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前面第五章中讲到的放大电路，可以实现前面第五章中讲到的放大电路，可以实现电压的放大，但是放大器的输出电阻较大（电压的放大，但是放大器的输出电阻较大（r ro o R Rc c），对于低阻负载而言，难以提供足够大的输），对于低阻负载而言，难以提供足够大的输出功率，因此，往往需要进行功率放大，以满足出功率，因此，往往需要进行功率放大，以满足这一要求。这一要求。功率放大器的主要电路形式是射极输出器功率放大器的主要电路形式是射极输出器CH8 CH8 功率放大器功率放大器能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为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功率放大电路，简称，简称功放功放。功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。情况下，输出尽可能大的功率。功放功放电路的要求：电路的要求：Pomax 大大，三极管极限工作三极管极限工作 =Pomax/PV 要高要高失真要小失真要小例：例：扩音系统扩音系统执行机构执行机构功率放大器的作用：功率放大器的作用：用作放大电路的用作放大电路的输出级输出级，以，以驱驱动动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、仪表仪表指针偏转等。指针偏转等。功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取功率放大器的特点功率放大器的特点 1 1.输出功率足够大输出功率足够大 为获得足够大的输出功率，功放管的电压和电流变化范围应很大。输出功率是指受信号控制的输出交变电压和交变电流的乘积，即负载所输出功率是指受信号控制的输出交变电压和交变电流的乘积，即负载所得到的功率。因此要求功放管输出大电流和电压；此时的功放管工作在接近极限得到的功率。因此要求功放管输出大电流和电压；此时的功放管工作在接近极限状态，选择功放管要考虑极限参数。状态，选择功放管要考虑极限参数。2 2.效率要高效率要高 功率放大器的效率是指负载上得到的信号功率与电源供给的直流功率之比。3 3.非线性失真要小非线性失真要小 功功率率放放大大器器是是在在大大信信号号状状态态下下工工作作（不不能能用用微微变变等等效效电电路路分分析析），电电压压、电电流流摆摆动动幅幅度度很很大大，极极易易超超出出管管子子特特性性曲曲线线的的线线性性范范围围而而进进入入非非线线性性区区，造造成成输输出出波波形形的的非非线线性性失失真真，因因此此，功功率率放放大大器器比比小小信信号号的的电电压压放放大大器器的的非线性失真问题严重。非线性失真问题严重。功放电路的分析方法功放电路的分析方法由于功放电路输入端为大信号，所以对功放电路分析常由于功放电路输入端为大信号，所以对功放电路分析常采用采用图解法图解法，而小信号放大电路分析时用的而小信号放大电路分析时用的微变等效电路法微变等效电路法则则不再适不再适用用!功率放大就是在有较大的电压输出的同时，较大的电压输出的同时，又要有较大的电流输出又要有较大的电流输出。前面学过的放大电路多用于多级放大电路的输入级或中间级，主要用于放大微弱的主要用于放大微弱的电压或电流信号电压或电流信号。主要技术指标：主要技术指标：（1 1）输出功率）输出功率PoPo和最大不失真输出功率和最大不失真输出功率PomPom输出电压有效值与输出电流有效值的乘积定义为输出功输出电压有效值与输出电流有效值的乘积定义为输出功率率PoPo其中其中VomVom和和IomIom分别为输出电压和电流的峰值。分别为输出电压和电流的峰值。最大不失真输出功率指输出在基本不失真情况下，放大最大不失真输出功率指输出在基本不失真情况下，放大电路最大输出电压电路最大输出电压VomaxVomax和最大输出电流和最大输出电流IomaxIomax有效值的有效值的乘积，记为乘积，记为PomPom（2 2）效率）效率放大电路的效率定义为放大电路输出给负载的交流功率放大电路的效率定义为放大电路输出给负载的交流功率PoPo与直流电源提供的功率与直流电源提供的功率PV PV 之比，即：之比，即：（3 3）管耗）管耗PTPT损耗在功放管上的功率称为功放管的损耗，简称管耗，损耗在功放管上的功率称为功放管的损耗，简称管耗，用用PTPT表示。表示。功放管的保护和散热问题功放管的保护和散热问题功放管工作在高电压、大电流，所以损坏功放管工作在高电压、大电流，所以损坏的可能性较大的可能性较大 保护保护功放电路中，有相当大的功率消耗在功放功放电路中，有相当大的功率消耗在功放管的集电结上管的集电结上 散热散热功率放大器的分类 功率放大器通常是根据功放管工作点选择的不同来进行分类的，分为甲类放大、乙类放大和甲乙类放大等形式。当静态工作点Q设在负载线线性段的中点、在整个信号周期内都有电流iC通过时，称为甲类放大状态，其波形如图(a)所示。若将静态工作点 Q 设在截止点，则iC仅在半个信号周期内通过，其输出波形被削掉一半，如图(b)所示，称为乙类放大状态。若将静态工作点设在线性区的下部靠近截止点处，则其iC的流通时间为多半个信号周期，输出波形被削掉少一半，如图(c)所示，称为甲乙类放大状态。图在输入正弦波激励下：在输入正弦波激励下：甲类工作状态：静态工作点在交流负载线的中点，处甲类工作状态：静态工作点在交流负载线的中点，处于线性放大状态；失真最小，静态功耗较大，效率较于线性放大状态；失真最小，静态功耗较大，效率较低：最大理想效率为低：最大理想效率为50%50%，实际为，实际为25%35%25%35%。乙类工作状态：静态工作点在截止区；失真较大，静乙类工作状态：静态工作点在截止区；失真较大，静态功耗很小，效率较高：最大理想效率为态功耗很小，效率较高：最大理想效率为78.5%78.5%，实际，实际为为55%65%55%65%。甲乙类工作状态：静态工作点在截止区与放大区的交甲乙类工作状态：静态工作点在截止区与放大区的交界处（静态时管子处于微导通状态）；失真较小，静界处（静态时管子处于微导通状态）；失真较小，静态功耗较低，效率较高：最大理想效率为态功耗较低，效率较高：最大理想效率为78.5%78.5%，实际，实际为为55%65%55%65%。互补对称功率放大器互补对称功率放大器电路原理电路原理 基本的互补对称功率放大器电路如图所示（P218）。图中V1、V2是两个特性一致的NPN型和PNP型三极管。两管基极连接输入信号，发射极连接负载RL。两管均工作在乙乙类类状态。这个电路可以看成是由两个工作于乙类状态的射极输出器所组成。工作情况分析：工作情况分析：无无信信号号时时，因因V1V1、V2V2特特性性一一致致及及电电路路对对称称，因因而而发发射射极极电电压压U UE E=0=0，R RL L中中无无静静态态电电流流。又又由由于于管管子子工工作作于于乙乙类类状状态态，I IBQBQ=0=0，I ICQCQ=0=0，故电路中无静态损耗。，故电路中无静态损耗。有正弦信号 ui输入时，两管轮流工作。正正半半周周时时，V1因发射结正偏而导导通通，在负载RL上输出电流ic2，如图中实线所示，V V2 2 因发射结反偏而截截止止。同理，在负负负负半半半半周周周周时时时时，V V V V2 2 2 2因发射结正偏而导导导导通通通通，在负载RL上输出电流ic2，如图中虚线所示，V V V V1 1 1 1 因发射结反偏而截止截止截止截止。这这这这样样样样，在在在在信信信信号号号号u u u ui i i i的的的的正正正正半半半半周周周周和和和和负负负负半半半半周周周周，V V V V1 1 1 1（NPNNPNNPNNPN管管管管）和和和和V V V V2 2 2 2（PNPPNPPNPPNP管管管管）分分分分别别别别导导导导通通通通，电电电电流流流流i i i ic1c1c1c1和和和和i i i ic2c2c2c2以以以以正正正正、反反反反两两两两个个个个不不不不同同同同的的的的方方方方向向向向交交交交替替替替流流流流过过过过负负负负载载载载电电电电阻阻阻阻R R R RL L L L，在在在在R R R RL L L L上上上上合合合合成成成成为为为为一一一一个个个个完完完完整整整整的的的的略略略略有有有有点点点点交交交交越越越越失失失失真真真真的的的的正正正正弦弦弦弦波波波波信信信信号号号号，称称称称为为为为推挽输出。推挽输出。推挽输出。推挽输出。理理理理想想想想情情情情况况况况（两两两两管管管管参参参参数数数数完完完完全全全全相相相相同同同同，且且且且忽忽忽忽略略略略发发发发射射射射结结结结压压压压降降降降）下下下下，u u u uo o o o=u u u ui i i i i i i io o o o=(1+=(1+=(1+=(1+)i)i)i)ii i i i 实际发射结存在压降实际发射结存在压降实际发射结存在压降实际发射结存在压降 u u u uo o o o=u u u ui i i i-V-V-V-VBEBEBEBE由由由由此此此此可可可可见见见见，在在在在输输输输入入入入电电电电压压压压作作作作用用用用下下下下，互互互互补补补补对对对对称称称称电电电电路路路路利利利利用用用用了了了了两两两两个个个个不不不不同同同同类类类类型型型型晶晶晶晶体体体体管管管管发发发发射射射射结结结结偏偏偏偏置置置置的的的的极极极极性性性性正正正正好好好好相相相相反反反反的的的的特特特特点点点点，自自自自行行行行完完完完成成成成了了了了反反反反相相相相作作作作用用用用，使使使使两两两两管管管管交交交交替替替替导导导导通通通通和和和和截截截截止止止止。此此此此外外外外，互互互互补补补补对对对对称称称称电电电电路路路路联联联联成成成成射射射射极极极极输输输输出出出出方方方方式式式式，具具具具有有有有输输输输入入入入电电电电阻阻阻阻高高高高、输输输输出出出出电电电电阻阻阻阻低低低低的的的的特特特特点点点点，低低低低阻阻阻阻负负负负载载载载可可可可以以以以直直直直接接接接接在放大电路的输出端接在放大电路的输出端接在放大电路的输出端接在放大电路的输出端 交越失真交越失真由于乙类功放中三极管存在死区电压VT（硅管约为0.7V），只有当输入信号的幅度大于0.7V（对于T2应小于-0.7V）以后，三极管才逐渐导通。因此，输出波形在输入信号零点附近的范围出现交越失真。如图8.1.2所示。为了克服交越失真，可以利用PN结压降、电阻压降、或其它元器件压降给两个功放管的基极加上正向偏置电压（Vbia=VT），使功放管处于临界导通状态，即可消除交越失真实际偏置电路中的偏执电压Vbia一般由导通的PN结提供，如P220图所示，导通的D1和D2分别为TN和TP提供约0.7V的偏执电压，与发射结压降有较好的匹配性。功放电路的相关计算功放电路的相关计算假设输出信号为正弦波，无交越失真现象1 1、输出电压范围、输出电压范围在在不不计计晶晶体体管管饱饱和和压压降降的的前前提提下下，输输出出电电压压的的最最大大幅幅度为度为E E，若取，若取V VCESCES=0.3V V=0.3V VBESBES=0.7V=0.7V 则输出的最大值为则输出的最大值为V VOMOM=E-V=E-VCESCES=E-0.3V=E-0.3V允许的最大输入幅度为：允许的最大输入幅度为：V Vimim=V=VoMoM+V+VBESBES=E-0.3V+0.7V=E+0.4V=E-0.3V+0.7V=E+0.4V 若若超超过过此此值值，晶晶体体管管极极易易损坏。损坏。2 2、功率计算、功率计算设设u uo o=V Vomomsinsint t输出功率为输出功率为输出端的最大幅值为输出端的最大幅值为E E，所以最大输出功率，所以最大输出功率 转换效率转换效率 电源提供功率和电路输出功率之比电源提供功率和电路输出功率之比 tuO+Eo-E+-uOiO-ECTPiPeuiRLTN+ECiNeii在输出的正半周，正电源提供能量；在输出的正半周，正电源提供能量；在输出的负半周，负电源提供能在输出的负半周，负电源提供能量。量。电源平均功率（正、负电源合并计算）电源平均功率（正、负电源合并计算）当 UOmE 时，电路效率最高电源功率与输出功率之差就是晶体管消耗的电源功率与输出功率之差就是晶体管消耗的效率：效率：功放管的主要参数功放管的主要参数管耗管耗 （TNTN和和TPTP的总损耗）的总损耗）当当U Uomom=2E/=2E/0.64E0.64E时，管耗最大时，管耗最大 峰值电压峰值电压:U UCEMCEM2E 2E 峰值电流峰值电流 i iCMCME/RE/RL L对功放管的要求 允许管耗 PCM 允许电流 ICM 耐压 VCEO2E例例 在在前前图图所所示示乙乙类类互互补补对对称称功功放放电电路路中中，设设U UCCCC=12V=12V，R RL L=8=8 ，试求：试求：(1)1)当当输输入入信信号号足足够够大大，使使集集电电极极电电压压能能够够充充分分运运用用时时的的P Pomom、P PUmUm、m m、P PV V；(2)2)当输入信号电压有效值为当输入信号电压有效值为4V4V时的时的P Po o、P PU U、P PV V;(3)3)若若三三极极管管饱饱和和压压降降U UCESCES=1V=1V，不不可可忽忽略略，再再计计算算（1 1）问问中中各量。各量。解解：（1 1）输输入入信信号号足足够够大大时时，忽忽略略管管子子饱饱和和压压降降，输输出出电电压压幅幅值值约约等等于于电电源源电电压压，可可输输出出最最大大功功率率。最最大大输输出出功功率率为为 Pom=此时的效率为此时的效率为 双管总管耗为双管总管耗为 P PV V=P PUmUm-P-Pomom=11.5-9=2.5=11.5-9=2.5W W(2 2）若输入电压有效值为若输入电压有效值为4V4V，即其幅值为即其幅值为U Uimim 考考虑虑到到射射极极输输出出器器的的输输出出电电压压近近似似等等于于输输入入电电压压，故故U UomomUUimim =5.7V=5.7V，输出功率为输出功率为效率为 OCL 与OTLOCL（无输出电容）就是前述的互补对称功放电路，电路的输出与负载采用直接连接，无耦合电容，这种电路：能传输交流信号和直流信号；需要双电源供电。（运放输出级多采用此形式）OTL电路（无输出变压器）电路：使用单一电源供电；输出经耦合电容接负载。工作情况：（1）无输入信号时（ui0）uOiOC1TPiPeuiRLTN+EiNeiiPR1D1R2D2uCCE（2）有输入信号时（|ui|0）正半周，ui0，P点电位升高，使TN通TP 止。输出电流 +ECTNCRL地 （电源供电，C充电）负半周，ui0，P点电位降低，使TN止TP 通。输出电流 C正极TP地RLC负极 （C放电）当C容量足够大时，电容电压uC波动很小，其平均值为0.5E。相当于由两个0.5E电源供电的OCL电路。（其电路参数计算与前述相同，只需将其中的电源E替换为0.5E即可）BTL电路（无平衡变压器）电路负载接在两个互补输出的功放输出端之间（无接地点）特点 可在不提高电源电压及功放管要求的情况下提高输出功率 uO甲乙类互补对称功率放大器甲乙类互补对称功率放大器 与变压器耦合的乙类推挽功率放大器一样，乙类互补对称功率放大器也存在晶体管输入特性死区电压引起的交越失真，因而也需要给功放管加上偏置电流，即使其工作于甲乙类放大状态，以此来克服交越失真。下图为常见的几种甲乙类互补对称功率放大器。（a）图为OCL电路，(b)图为OTL电路。在（a）、（b）两图中，V3为推动级，V3的集电极电路中接有两个二极管VD1和V D2，利用V3集电极电流在V D1、V D2的正向压降给两个功放管V1、V2提供基极偏置，从而克服交越失真。静态时，因V1、V2两管电路对称，两管静态电流相等，负载上无静态电流，输出电压 Uo=0。当有交流信号输入时，V D1和V D2 的交流电阻很小，可视为短路，从而保证了V1和V2两管基极输入信号幅度基本相等。由于二极管正向压降具有负温度系数，因而这种偏置电路具有温度稳定作用，可以自动稳定输出级功放管的静态电流。由由于于甲甲乙乙类类功功率率放放大大器器的的静静态态电电流流一一般般很很小小，与与乙乙类类工工作作状状态态很很接接近近，因因而而甲甲乙乙类类互互补补对对称称功功率率放放大大器器的的最最大大输输出出功功率率、效效率率以以及及管管耗耗等等量量的的估估算算均均可可按按乙乙类类电电路路有有关关公公式式进进行行。功率放大器的应用功率放大器的应用 OCLOCL功率放大器实际应用电路功率放大器实际应用电路 下图为一准互补功率放大电路，它是高保真功率放大器的典型电路。电路由前置放大级、中间放大级和输出级组成。V1、V2、V3构成恒流源式差动放大器，为前置放大级，除了对输入信号进行放大外，还有温度补偿和抑制零漂的作用。V4、V5构成中间放大级，其中V4为共射电路，V5是恒流源，作为V4的负载，使V4的输出幅度得以提升。V7到V10为准互补 OCL电路作为输出级。Re7Re10可使电路稳定。图 V7到V 10为准互补 OCL电路作为输出级。Re7Re10可使电路稳定。V6及Re4、Rc5构成“UBE扩大电路”，调节Re4可改变加在V7、V8基极间的电压，以消除交越失真。Rf、C1和Rb2构成串联负反馈，以提高电路稳定性并改善性能。OTLOTL功率放大器实际应用电路功率放大器实际应用电路 下图是一个OTL互补对称功率放大电路，用作电视机伴音功率放大器。电路中V1是基本的工作点稳定电路，构成前置电压放大级。输入信号被放大后，经C-3耦合至由V2构成的推动级。R14的作用是形成电压串联负反馈，以便改善放大性能。C2（以及C4、C7）为相位补偿元件，用以防止高频自激。V3与V4构成互补功率输出级，将信号经C6耦合到负载RL上。为防止开机时功放管中电流有可能过大而烧坏功放管，在它们的发射极电路中设置了R11、R12两个限流电阻。V3、V4的静态工作点由V2的静态电流及电阻R6、R7、R8、R9决定。其中R8是热敏电阻，其阻值随温度升高而减小，可稳定功放管的静态电流。电阻R10连在V2的基极与电容C6的正极之间，构成直流负反馈，以稳定 C6正极的电位（为UCC/2）。功率放大器应用中的几个问题功率放大器应用中的几个问题 为了保护功放电路尤其是其中功放管的安全，在实际应用时，要充分注意以下方面的问题。1.1.功放管散热问题功放管散热问题 如前所述，功率放大器的工作电压、电流都很大。在给负载输出功率的同时，功放管也要消耗一部分功率，使管子本身升温发热。当管子温度升高到一定程度（锗管一般为7590，硅管为150）后，就会损坏晶体结构。为此，应采取功放管散热措施。通常是给功放管加装由铜、铝等导热性能良好的金属材料制成的散热片（板），加装了散热片的功放管可充分发挥管子的潜力，增加输出功率而不损坏管子。2.2.防止功放管的二次击穿防止功放管的二次击穿 下图给出了晶体管的击穿特性曲线。其中（a）图的AB段称为第一次击穿，BC段称为第二次击穿。第一次击穿是由uCE过大引起的雪崩击穿，是可逆的，当外加电压减小或消失后管子可恢复原状。若在一次击穿后，iC继续增大，管子将进入二次击穿。二次击穿是由于管子内部结构缺陷（如发射结表面不平整、半导体材料电阻率不均匀等）和制造工艺不良等原因引起的，为不可逆击穿，时间过长（如一秒钟）将使管子毁坏。进入二次击穿的点随基极电流iB的不同而变，把进入二次击穿的点连起来就成为图（b）所示的二次击穿临界曲线。为此，必须把晶体管的工作状态控制在二次击穿临界曲线之内。防止晶体管二次击穿的措施主要有：使用功率容量大的晶体管，改善管子散热的情况，以确保其工作在安全区之内；使用时应避免电源剧烈波动、输入信号突然大幅度增加、负载开路或短路等，以免出现过压过流；在负载两端并联二极管（或二极管和电容），以防止负载的感性引起功放管过压或过流，在功放管的c、e端并联稳压管以吸收瞬时过电压。