号输入时，这些功率全部消耗在管子（和电阻）上，并转化为热量的形式耗散出去。当有信号输入时，其中一部分转化为有用的输出功率，信号愈大，输送给负载的功率愈多。可以证明，即使在理想情况下，甲类放大电路的效率最高也只能达到50%。从前面的讨论中可知，在电压放大电路中，输入信号在整个周期内都有电流流过放大器件，这种工作方式通常称为甲类放大。甲类放大的典型工作状态如图（a）所示，此时iC≥0。在甲类放大电路中，电源始终不断地输送功率，在没有信号输入时，这些功率全部消耗在管子（和电阻）上，并转化为热量的形式耗散出去。当有信号输入时，其中一部分转化为有用的输出功率，信号愈大，输送给负载的功率愈多。可以证明，即使在理想情况下，甲类放大电路的效率最高也只能达到50%。

（a） iC （b） iC （c）图6.1.1 功率放大电路的三种工作状态（a）甲类（b）甲乙类（c）乙类 ωt ωt iC ωt

二、功率放大电路提高效率的主要途径 怎样才能使电源供给的功率大部分转化为有用的信号输出功率呢？从甲类放大电路中知道，静态电流是造成管耗的主要因素。如果把静态工作点Q向下移动，使信号等于零时电源输出的功率也等于零（或很小），信号增大时电源供给的功率也随之增大，这样电源提供给功率及管耗都随着输出功率的大小而变，也就改变了甲类放大时效率低的状况。利用图（b）、（c）所示工作情况，就可实现上述设想。在图（b）中，有半个周期以上iC＞0；图（c）中，一周期内只有半个周期iC＞0，它们分别称为甲乙类和乙类放大。甲乙类和乙类放大主要用于功率放大电路中。

甲乙类和乙类放大，虽然减小了静态功耗，提高了效率，但都出现了严重的波形失真，因此，既要保持静态时管耗小，又要使失真不太严重，这就需要在电路结构上采取措施。提高效率的途径改变功放管的工作状态选择最佳负载（a） iC （b） iC （c）图6.1.1 功率放大电路的三种工作状态（a）甲类（b）甲乙类（c）乙类 ωt ωt iC ωt

9.2互补对称功放放大电路 工作在乙类的放大电路，虽然管耗小，有利于提高效率，但存在严重的失真，使得输入信号的半个波形被削掉了。如果用两个管子，使之都工作在乙类放大状态，但一个在正半周工作，而另一个在负半周工作，同时使这两个输出波形都能加到负载上，从而在负载上得到一个完整的波形，这样就能解决效率与失真的矛盾。怎样实现上述设想呢？下面来研究一下图（a）所示的互补对称电路。

一、OCL乙类互补对称电路(即无输出电容器Output Capacitorless的缩写）。 1、电路组成：下图（a）所示的互补对称电路。（a）（b）（c）图两射极输出器组成的基本互补对称电路（a）基本互补对称电路（b）由NPN管组成的射极输出器（c）由PNP管组成的射极输出器

2.工作原理 图（a）所示的互补对称电路中，T1和T2分别为NPN型管和PNP型管，两管的基极和发射极相互连接在一起，信号从基极输入，从射极输出，RL为负载。这个电路可以看成是由图（b）、（c）两个射极输出器组合而成。考虑到BJT发射结处于正向偏置时才导电，因此当信号处于正半周时，T2截止，T1承担放大任务，有电流通过负载RL；而当信号处于正半周时，T1截止，由T2承担放大任务，仍有电流通过负载RL。

这样，图（a）所示基本互补对称电路实现了在静态时管子不取电流，而在有信号时，T1和T2轮流导电，组成推挽式电路。由于两个管子互补对方的不足，工作性能对称，所以这种电路通常称为互补对称电路（也称为OCL电路，即无输出电容器Output Capacitorless的缩写）。

分析计算 参见图（a），为分析方便起见，假定三极管是理想的，即只要ui＞0（正半周），T1就开始导电，则在一周期内T1导电时间约为半周期。T2的工作情况和T1相似，只是在信号的负半周导电。显然，允许的iC的最大变化范围为2Icm，uCE的变化范围为2(VCC－UCE(Sat))=2Ucem=2IcmRL。如果忽略管子的饱和压降UCES，则Ucem=IcmRL≈VCC。

(1).输出功率 输出功率用输出电压有效值Uo和输出电流有效值Io的乘积来表示（也常用管子中变化电压、变化电流有效值的乘积表示）。设输出电压的幅值为Uom，则

图中的T1、T2可以看成工作在射极输出器状态，Au≈1。当输入信号足够大，使Uim=Uom=Ucem=VCC-UCES≈VCC和Iom=Icm时，可获得最大输出功率图中的T1、T2可以看成工作在射极输出器状态，Au≈1。当输入信号足够大，使Uim=Uom=Ucem=VCC-UCES≈VCC和Iom=Icm时，可获得最大输出功率

(2) 管耗PT 考虑到T1和T2在一个信号周期内各导电约180°，且通过两管的电流和两管两端的电压uCE在数值上都分别相等（只是在时间上错开了半个周期）。因此，为求出总管耗，只需先求出单管的损耗就行了。设输出电压为uo=Uomsinωt，则T1的管耗为

而两管的管耗为

(3). 直流电源供给的功率PV 直流电源供给的功率PV包括负载得到的信号功率和T1、T2消耗的功率两部分。当Ui=0，PV=0；当Ui≠0，由式（6.2.1）和式（6.2.4）得当输出电压幅值达到最大，即Uom≈VCC时，则得电源供给的最大功率为

(4).效率 一般情况下效率为当Uom≈VCC时，则这个结论是假定互补对称电路工作在乙类、负载电阻为理想值，忽略管子的饱和压降UCES和输入信号足够大（Uim≈Uom≈VCC）情况下得来的，实际效率比这个数值要低些。

(5)．最大管耗和最大输出功率的关系 工作在乙类的基本互补对称电路，在静态时，管子几乎不取电流，管耗接近于零，因此，当输入信号较小时，输出功率较小，管耗也小，这是容易理解的；但能否认为，当输入信号愈大，输出功率也愈大，管耗就愈大呢？因管耗PT1是输出电压幅值Uom的函数，因此，可以用求极值的方法来求解。由PT1式有

令，则 故 Uom=2VCC/π 上式表明，当时具有最大管耗，所以

考虑到最大输出功率Po=VCC2/2RL，则每管的最大管耗和电路的最大输出功率具有如下的关系考虑到最大输出功率Po=VCC2/2RL，则每管的最大管耗和电路的最大输出功率具有如下的关系上式常用来作为乙类互补对称电路选择管子的依据，它说明，如果要求输出功率为10W，则只要用两个额定管耗大于2W的管子就可以了。诚然，上面的计算是在理想情况下进行的，实际上在选管子的额定功耗时，还要留有充分的余地。

（6）．功率BJT的选择 由上分析可知，若想得到最大输出功率，BJT的参数必须满足下列条件：（1）每只BJT的最大允许管耗PCM必须大于PT1m≈0.2Pom；（2）考虑到当T2导通时，－uCE2≈0，此时uCE1具有最大值，且等于2VCC。因此，应选用的管子；（3）通过BJT的最大集电极电流为VCC/RL，选择BJT的ICM一般不宜低于此值。

工作在乙类的放大电路，虽然管耗小，有利于提高效率，但存在严重的失真，使得输入信号的半个波形被削掉了。如果用两个管子，使之都工作在乙类放大状态，但一个在正半周工作，而另一个在负半周工作，同时使这两个输出波形都能加到负载上，从而在负载上得到一个完整的波形，这样就能解决效率与失真的矛盾。工作在乙类的放大电路，虽然管耗小，有利于提高效率，但存在严重的失真，使得输入信号的半个波形被削掉了。如果用两个管子，使之都工作在乙类放大状态，但一个在正半周工作，而另一个在负半周工作，同时使这两个输出波形都能加到负载上，从而在负载上得到一个完整的波形，这样就能解决效率与失真的矛盾。怎样实现上述设想呢？下面来研究一下图（a）所示的互补对称电路。

ui （a） (b) ωt uo ωt 甲乙类互补对称功率放大电路

前面讨论了由两个射极输出器组成的乙类互补对称电路，实际上这种电路并不能使输出波形很好地反映输入的变化，由于没有直流偏置，管子的iB必须在大于某一个数值（即门坎电压，NPN硅管约为0.6，PNP锗管约为0.2V时才有显著变化。当输入信号uI低于这个数值时，T1和T2都截止，iC1和iC2基本为零，负载RL上无电流通过，出现一段死区，如图所示。这种现象称为交越失真。前面讨论了由两个射极输出器组成的乙类互补对称电路，实际上这种电路并不能使输出波形很好地反映输入的变化，由于没有直流偏置，管子的iB必须在大于某一个数值（即门坎电压，NPN硅管约为0.6，PNP锗管约为0.2V时才有显著变化。当输入信号uI低于这个数值时，T1和T2都截止，iC1和iC2基本为零，负载RL上无电流通过，出现一段死区，如图所示。这种现象称为交越失真。

甲乙类双电源互补对称电路

利用图所示的偏置电路是克服交越失真的一种方法。由图可见，T1和T2组成互补输出级。静态时，在D1、D2上产生的压降为T1、T2提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状态。由于电路对称，静态时iC1=iC2，iL=0，uo=0。有信号时，由于电路工作在甲乙类，即使uI很小（D1和D2的交流电阻也小），基本上可线性地进行放大。上述偏置方法的缺点是，其偏置电压不易调整。

甲乙类单电源互补对称电路 图是采用一个电源的互补对称原理电路，T2和T1组成互补对称电路输出级。在输入信号uI=0时，一般只要R1、R2有适当的数值，就可给T2和T1提供一个合适的偏置，从而使K点电位UK=UC=VCC/2。当有信号ui时，在信号的负半周，T1导电，有电流通过负载RL，同时向C充电；在信号的正半周，T2导电，则已充电的电容C起着电源－VCC的作用，通过负载RL放电。只要选择时间常数RLC足够大（比信号的最长周期还大得多），就可以认为用电容C和一个电源VCC可代替原来的+VCC和－VCC两个电源的作用。

1．管耗PT 考虑到T1和T2在一个信号周期内各导电约180°，且通过两管的电流和两管两端的电压uCE在数值上都分别相等（只是在时间上错开了半个周期）。因此，为求出总管耗，只需先求出单管的损耗就行了。设输出电压为uo=Uomsinωt，则T1的管耗为

而两管的管耗为 2. 直流电源供给的功率PV 直流电源供给的功率PV包括负载得到的信号功率和T1、T2消耗的功率两部分。当Ui=0，PV=0；当Ui≠0，当输出电压幅值达到最大，即Uom≈VCC时，则得电源供给的最大功率为

3.效率 一般情况下效率为当Uom≈VCC时，则这个结论是假定互补对称电路工作在乙类、负载电阻为理想值，忽略管子的饱和压降UCES和输入信号足够大（Uim≈Uom≈VCC）情况下得来的，实际效率比这个数值要低些。

功率BJT的选择 1．最大管耗和最大输出功率的关系工作在乙类的基本互补对称电路，在静态时，管子几乎不取电流，管耗接近于零，因此，当输入信号较小时，输出功率较小，管耗也小，这是容易理解的；但能否认为，当输入信号愈大，输出功率也愈大，管耗就愈大呢？由管耗PT1是输出电压幅值Uom的函数，因此，可以用求极值的方法来求解。由式有

令，则 故Uom=2VCC/π 上式表明，当时具有最大管耗所以

考虑到最大输出功率Po=VCC2/2RL，则每管的最大管耗和电路的最大输出功率具有如下的关系考虑到最大输出功率Po=VCC2/2RL，则每管的最大管耗和电路的最大输出功率具有如下的关系上式常用来作为乙类互补对称电路选择管子的依据，它说明，如果要求输出功率为10W，则只要用两个额定管耗大于2W的管子就可以了。诚然，上面的计算是在理想情况下进行的，实际上在选管子的额定功耗时，还要留有充分的余地。

2．功率BJT的选择 由上分析可知，若想得到最大输出功率，BJT的参数必须满足下列条件：（1）每只BJT的最大允许管耗PCM必须大于PT1m≈0.2Pom；（2）考虑到当T2导通时，－uCE2≈0，此时uCE1具有最大值，且等于2VCC。因此，应选用的管子；（3）通过BJT的最大集电极电流为VCC/RL，选择BJT的ICM一般不宜低于此值。

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