第 5 章

第5章 功率放大电路授课教师：邢晓敏

本章主要内容 本章主要讲述功率放大电路的基本原理和基本分析方法。 • 基本概念： ① 三极管的甲类、乙类和甲乙类工作状态； ② 交越失真【要求重点掌握以下内容：】 PO（输出功率）； POM（最大输出功率）； PV（电源供给的功率）=PO+PT；

PT（管耗） η（效率）=PO/PV；双电源互补对称电路工作在乙类时，BJT器件安全工作必须要满足的极限参数（3个）： PCM，│V(BR)CEO│，ICM 本章主要内容

目录 5.1功率放大电路的一般问题 5.2乙类双电源互补对称功率放大电路 5.3甲乙类互补对称功率放大电路 5.4集成功率放大器 5.5功率器件返回

5.1 功率放大电路的一般问题 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，简称功放。一.什么是功率放大电路？二.功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别吗？不同之处在哪里？ • 二者无本质的区别，都是能量的控制与转换。返回

不同之处在于： 电压放大电路：主要要求使负载得到不失真的电压信号，其输出功率并不一定很大；通常为小信号放大电路。各自追求的指标不同。功率放大电路：主要要求获得尽可能大的不失真（或失真较小）输出功率和转换效率，通常是在大信号状态下工作。

三.功率放大电路的特点 • 要求同时输出较大的电压和电流。管子工作在接近极限状态。 • 一般直接驱动负载，带载能力要强。四.功率放大电路中的特殊问题输出功率 • 输出功率要大； • 效率要高；电源提供的功率 η越大，效率越高

注意一点 • 非线性失真要小； • 管耗较大，要考虑散热问题； • 功放管的保护问题由于功放管处于大信号下工作，故分析功率放大电路时通常采用图解法。

原来的共射放大电路能不能用作功率放大电路？原来的共射放大电路能不能用作功率放大电路？电压放大电路中Q点要尽可能设置到中间的位置，且在没有交流信号输入时，仍存在静态量问题1 Q ICQ IBQ，ICQ，VCEQ 【参见教材P199图5.1.1(a)】四.功率放大电路提高效率的主要途径【分析】

②效率低 Q ICQ ηmax=50% 【参见教材P199图5.1.1(a)】甲类放大电路的特点：在整个周期内都有电流流过放大器件，即在一周期内iC>0。称为甲类放大电路 • 甲类放大电路的缺点： ①管耗大故电压放大电路不适宜作为功率放大电路！

那么，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，进而提高转换效率η呢？那么，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，进而提高转换效率η呢？问题2 Q 【参见教材P199图5.1.1(b)】【分析】称为甲乙类放大电路应尽量减小静态功耗使IBQ↓，ICQ↓ Q点↓ iC波形产生失真

Q 【参见教材P199图5.1.1(c)】为得到高效率，先不管iC波形的失真，继续使Q点降低至极限情况——落到横轴上。 • 乙类放大电路的特点：称为乙类放大电路 ① 在一个周期内只有半个周期iC>0。 ② ηmax=78.5% • 缺点：波形失真严重

Q 【参见教材P199图5.1.1(b)】甲乙类放大电路的特点：在一个周期内有半个周期以上iC>0。称为甲乙类放大电路 • 甲乙类放大电路的缺点： iC波形会产生失真

思考题：功放中的功放管采用哪种工作状态最合适？思考题：功放中的功放管采用哪种工作状态最合适？采用甲乙类工作状态最合适，因为甲类效率太低，丙类失真太大，乙类会产生交越失真。思考题：功率放大电路中电源的功率除了提供给负载外，其余的消耗在什么地方？消耗在管耗上。提高功放效率的根本途径是减小功放管的功耗。

如何解决提高了效率却使电路波形产生严重失真的矛盾呢？如何解决提高了效率却使电路波形产生严重失真的矛盾呢？问题3 唯一的办法就是在电路结构上做文章，于是引出： 5.2 乙类双电源互补对称功率放大电路

【参见教材P200图5.2.1(a)】 5.2 乙类双电源互补对称功率放大电路一.结构互补对称：电路中采用两个双极性三极管：NPN、PNP各一支；两管特性一致。组成互补对称式射极输出器。 OCL:Output Capacitorless 【无输出电容器】

ui ui + VBE - RL RL -VCC T2 二.工作原理（设ui为正弦波）前提：忽略b、e间压降，即：视VBE=0。 ∵是射极输出 ∴为电压跟随器先单独分析一下T1和T2： T1 ui＜0时， T2导通； T2 ui≥0时， T2不导通 ui＞0时，T1导通；二者可以互补输出 ui≤0时，T1不导通

iC1 iC2 综合分析该互补输出电路 • 静态时： ui = 0V ic1、ic2均=0（乙类工作状态） uo = 0V ——没有电流，故没有消耗，从而解决了静态功耗的问题

综合分析该互补输出电路 • 动态时： • ui > 0V iC1 T1导通，T2截止 iL= ic1;

综合分析该互补输出电路 • 动态时： • ui > 0V T1导通，T2截止 iL= ic1; • ui 0V iC2 T1截止，T2导通 iL=ic2 组成“推挽式电路” T1、T2两个管子交替承担放大任务，在负载上得到完整的正弦波。

iC的最大变化范围应为 Icm ICM总= 2Icm UCES1 Vcc 2Icm • vCE的变化范围应为 Vcem= 2Vcem Vcem总= 2Vcem =2IcmRL 【参见教材P201图5.2.2】三.组合特性分析——图解法负载上的最大不失真电压Vom

这里需熟记 ∵ ，若忽略UCES 则四. 电路参数计算 • 输出功率Po 设Vom为输出电压的最大值，即幅值，则有效值Vo为：最大不失真输出功率Pom

设输出电压为 而这里需熟记 • 管耗PT 一个管子的管耗两管管耗

因时具有最大管耗。求最大管耗PTM 用求极限的方法求解：对Vom求导，令导数为0。即：

这里需熟记 而已求得则体现的是最大管耗和最大输出功率之间的关系。该公式用来求最大管耗

一部分供给负载输出： PV 另一部分供给管耗：当 • 直流电源供给的功率PV 电源供给的最大功率

这里需熟记 • 效率 可见效率与负载RL无关最高效率max

五.选功率BJT管的原则 • 最大允许管耗PCM必须大于PT1m≈0.2Pom； • 应选用│V(BR)CEO│>2VCC； • 通过BJT的最大集电极电流为VCC/RL，所选BJT的ICM一般不宜低于此值。【请看教材P204例5.2.1】

ui uo ´ uo uo 交越失真乙类互补对称放大电路的输入输出波形图考虑实际电路中VBE≠0 死区电压 Si:约0.6V Ge:约0.2V

可见，利用乙类双电源互补对称电路在一定程度上解决了效率和电路波形产生严重失真的矛盾，但是这类电路还存在着一个不可克服的缺点：交越失真！如何解决交越失真的问题呢？可见，利用乙类双电源互补对称电路在一定程度上解决了效率和电路波形产生严重失真的矛盾，但是这类电路还存在着一个不可克服的缺点：交越失真！如何解决交越失真的问题呢？问题4 措施：修改电路，想办法解决交越失真的问题。 5.3 甲乙类互补对称功率放大电路

5.3 甲乙类互补对称功率放大电路 一.甲乙类双电源互补对称电路【OCL互补对称电路（Output Capacitorless）】解决方法：设法建立合适的Q点，使两只三极管T1和T2均工作在临界导通或称微导通状态。因此想到利用二极管进行偏置，从而可以克服交越失真。返回

iC1 Re3 vi iB1 T3 B1 vo D1 iL iB2 D2 B2 iC2 Rc3 【参见教材P207图5.3.2】分析工作原理： • 静态时，即vi＝0 T3必导通。看直流通路：从+VCC经Re3、T3、D1、D2、RC3到-VCC形成一个通路，则： T1和T2均处于微导通状态

iC1 Re3 vi iB1 T3 B1 vo D1 iL iB2 D2 B2 iC2 Rc3 【参见教材P207图5.3.2】分析工作原理：两管分别有一个微小的基极电流IB1和IB2 导致两管集电极分别有微小的电流IC1和IC2 从而建立了一个在输出特性曲线上较低的Q点 ——电路处于甲乙类工作状态。

iC1 Re3 vi iB1 T3 B1 vo D1 iL iB2 D2 B2 iC2 Rc3 【参见教材P207图5.3.2】分析工作原理： • 动态时，设vi=VmSinωt B1和B2可近似视为一点 vi>0，即正半周时 T1导通， T2截止；T1基极电位进一步提高，进入良好的导通状态； Vi<0，即负半周时 T2导通， T1截止；T2基极电位进一步降低，进入良好的导通状态。

T1和T2管在vi作用下输入特性中的图解分析 可见，两只管子的导通时间都比输入信号的半个周期长，即在信号电压很小时，两只管子同时导通，因而它们工作在甲乙类状态。输入信号

前面讲的这个电路解决了乙类放大电路的交越失真问题，但它也存在一个缺点：由于D1、D2的导通压降是固定的，故电路的偏置电压不可调。如何解决这个问题？前面讲的这个电路解决了乙类放大电路的交越失真问题，但它也存在一个缺点：由于D1、D2的导通压降是固定的，故电路的偏置电压不可调。如何解决这个问题？问题5 引出了前面电路的改进电路，如下：

∵ Re3 iC1 vi ∴ T3 iB1 B1 + R1* vo VCE4 + T4 VBE4 iL R2 - - B2 iB2 Rc3 iC2 【参见教材P207图5.3.3】改进电路：将D1、D2的位置换成一个三极管T4。只考虑改进部分：而VBE4固定(Si:0.6~0.7V)，故调整R1与R2的比值就可改变T1与T2间偏置电压。电路缺点：双电源！

D RC3 b1 D1 C vo + K D2 R2 b2 C1 + T3 b3 vi R1 + Ce Re 【参见教材P208图5.3.4】二. 甲乙类单电源互补对称电路单电源供电输出大电容代替原来负电源供电

D RC3 b1 D1 C vo + K D2 R2 b2 C1 + T3 b3 vi R1 + Ce Re 【参见教材P208图5.3.4】二. 甲乙类单电源互补对称电路 • 分析工作原理 • 静态时，即vi＝0 合理设置R1、R2有适当的数值，可使K点电位VK=VC=VCC/2。 T3导通，D1、D2导通 T1、T2微导通

D RC3 b1 D1 C vo + K D2 R2 b2 C1 + T3 b3 vi R1 + Ce Re 【参见教材P208图5.3.4】二. 甲乙类单电源互补对称电路为了提高电路工作点的稳定性能，引入一负反馈。若温度变化使VK↑，则有： VB1 VK VB2 VK↑ →VB3↑ →IB3↑ IC3 VB3 ↓ IB3 IC3↑ 使VK趋于稳定 ↓ VC3↓ VK↓← VB2↓←

D RC3 b1 D1 C vo + K D2 R2 b2 C1 + T3 b3 vi R1 + Ce Re 【参见教材P208图5.3.4】二. 甲乙类单电源互补对称电路 • 动态时，设vi=VmSinωt vi<0，即负半周时 T1导通、T2截止，有电流通过RL向C充电 vi>0，即正半周时 T1截止、T2导通，已充电的C通过RL放电，电容起到了负电源的作用。

D RC3 b1 D1 C vo + K D2 R2 b2 C1 + T3 b3 vi R1 + Ce Re 【参见教材P208图5.3.4】二. 甲乙类单电源互补对称电路 • 电路参数的计算前面计算各参数的公式中的VCC都要用VCC/2来代替方可。 • 电路的优点解决了互补对称电路工作点的偏置和稳定问题，实现单电源供电。

D RC3 b1 D1 C vo + K D2 R2 b2 C1 + T3 b3 vi R1 + Ce Re 【参见教材P208图5.3.4】二. 甲乙类单电源互补对称电路 • 电路存在的问题实际电路很难达到理想的输出电压幅值Vom≈VCC/2，而明显小于VCC/2 【分析现象原因】

R3 D RC3 + b1 C3 D1 C vo + K R2 A D2 b2 C1 + T3 b3 vi R1 + Ce Re 【参见教材P208图5.3.5】三.自举电路【了解即可！】把图中D点与VCC得连线断开，串进去一个电阻R3，进而引入一个R3C3支路，为自举电路。

R3 D RC3 + b1 C3 D1 C vo 而 + K R2 A D2 b2 C1 + T3 b3 vi R1 + Ce Re 【参见教材P208图5.3.5】三.自举电路【了解即可！】 • 静态时，即vi＝0 故C3被充电后，其两端电压为：

R3 D RC3 + b1 C3 D1 C vo + K R2 A D2 b2 C1 + T3 b3 vi R1 + Ce Re 【参见教材P208图5.3.5】三.自举电路【了解即可！】 • 动态时，设vi=VmSinωt 由于C3很大，两端电压基本不变，使C3上端电位随输出电压升高而升高。保证输出幅度达到VCC/2。

为了提高转换效率 必须要掌握，会求各参数为解决波形失真问题为了解决交越失真问题求各参数时用VCC/2代替VCC 为解决电路工作点偏置和稳定问题，及双电源的缺点为解决输出电压Vom<VCC/2的矛盾本章小结归纳一下本章的线索：电压放大电路 (甲类放大电路) 引出了乙类、甲乙类放大电路甲乙类双电源互补对称功率放大电路 (可利用二极管或vBE扩大电路进行偏置) 乙类双电源互补对称功率放大电路自举电路甲乙类单电源互补对称功率放大电路

本章小结 说明：（1）功率放大电路是在大信号下工作，通常采用图解法进行分析。研究的重点是如何在允许的失真情况下，尽可能提高输出功率和转换效率。（2）为保证BJT安全工作，双电源互补对称电路工作在乙类时，器件的极限参数必须满足：

本章小结 本章重点掌握内容：（1）分析各种功率放大电路的基本方法（2）计算双电源互补对称电路中各参数值。要求熟练掌握课上介绍的各参数计算公式。（3）计算单电源互补对称电路中各参数值。注意：用VCC/2代替公式中的VCC

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