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功率放大电路
第六章功率放大电路
多级放大电路（例如集成电路）的输出级通常要带上一定的负载,例如,使扬声器发声,推动电机旋转等,这就要求输出级电路不但要输出大幅度的电压,而且要输出大幅度的电流,即输出足够大的功率.这种向负载提供信号功率的放大电路称为功率放大电路,简称功放。
根据放大信号频率的高低，功放分为低频功放和高频功放，本章只讨论低频功放。
本章先介绍功放的特点、分类和主要性能指标，然后围绕功放的输出功率、效率和非线失真之间矛盾的解决措施，分析几种主要的功放电路，同时介绍了集成功放的应用。
第一节功率放大电路
一、对功率放大电路的要求
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。
电压放大电路的主要任务是把微弱的信号电压进行放大；而功率放大电路则不同，它的主要任务是不失真或失真较小地放大信号功率,通常在大倍状态下工作,讨论的主要技术指标是最大不失真输出功率、电源转换效率、功放管的极限参数及电路防止失真的措施。
针对功率放大电路的特点，对功率放大电路有以下几点要求。
1.要有尽可能大的输出功率
为了获得足够大的输出功率，要求功放管的电压和电流都允许有足够大的输出幅度，因此功放管往往工作于接近极限状态，在工作时必须考虑功放管的极限参数U（BR）CEO、ICM和PCM。
2.电源转换效率要高
任何放大电路的实质都是通过放大管的控制作用，把电源供给的直流功率转换为负载输出的交流功率，这就有一个如何提高能量转换效率的问题。
放大电路的效率是指负载获得的功率Po与电源提供的功率PV之比，用η表示，即
η=P0/PV6-1
对小信号的电压放大电路来讲，由于输出功率较小，电源提供的直流功率也小，效率问题也就不突出。
但对于功率放大电路来讲，由于输出功率较大，效率问题就显得突出了。
3.非线性失真要小
由于功率放电路在大信号下工作，所以不可避免地会发生非线性失真，而且对于同一功率放大管，其输出功率越大，非线性失真往往越严重，这就使输出功率和非线性失真成为一对矛盾。
但是在不同场合，对非线性失真的要求是不同的。
例如，在测量系统和电声设备中，要求非线性失真越小越好，而在工业控制系统等场合中，则以输出功率为主要目的，对非线性失真的要求就降为次要问题了。
4.要加装散热和保护装置
在功率放大电路中，为使输出功率尽可能大，要求晶体管工作在极限应用状态，即晶体管集电极电流大时接近ICM；管压降最大时接近U（BR）CEO；耗散功率最大时接近PCM。
因此，功放管的散热条件要好，且需要有一定的过流保护装置。
5．要用图解法分析
由于功率放大电路的晶体管处于大信号工作状态，小信号分析所用的微变等效分析法不再适用，故应采用图解法分析电路。
二、功率放大器的分类
根据三极管静态工作点Q在交流负载线上的位置不同，可分为甲类、乙类和甲乙类三种功率放大电路。
1.甲类功率放大器
三极管的静态工作点Q设置在交流负载线的中点附近，如图6-1（a）所示。
在输入信号的整个同期内都有iC流过的功放管，波形失真小。
由于静态电流大，放大器的效率较低，最高只能达到50%。
图6-1Q点下移对放大电路工作状态的影响
2.乙类功率放大电路
三极管的静态工作点设置在交流负载线的截止点，如图6-1（c）所示。
在输入信号的整个周期内，功放管仅在输入信号的正半周导通，iC波形只有半个波输出。
由于几乎无静态电流，功率损耗最小，使效率大大提高。
乙类功率放大电路采用两个三极管组合起来交替工作，则可以放大输出完整的全波信号。
3.甲乙类功率放大电路
三极管的静态工作点介于甲类与乙类之间，一般略高于乙类，如图6-1（b）所示。
功放管有不大的静态电流，在输入信号的整个周期内，在大于半上周期内有iC流过功放管。
它的波形失真情况和效率介于甲类和乙类之间，是实用的功率放大器经常采用的方式。
甲类功放由于静态电流大，效率低，因此很少采用；变压器耦合功放由于变压器体积大，不适于集成，频率性能差，在现在的功放中也不大采用，因此本章不涉及这两类功放。
第二节互补对称功率放大电路
目前使用最广泛的是无输出电容的功率放大电路（OCL电路）和无输出变压器的功率放大电路（OTL电路）。
一、乙类双电源互补对称功率放大电路（OCL）
1.电路的组成
OCL电路的原理如图6-2所示，图中VT1为NPN型三极管，VT2为PNP型三极管，两管参数要求基本一致,两管的发射极连在一起作为输出端,直接接负载电阻RL,两管都为共集电极接法。
正负对称双电源供电，两管中的静态电位为零。
图6-2OCL基本电路及工作波形
2.工作原理
当输入信号ui=0时，电路处于静态，两管都不导通，静态电流为0，电源不消耗功率。
当ui为正半周时，VT1管导通，VT2管截止，电流ic1流经负载RL形成输出电压uo的正半周。
当ui为负半周时，VT1管截止，VT2管导通，电流ic2流经负载RL形成输出电压Uo、的负半周。
由此可见，VT1、VT2实现了交替工作，正负电源供电。
这种不同类型的两只晶体管交替工作，且均组射极输出形式的电路称为“互补电路”，两只管子的这种交替工作方式称为“互补”工作方式，这种功放电路通常称为互补对称功率放大电路。
3.输出功率和效率
功率放大电路最重要的技术指标是电路的最大输出功率Pom及效率η。
为了便于分析Pom，将VT1管和VT2管的输出特性曲线组合在一起，如图6-3所示。
图中Ⅰ区为VT1管的输出特性，Ⅱ区为VT2的输出特性。
因两管子的静态电流很小，所以可以认为静态工作点在横轴上，如图中所标的Q点。
因而最大输出电压幅值为UCC-UCES
根据以上分析，不难求出工作在乙类的互补对称电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率和效率。
图6-3OCL的图解分析
（1）输出最大功率Pom由前面分析可知，OCL电路输出电压最大幅值为UCC-UCES所以最大输出功率为：
（6-1）
（2）直流电源供给的最大平均功率Pvm在忽略其它回路电流的情况下，电源UCC提供的最大幅值为
，设输入信号频率为ω，则t时刻电源提供的电流为
（6-2）
在负载获得最大交流功率时，电源所提供的平均功率等于其最大平均电流与电源电压之积，其表达式为：
（6-3）
整理后得:
（6-4）
（3）效率η在输出电压达到最大幅度时的效率为
（6-5）
（4）集电极最大功耗Ptm，在功率放大电路中，电源提供的功率，除了转换为输出功率外，其余部分主要消耗在晶体管上，晶体管所损耗的功率为：
PT=PV-Po。
当输入电压为零时，由于集电极电流很小，管子的功耗很小；输入电压最大，即输出功率最大时，由于管压降很小，管子的功耗也很小；可见，管耗最大既不是在输入电压最小时，也不是在输入电压最大时。
可以证明，当输出电压峰值Uom≈0.6UCC时，管耗最大，每只管子的管耗PT=Ptm
0.2Pom。
在理想情况下，即UCES=0的情况下，
（6-6）
（6-7）
（6-8）
4.功率管的选择
若要使功放电路输出最大功率，又使功率管安全工作，功率管的参数必须满足下列条件：
（1）PCM>0.2Pom
（2）|U（BR）CEO|>2UCC
（3）ICM>UCC/RL
二、甲乙类互补对称功率放大器
1.乙类互补对称功放的交越失真
前面讨论如图6-2所示的乙类互补对称功率放大电路，实际上并不能使输出波形很好地反映输入的变化。
根据三极管的输入特性可知，三极管只有在加于其发射结的电压大于门坎电压时才能导通。
由于没有直流偏置，当ui较低时，VT1和VT2管都截止，ic1和ic2基本为0，负载RL上无电流流过，出现一段死区，如图6-4所示，这种现象称为交越失真。
2.甲乙类互补对称功率放大器
为了克服交越失真，可给两互补管的发射结设置一个很小的正向偏置电压，使它们在静态时处于微导通状态。
这样既消除了交越失真，又使功放管工作在接近乙类的甲乙类状态，效率仍然很高。
图6-5所示电路就是按照这种要求来构成的甲乙类功放电路。
图6-4乙类互补对称功放的交越失真
图6-5（a）中，静态时VD1、VD2两端压降加到VT1、VT2的基极之间，使两管处于微导通状态。
当有信号输入时，由于VD1、VD2对交流信号近似短路（其正向交流电阻很小），因此加到两管基极的正、负半周信号的幅度相等。
图6-5（b）中，VT4、R1和R2组成具有恒压特性的偏置电路，称为UBE倍增电路，若R1的电流iR>iB4，则VT1、VT2基极间电压
因此，上述偏置电路有恒压特性，它对交流近似短路，保证加到VT1、VT2基极的正、负周信号的幅度相等，同时，适当选择R1、R2的值，就可得到UBE4的任意倍数的直流电压，以适应不同的要求，这也是取名“UBE倍增电路”的原因。
三、单电源互补对称功率放大器（OTL电路）
（a）二极管偏置
（b）UBE倍增电路作为偏置
图6-5甲乙类互补对称功放电路
1.基本电路
双电源互补对称功率放大电路采用双电源供电，但某些场合往往给使用带来不便。
为此，可采用图6-6所示的单电源供电的甲乙类功放，又称OTL电路。
图中VT3前置放大级，VT1、VT2组成互补对称输出级，VD1、VD2保证电路工作于甲乙类状态。
在输入信号ui=0时，一般只要R1、R2取值适当，就可使IC3、UB1和UB2达到所需大小，给VT1和VT2提供一个合适的偏置，从而使K点直流电位为UCC/2。
CL两端静态电压也为UCC/2。
由于CL容量很大，满足RLCL>T（信号周期），因此有交流信号时，电容CL两端电压也为基本不变，它相当于一个电压为UCC/2的直流电源。
此外，CL还有隔直通交的耦合作用。
图6-6OTL电路
当ui为负半周时，VT1导通，VT2截止，有电流流过负载RL，同时向CL充电；当ui为正半周时，VT1截止，VT2导通，此时CL起着电源的作用，通过负载RL放电。
电容CL和一个电源UCC起到了原来的+UCC和—UCC两个电源的作用，但其电源电压值应等效为UCC/2。
显然若把OCL电路性指标中的UCC换成UCC/2，就得到OTL电路的性能指标。
图中R2引入的负反馈，不但稳定了K点的直流电位，而且改善了整个电路的性能指标。
2.自举电路
图6-6电路虽然解决了互补对称电路工作点偏置和稳定问题，但是，实际上还存在其他方面的问题。
在额定输出功率的情况下，电路存在最大输出电压幅值偏小的问题，当ui为正半周最大值时，VT1截止，VT2饱和，K点电位由静态时的UCC/2下降为UCES，于是负载上得到最大负向输出电压，幅值为UCC/2-UCES≈UCC/2。
当ui为负半周上得到最大正向输出电压，幅值约为UCC/2，但由于iB1流过RC3产生的电压降使uB1下降，iB1的增加受到限制，从而使VT1达不到饱和，于是负载上的最大正向输出电压幅值受到了限制，将明显小于UCC/2。
解决上述问题的措施是把图6-6中H点的电位升高，使ui为负半周最大值时UH>UCC，从而使iB1足够大，保证VT1饱和。
为此常采用图6-7所示带举的OTL电路。
图6-7中，R、C组成自举电路，C的容量很大，静态时两端电压UC=UCC/2-IC3R，且在信号输入时UC基本不变，当ui为负半周时，VT1导通，UH=UC+UK，随着UK的升高，UH也自动升高，这就是“自举”。
显然，当ui为负半周最大时，UH将大小UCC，故有足够的iB，使VT1饱和，于是功放的最大输出电压幅值接近UCC/2。
图6-7带自举的OTL电路
例6-1在图6-7所示电路中，若UCC=24V，UCES=1V，RL=16试计算Pom、Ptm1与η。
解
第三节集成功率放大器
随着线性集成电路的发展，集成功率放大器的应用日益广泛。
OTL、OCL等电路，均有各种不同输出功率和不同电压增益的多种型号的集成电路。
下面以低频功放为例，讲述集成功放的主要性能指标和典型应用。
一、集成功率放大电路的主要性能指标
集成功率放大电路的性能指标是应用集成功放给电流。
集成功率放大电路的主要性能指标有最大输出功率、电源电压范围、静态电源供给电流、电压增益、频带宽度、输入阻抗、，总谐波失真等。
几种典型产品的性能指标如表6-1所示。
表6-1典型集成功放的主要参数
型号
LM386—4
LM2877
TDA1514
LA4100
电路类型
OTL
OTL（双通道）
OCL
OTL
电源电压V
5.0~18
6.0~24
±10~±30
3.0~9.0
静态电流mA
4
25
56
15
输入阻抗
50
1000
20
输出功率
1.0
4.5
48
1.0
电压增益dB
26~46
70
89
70
频率宽度kHz
300
25
总谐波失真
0.2%
0.07%
—90dB
0.5%
表6-1中所示电压增益均为在信号频率为1KHz条件下测试所得。
对于同一负载，当电源电压不同时，最大输出功率的数值将不同。
当然，对同一电源电压，当负载不同时，最大输出功率的数值也不同。
应当指出表6-1中所示数据均为典型数据，使用时应进一步查阅手册，以便获得更确切的数据。
二、集成功率放大电路的应用
1．用LM386组成的OTL功放电路。
图6-8是用LM386组成的OTL功放电路。
7脚接去耦电容C，5脚所挡10
和0.1
F串联网络是为防止电路自激而设置的。
1、8肢所接阻容电路可调整电路的电压增益，通常电容取10
F，R约为20K
。
R的值愈小，增益愈大。
该电路常用于收录机及玩具电路中。
图6-8用LM386组成OTL电路
2．LA4100集成功放的典型应用
图6-9是用LA4100功放集成电路组成的互补对称式功率放大电路。
LA4100各引脚作用如下：
1脚为功率放大器的输出端，放大后的信号从1脚输出，通过耦合电容C5送到扬声器。
2、3脚接电源负极，也就是公共地端。
图6-9典型电路
4、5脚两端之间接一小电容C3，用以防止放大器产生高频自激振荡。
6脚外接C2、R1与内部电路组件构成交流负反馈网络，调小R1的阻值可降低反馈的深度，提高放大倍数。
7、11脚为空脚。
8脚为输入级差分放大管的发射极引出脚，使用时一般是悬空不接。
9脚为信号输入，通过输入耦合电容C1与输入信号相连。
10脚外接去耦电容C9。
12脚接电源滤波电容C8。
13脚为自举端口，外接自举电容C6，可以使输出管的动态范围增大。
14脚为正电源湍，与电源+UCC相连。
3．集成OCL电路TDA1521的应用
图6-10所示为TDA1521的基本用法。
TDA1521为2通道OCL电路，可作为立体声扩音机左、右两声道的功放。
其内部引入了深度电压反馈，闭环电压增益为30dB，并且有待机、静噪、短路保护和过热保护等功能。
图6-10TDA1521的基本用法
4．集成BTL电路的应用
OTL和OCL功放的电源利用率不高，它们的电源电压分别是UCC和2UCC（两组电源之和），而在负载上获得的最大电压幅值却只有UCC/2和UCC，这就使得在电源电压不是很高的场合，电路的输出功率受到限制。
为弥补这一缺憾，可采用BTL功率放大器，又称为桥式功率放大器。
TDA1556为2通道BTL电路，可作为立体声扩音机左右声道的功放，图6-11所示为基本接法，两个通道有组成完全相同。
TDA1556内部具有待机、静噪功能，并有短路保护、电压反向保护、过电压保护、过热保护和扬声器保护待功能。
为了使最大不失真输出电压的峰值接近电源电压UCC，静态时，应使放大电路的同相输入端和反相输入端电位UCC/2，输出端电位也为UC/2。
因此内部提供的基准电压UREF为UCC/2。
当输入电压ui由零逐渐增大时，uo1从UCC/2逐渐增大，uo2从Ucc/2逐渐减小；当ui增大到峰值时，uo1到达最大值，uo2到达最小值，负载上电压接近——Ucc。
同理，当ui由零逐渐减小时，uo1和uo2的变化与上述过程相反；当ui减小到峰值时，uo1达到最小值，uo2达到最大值，负载上电压接近-Ucc。
因此，最大不失真输出电压的峰值可接近电源电压UCC。
图6-11TDA15566的基本接法
习题
6-1功率放大器的功能是什么？
它与电压放大器相比有哪些主要异同点？
它有哪些基本要求？
6-2功率放大器的实质是什么？
6-3功率放大器中，甲类、乙类、甲乙类三种工作状态下静态工作点选取在三极管伏安特性什么位置？
在输入信号一周内，三种工作状态下，三极管导通角度有何差别？
6-4功放电路中功放管常常处于极限工作状态，试问选择功放管时特别要考虑哪些参数？
6-5什么是OCL电路？
它有哪些优点？
6-6什么是交越失真？
产生交越失真的原因是什么？
如何消除？
6-7什么是OTL功放电路？
它有什么优点？
常见的OTL功放电路有哪几类？
比较它们的特点。
6-8在使用集成功放时应注意哪些事项？
6-9判断下列说法是否正确（对的打√，错的打×）。
（1）功率放大器是大信号放大器，要求在不失真的条件下，能够得到足够大的输出（）
（2）功率放大器就是把小的输入功率放大为大的输出功率供给负载。
（）
（3）甲类功率放大电路中，在没有输入信号时，电源的功耗最小。
（）
（4）功率放大器输出功率越大，功率管的损耗也越大。
（）
（5）功放电路、电压放大电路、电流放大电路都有功率放大的作用。
（）
6-10已知电路如图6-12所示，VT1和VT2的饱和压降UCES=1V，UCC=15V，RL=8Ω，选择正确答案填入以下各题横线上。
图6-12
（1）电路中VD1和VD2的作用是消除。
A.饱和失真B.截止失真C.交越失真
（2）静态时，晶体管发射极电位UEQ。
A.>0B.=0C.<0
（3）最大输出功率POM。
A.≈28WB.=12.25WC.=9W
（4）当输入正弦波时，若R1虚焊，即开路，则输出电压。
A.等于0B.仅有正半波C.仅有负半波
（5）若VD1虚焊，则VT1管。
A.可能因功耗过大损坏B.始终饱和C.始终截止
6-11在图6-12所示电路中，已知：
UCC=16V，RL=4Ω，VT1和VT2管的饱和管压降UCES=2V，输入电压足够大。
试问：
（1）最大输出功率POM和效率η各为多少？
（2）晶体管的最大功耗Ptm为多少？
（3）为了使输出功耗达到POM,输入电压的有效值约是多少？
6-12OTL电路如图6-13所示，其中RL=8Ω，UCC=12V，C1、CL容量很大。
求：
（1）静态时电容CL的两端电压应是多少？
调整哪个组件满足这一要求？
（2）动态时若uo出现交越失真，应调整哪个电阻？
该电阻是增大还是小？
（3）若R1=R2=1.1KΩ,VT1和VT2的β=40，UBE=0.7，PCM=40mW，假设R2因虚焊而开路，问三极管是否安全？
（4）若两管的UCES皆可忽略，求POM。
图6-13
6-13一个集成功放LM384组成的功率放大电路如图6-14所示。
已知电路通带内的电压增益为0dB，在RL=8Ω时，不失真最大输出电压可达18V，求当ui为正弦信号时：
（a）最大不失真输出功率POM。
（b）输出功率最大时的输入电压有效值。
图6-14
6-142030集成功放的一种应用电路如图6-15所示，假定其输出级功放管的饱和压降可忽略不计，ui为正弦。
问：
（1）该电路是属于OTL还是OCL电路？
（2）理想情况下最大输出功率POM为多少？
（3）电路输出级的效率η为多少？
图6-15
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