功率放大电路

功率放大电路

在实用电路中，往往要求放大电路的末级（即输出级）输出一定的功率，以驱动负载。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。从能量控制和转换的角度看，功率放大电路与其它放大电路在本质上没有根本的区别；只是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情况下，输出尽可能大的功率。

变压器耦合功率放大电路

在放大电路中，当输入信号为正弦波时，若晶体管在信号的整个周期内均导通（即导通角θ=360°），则称之工作在甲类状态；若晶体管仅在信号的正半周或负半周导通（即θ= 180°），则称之工作在乙类状态；若晶体管的导通时间大于半个周期且小于周期（即θ= 180° ~ 360°之间），则称之工作在甲乙类状态。

提高功放效率的根本途径是减小功放管的功耗。方法之一是减小功放管的导通角，增大其在一个信号周期内的截止时间，从而减小管子所消耗的平均功率；因而在有些功放中，功放管工作在丙类状态中，即导通角θ小于180°。方法之二是使功放管工作在开关状态，也称为“丁类”状态，此时管子仅在饱和导通时消耗功率，而且由于管压降很小，故无论电流大小，管子的瞬时功率都不大，因此管子的平均功耗也就不大，电路的效率必然较高。但是，应当指出，当功放中的功放管工作在丙类或丁类状态时，集电极电流将严重失真，因此必须采取措施消除失真，如采用谐振功率放大电路，从而使负载获得基本不失真的信号功率。

无输出变压器的功率放大电路

变压器耦合功率放大电路的优点是可以实现阻抗变换，缺点是体积庞大，笨重，消耗有色金属，且效率较低，低频和高频特性均较差。

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，电路低频特性将愈好。但是，当电容容量增大到一定程度时，由于两个极板面积很大，且卷制而成，电解电容不再是纯电容，而存在漏阻和电感效应，低频特性将不会明显改善。

无输出电容的功率放大电路

桥式推挽功率放大电路

为了实现单电源供电，且不用变压器和大电容，可采用桥式推挽功率放大电路，简称BTLO电路。

BTL电路所用管子数量最多，难于做到四只管子特性理想对称；且管子的总损耗大，必然使得转换效率降低；电路采用双端输人双端输出方式，输人和输出均无接地点，因此有些场合不适用。

综上所述，变压器耦合乙类推挽电路、0TL、0CL和BTL电路中晶体管均工作在乙类状态，它们各有优缺点，使用时应根据需要合理选择。目前集成功率放大电路多为OTL和OCL电路，前者需外接输出电容。当这两种集成电路不能满足负载所需功率要求时，应考虑采用分立元件OTL、OCL电路或变压器耦合乙类推挽功率放大电路。

（辅导书324页）

OCL、OTL和BTL电路的特点

（辅导书328页）

OCL电路输出功率及效率

（课本411页）可以想象，在正弦波信号的正半周，u_i从零逐渐增大时，输出电压随之逐渐增大，T₁管管压降必然逐渐减小，当管压降下降到饱和管压降时，输出电压达到最大幅值，其值为（V_CC-U_CES1），因此最大不失真输出电压的有效值

设饱和管压降

最大输出功率

在忽略基极回路电流的情况下，电源V_CC提供的电流

电源在负载获得最大交流功率时所消耗的平均功率等于其平均电流与电源电压之积，其表达式为

整理后可得

因此，转换效率

在理想情况下，即饱和管压降可忽略不计的情况下

应当指出，大功率管的饱和管压降常为2~3V，因而一般情况下都不能忽略饱和管压降，因此不能使用上面公式计算电路得最大输出功率和效率。

最大管压降

从OCL电路工作原理的分析可知，两只功放管中处于截止状态的管子将承受较大的管压降。设输人电压为正半周，T₁导通，T₂截止，当u_i从零逐渐增大到峰值时，T₁和T₂管的发射极电位u_E从零逐渐增大到（V_CC - U_CES1），因此，T₂管压降U_CES2的数值[u_CES2=u_E-( -V_CC) =u_E +V_CC]将从V_CC增大到最大值

利用同样的分析方法可得，当u;为负峰值时，T,管承受最大管压降，数值为[2V_CC-( -U_CES2)]。所以，考虑留有一定的余量，管子承受的最大管压降为

集电极最大电流

从电路最大输出功率的分析可知，晶体管的发射极电流等于负载电流，负载电阻上的最大电压为V_CC-U_CES1，故集电极电流的最大值

考虑有一定得余量

集电极最大功耗

管压降和集电极电流瞬时值的表达式分别为

功耗P_T为功放管所损耗的平均功率，所以每只晶体管的集电极功耗表达式为

以上分析表明，当U_OM≈0.6V_CC时，P_T=P_Tmax。将U_OM代人P_T的表达式，就可得出

当U_CES=0时，根据

可得

可见，晶体管集电极最大功耗仅为理想（饱和管压降为零）时最大输出功率的五分之一。

在查阅手册选择晶体管时，应使极限参数

这里仍需强调，在选择晶体管时，其极限参数，特别是P_CM应留有一定的余量，并严格按手册要求安装散执片。

功放管损坏的常见原因

（辅导书327页）

当D₁、D₂或D₃开路时，形成从+V_CC经R₁、T₁管b-e、T₂管b-e、T₃管e-b、R₂到-V_CC的直流电流通路，T₁和T₂的基极电流

由于T₁和T₂、T₃和T₄两对复合管具有对称性；T₂和T₄的管压降均为V_CC，工作在放大状态，因而它们的集电极直流电流和功耗均为

当电路产生故障时应首先分析功放管静态时的功耗，判断其是否会因功耗过大而损坏。