功率放大电路的一般问题.docx

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功率放大电路的一般问题

功率放大电路的一般问题

   功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。

它一般直接驱动负载，带载能力要强。

   前面已经介绍了一些电子电路，经过这些电路处理后的信号，往往要送到负载，去驱动一定的装置。

例如，这些装置有收音机中扬声器的音圈、电动机控制绕组、计算机监视器或电视机的扫描偏转线圈等。

这时我们要考虑的不仅仅是输出的电压或电流的大小，而是要有一定的功率输出，才能使这些负载正常工作。

这类主要用于向负载提供功率的放大电路常称为功率放大电路。

   功率放大电路的性能指标主要有：

最大输出功率、效率等。

   前面所讨论的放大电路主要用于增强电压幅度或电流幅度，因而相应地称为电压放大电路或电流放大电路。

但无论哪种放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电流和功率，从能量控制的观点来看，放大电路实质上都是能量转换电路，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。

上述称呼上的区别只不过是强调的输出量不同而已。

   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。

对电压放大电路的主要要求是使负载得到不失真的电压信号，讨论的主要指标是电压增益、输入和输出阻抗等，输出的功率并不一定大。

而功率放大电路则不同，它主要要求获得一定的不失真（或失真较小）的输出功率，通常是在大信号状态下工作，因此，功率放大电路包含着一系列在电压放大电路中没有出现过的特殊问题。

（1）要求输出功率尽可能大为了获得大的功率输出，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因此管子往往在接近极限运用状态下工作。

（2）效率要高由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，这就存在一个效率问题。

所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。

这个比值越大，意味着效率越高。

   （3）非线性失真要小功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真，而且同一功放管输出功率越大，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主要矛盾。

但是，在不同场合下，对非线性失真的要求不同，例如，在测量系统和电声设备中，这个问题显得重要，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）晶体管的散热问题在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在管子的集电结上，使结温和管壳温度升高。

为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率，放大器件的散热就成为一个重要问题。

   （5）在功率放大电路中，为了输出较大的信号功率，管子承受的电压要高，通过的电流要大，功率管损坏的可能性也就比较大，所以功率管的参数选择与保护问题也不容忽视。

   （6）功率放大电路的分析任务是：

最大输出功率、最高效率及功率三极管的安全工作参数。

在分析方法上，由于管子处于大信号下工作，故通常采用图解法。

根据放大电路中三极管在输入正弦信号的一个周期内的导通情况，可将放大电路分为下列三种工作状态：

图A_01

（1）甲类放大

在输入正弦信号的一个周期内，都有电流流过三极管，这种工作方式通常称为甲类放大。

甲类放大的典型工作状态如A_01所示，此时整个周期都有iC>0，称功率管的导电角=2。

   效率是负载得到的有用信号功率（即输出功率Po）和电源供给的直流功率（PV）的比值。

要提高效率，就应将电源供给的功率大部分转化为有用的信号输出功率。

在甲类放大电路中，为使信号不失真，需设置合适的静态工作点，保证在输入正弦信号的一个周期内，都有电流流过三极管。

因此当有信号输入时，电源供给的功率一部分转化为有用的输出功率，另一部分则消耗在管子（和电阻）上，并转化为热量的形式耗散出去，称为管耗。

而在没有信号输入时，这些功率全部消耗在管子（和电阻）上。

甲类放大电路的效率是较低的，

喇叭上得到的功率大小要根据交流电压或交流电流的有效值而不是瞬时值。

所以在上述条件下，集电极电流变化的有效值是

，由此得出输出功率P

而电源给出的功率：

有没有办法提高甲类放大电路的效率呢最有效的办法就是采用变压器输出。

由于变压器的互耦功能，经计算，不但可以大幅度地提高等效负载电阻的阻抗，而且原边产生的感应电压与电源电压的迭加使电路的工作电压也有很大提高。

等效负载电阻为：

（N1、N2是原、副边线圈各自的匝数）

可以证明，即使在理想情况下，甲类放大电路的效率最高也只能达到50%。

显然，若能减少管耗，就可以提高效率。

静态电流是造成管耗的主要因素，因此如果把静态工作点Q向下移动，使信号等于零时电源输出的功率也等于零（或很小），信号增大时电源供给的功率也随之增大，这样电源供给功率及管耗都随着输出功率的大小而变，也就改变了甲类放大时效率低的状况。

实现上述设想的电路有乙类和甲乙类放大

乙类放大在输入正弦信号的一个周期内，只有半个周期，三极管的iC>0，称为乙类放大。

其典型工作状态如图A_03所示，此时功率管的导电角。

图A_03

乙类和甲乙类放大主要用于功率放大电路中。

虽然减小了静态功耗，提高了效率，但都出现了严重的波形失真，因此，既要保持静态时管耗小，又要使失真不太严重，这就需要在电路结构上采取措施。

甲乙类放大在输入正弦信号的一个周期内，有半个周期以上，三极管的iC>0，称为甲乙类放大。

其典型工作状态如图A_02所示，此时功率管的导电角满足：

。

图A_02

　  乙类双电源互补对称功率放大电路

图B

（a）基本互补对称电路

（b）由NPN管组成的射极输出器

（c）由PNP管组成的射极输出器

   下面来研究一下图B_01a所示的互补对称电路。

T1和T2分别为NPN型管和PNP型管，两管的基极和发射极相互连接在一起，信号从基极输入，从射极输出，RL为负载。

由于该电路无基极偏置，所以vBE1=vBE2=vi。

当vi=0时，T1、T2均处于截止状态，所以该电路为乙类放大电路。

这个电路可以看成是由图XX_01b、c两个射极输出器级合而成。

   考虑到BJT发射结处于正向偏置时才导电，因此当信号处于正半周时，vBE1=vBE2>0，则T2截止，T1承担放大任务，有电流通过负载RL；而当信号处于负半周时，vBE1=vBE2<0，则T1截止，T2承担放大任务，仍有电流通过负载RL；这样，一个在正半周工作，而另一个在负半周工作，两个管子互补对方的不足，从而在负载上得到一个完整的波形，称为互补电路。

   互补电路解决了乙类放大电路中效率与失真的矛盾。

为了使负载上得到的波形正、负半周大小相同，还要求两个管子的特性必须完全一致，即工作性能对称。

所以图XX_01a所示电路通常称为乙类互补对称电路。

功率放大电路的分析任务是求解最大输出功率、最高效率及功率三极管的安全工作参数等性能参数。

分析的关键是vo的变化范围。

在分析方法上，通常采用图解法，这是因为BJT处于大信号下工作，且乙类互补对称电路的晶体管只有半个周期导通。

图C_01

图C_02

   图C_02a表示图C_01电路在vi为正半周时T1的工作情况。

图中假定，只要vBE1=vi>0，T1就开始导电，则在一周期内T1导电时间约为半周期。

随着vi的增大，工作点沿着负载线上移，则io=iC1增大，vo也增大，当工作点上移到图中A点时，vCE1=VCES，已到输出特性的饱和区，此时输出电压达到最大不失真幅值。

根据上述图解分析，可得输出电压的幅值为Vom=IomRL=VCC-VCE1，其最大值为Vommax=VCC-VCES。

   图C_01中T2的工作情况和T1相似，只是在信号的负半周导电。

为了便于分析，将T2的特性曲线倒置在T1的右下方，并令二者在Q点，即vCE=VCC处重合，形成T1和T2的所谓合成曲线，如图C_02b所示。

这时负载线通过VCC点形成一条斜线，其斜率为-1/RL。

显然，允许的io的最大变化范围为2Iom，vo的变化范围为2Vom=2IomRL=2（VCC-VCES）。

若忽略管子的饱和压降VCES，则VommaxVCC。

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。

输出功率是输出电压有效值Vo和输出电流有效值Io的乘积（也常用管子中变化电压、变化电流有效值的乘积表示）。

所以

   乙类互补对称电路中的T1、T2可以看成共集状态（射极输出器），即AV»1。

所以当输入信号足够大，使Vim=Vommax=VCC-VCESVCC时，可获得最大输出功率

   考虑到T1和T2在一个信号周期内各导电约180°，且通过两管的电流和两管两端的电压vCE在数值上都分别相等（只是在时间上错开了半个周期）。

因此，为求出总管耗，只需先求出单管的损耗就行了。

设输出电压为vo=Vomsint，则T1的管耗为

   而两管的管耗为

   效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。

为了计算效率，必须先分析直流电源供给的功率PV，它包括负载得到的信号功率和T1、T2消耗的功率两部分，即

   当输出电压幅值达到最大，即Vom=VCC时，则得电源供给的最大功率为

   所以，一般情况下效率为

   当VomVCC时，则

   这个结论是假定互补对称电路工作在乙类、负载电阻为理想值，忽略管子的饱和压降VCES和输入信号足够大（VimVomVCC）情况下得来的，实际效率比这个数值要低些。

   工作在乙类的基本互补对称电路，在静态时，管子几乎不取电流，管耗接近于零，因此，当输入信号较小时，输出功率较小，管耗也小，这是容易理解的；但能否认为，当输入信号愈大，输出功率也愈大，管耗就愈大呢答案是否定的。

那么，最大管耗发生在什么情况下呢

  由管耗公式

   可知管耗PT1是输出电压幅值Vom的函数，具此计算：

   Vom=2VCC/

   当Vom=2VCC/VCC时具有最大管耗，所以

   考虑到最大输出功率

，则每管的最大管耗和电路的最大输出功率具有如下的关系

。

   上式常用来作为乙类互补对称电路选择管子的依据，它说明，如果要求输出功率为10W，则只要用两个额定管耗大于2W的管子就可以了。

图D_01

   上面的计算是在理想情况下进行的，实际上在选管子的额定功耗时，还要留有充分的余地。

   考虑到Po、PV和PT1都是Vom的函数，如用Vom/VCC表示的自变量作为横坐标，纵坐标分别用相对值

表示。

则Po、PV和PT1与Vom/VCC的关系曲线如图C_01所示。

图C_01也进一步说明，Po、和PT1与Vom/VCC不是线性关系，且

。

   在功率放大电路中，为了输出较大的信号功率，管子承受的电压要高，通过的电流要大，功率管损坏的可能性也就比较大，所以功率管的参数选择不容忽视。

选择时一般应考虑晶体管的三个极限参数，即集电极最大允许功率损耗PCM，集电极最大允许电流ICM和集电极-发射极间的反向击穿电压V（BR）CEO。

   由前面知识点的分析可知，若想得到最大输出功率，又要使功率晶体管安全工作，晶体管的参数必须满足下列条件：

晶体管

（1）每只晶体管的最大管耗PT1maxPomax必须小于BJT的最大允许管耗PCM；

（2）通过晶体管的最大集电极电流为iC1max=Vommax/RLVCC/RL，所选晶体管的ICM一般不应低于此值。

   （3）考虑到当T2导通且输出电压达到负向最大值时，-vCE2=VCES0，此时vCE1具有最大值，且等于2VCC，因此，应选用反向击穿电压|V（BR）CEO|>2VCC的管子。

注意，在实际选择管子时，其极限参数还要留有充分的余地。