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第四章 功率放大电路【本章主要内容】本章主要阐明功率放大电路的组成、最大输出功率和效率的估算、以及集成功放的应用。【本章学时分配】本章有2讲，每讲2学时。第十四讲 功率放大电路概述和互补功率放大电路一、主要内容1、 功率放大电路的基本概念和分类1) 功率放大电路的特点（1）大信号工作，采用图解分析法（2）功率、效率、非线性失真为主要技术指标（3）功率器件的安全工作非常重要2) 功率放大电路的几种工作状态（1）甲类工作状态，晶体管的导通角2，最大效率为50%。（2）乙类工作状态，晶体管的导通角，最大效率为78.5%。（3）甲乙类工作状态，晶体管的导通角2，最大效率介于甲类和乙类之间。3) 功率放大电路的类型（1）变压器耦合功率放大电路变压器耦合功率放大电路如P474图9.1.3所示。这种电路的优点是可实现阻抗变换，缺点是体积庞大、笨重、消耗有色金属，且效率低，低频和高频特性较差。（2）无输出变压器的功率放大电路无输出变压器的功率放大电路（简称OTL电路）用一个大电容代替了变压器，如P475图9.1.4所示。该电路在静态时电容上的电压为VCC2。由于一般情况下功率放大电路的负载电流很大，电容容量常选为几千微法，且为电解电容。电容容量愈大，电路低频特性愈好。但是，当电容容量增达到一定程度时，电解电容不再是纯电容，而存在漏阻和电感，使得低频特性不会明显改善。（3）无输出电容的功率放大电路无输出电容的功率放大电路（简称OCL电路）如P476图9.1.5所示。此电路采用正、负电源交替供电，两个晶体管轮流导通，输出与输入之间双向跟随。静态时两个管子均截止，输出电压为零。（4）桥式推挽功率放大电路桥式推挽功率放大电路（简称BTL电路）如P477图9.1.6所示。该电路为单电源供电，且不用变压器和大电容。由图可见电路由四只特性对称的晶体管组成，静态时管子均处于截止状态，负载上的电压为零。BTL电路所用管子数量最多，难于做到管子特性理想对称；且管子的总损耗大，使得电路的效率降低；另外电路的输入和输出均无接地点，因此有些场合不适用。OTL、OCL和BTL电路各有优缺点，且均有集成电路，使用时应根据需要合理选择。2、 OCL互补对称功率放大电路1) OCL乙类互补对称功率放大电路（1）电路的组成OCL乙类互补对称功率放大电路见P476图9.1.5。（2）存在的问题交越失真分析电路可知，当输入电压的数值|ui|Uon（Uon为晶体管be间的开启电压）时，T1和T2均截止，输出电压uO为0；只有当|ui|Uon时，T1或T2才导通，它们的基极电流失真，如P478图9.2.1所示，因而输出电压波形产生交越失真。2) OCL甲乙类互补对称功率放大电路（1）电路组成及工作原理OCL甲乙类互补对称功率放大电路如P478图9.2.2所示。静态时，从+VCC经过R1、R2、D1、D2、R3到VCC有一个直流电流，它在T1和T2管两个基极间所产生的电压为UB1、B2UR2UD1UD2使UB1、B2略大于T1管发射结和T2管发射结开启电压之和，从而使两只管子均处于微导通状态。另外静态时应调节R2，使发射极电位UE为0，即输出电压uO为0。当所加信号按正弦规律变化时，由于D1、D2的动态电阻很小，而且R2的阻值也很小，所以认为T1和T2管的基极电位的变化近似相等。这样，当ui0且逐渐增大时，T1管基极电流随之增大，而T2管基极电流随之减小，最后截止，负载电阻上得到正方向的电流。同样道理，当ui0且逐渐减小时，T2管基极电流随之增大，而T1管基极电流随之减小，最后截止，负载电阻上得到负方向的电流。这样，即使ui很小，总能保证至少有一只晶体管导通，从而消除了交越失真。（2）分析计算，求输出功率、管耗、电源提供的功率及效率当输入电压足够大，且又不产生饱和失真时，电路的图解分析如P480图9.2.4所示。由图示可知电路最大输出电压等于电源电压减去晶体管的饱和电压，即（VCCUCES）。另外由图9.2.2可知，负载电阻上通过的电流就是管子的发射极电流。最大输出功率Pom电路的输出功率Po为式中UOM为输出电压的幅值。当输出最大不失真电压时UOMVCCUCES，此时输出功率为最大，即管耗PT每只管子的管耗为显然当UOM0时，管子的损耗为零。当UOMVCCUCES时，管子的损耗为总管耗为：PTPT1PT22PT1直流电源提供的功率PVPVPT1PT2PO=2 PT1PO当UOMVCCUCES时效率PoPV ，当UOMVCC（忽略UCES）时，478.5%（3）最大管耗PT1max与输出功率的关系最大管耗不是发生在输出功率最大时。由管耗的计算公式知，管耗是输出电压幅值UOM的函数，用求极限的方法可求得，最大管耗时的UOM2VCC故最大管耗为式中的为不考虑晶体管饱和压降（即UCES为0）时的最大输出功率。（4）功放管的选择由前面的分析知，在查阅手册选择功放管时，应使极限参数U(BR)CEO2VCC，ICM VCCRL，PCM0.2，另外一定要严格按手册要求安装散热片。二、本讲重点1、 功率放大电路的特点（与电压放大电路比较）及类型。2、 OCL甲乙类互补对称功率放大电路的结构、特点及工作原理。3、 功率、效率和管耗的计算及相互关系。4、 功放管的选择。三、本讲难点1、功率放大电路的分析与计算。四、教学组织过程本讲以讲授为主，并通过例题掌握功率、效率和管耗的计算。五、课后习题见相应章节的“习题指导”。 第十五讲 改进型OCL电路一、主要内容1、 功率放大电路的安全运行1）功率管的安全工作区，受集电极允许的最大电流ICM，最大电压U(BR)CEO和最大功耗PCM以及二次击穿临界曲线的限制。2）功率管的散热问题在一定的温度下，散热能力越强，晶体管允许的功耗PCM就越大；另一方面，环境温度Ta越低，允许的功耗PCM也越大。2、复合管的组成及其电流放大系数 1）复合管的组成原则（1）在正确的外加电压下，每只管子的各极电流均有合适的通路，且均工作于放大区；（2）应将第一只管子的集电极或发射极电流做为第二只管子的基极电流。（3）后级管子的不能将前级管子的箝位 ；（4）当使用FET构成复合管时，FET只能作为第一级； 2）复合管的电流放大系数采用复合管结构可使等效管的电流放大系数约增大到组成的各管的电流放大系数之积。3、复合管共射放大电路的动态分析及其特点1）复合管共射放大电路的动态分析其动态分析方法与基本共射电路基本相同，只是复合管放大电路中的晶体管不只一个，应分别画出各晶体管的h参数等效模型，动态参数的计算也较为复杂。2）复合管共射放大电路的特点电压放大倍数与单管时相当，但输入电阻明显增大。与单管放大电路相比，当输入信号相同时，从信号源索取的电流将显著减少。3）四种类型的复合管 4、甲乙类互补功率放大电路为解决交越失真，可给三极管稍稍加一点偏置，使之工作在甲乙类,如图所示。 (a)利用二极管提供偏置电压 (b)利用三极管恒压源提供偏置5、准互补对称功率放大电路当输出功率较大时，输出级的推动级，即末前级也应该是一个功率放大级。此时往往采用复合管。复合管的极性由前面的一个三极管决定。由NPN-NPN或PNP-PNP复合而成的一般称为达林顿管。如P166图4.11所示。二、本讲重点1、 功率管的散热问题，主要说明管子的安全使用。2、 复合管的构成原则及其电流放大倍数；3、 集成功率放大电路的结构、功能、性能指标的意义及其应用。三、本讲难点1、 功率管的散热问题。2、 集成功率放大电路的应用。四、教学组织过程借助多媒体的动画效果理解功率管的散热问题，讲授集成功率放大电路的应用。五、课后习题1、 见相应章节的“习题指导”。 【本章小结】1、 功率放大电路是在电源电压确定情况下，以输出尽可能大的不失真的信号功率和具有尽可能高的转换效率为组成原则，功放管常常工作在尽限应用状态。低频功放有变压器耦合乙类推挽电路、OTL、OCL、BTL等电路。2、 功放的输入信号幅值较大，分析时应采用图解法。OCL电路为直接耦合功率放