第六節(jié)功率放大器

1、第六節(jié) 功率放大器一、功率放大器概述1功率放大器與基本要求在工程中經(jīng)常需要大功率的信號，來控制或驅(qū)動一些設(shè)備工作，例如，控制電動機的運轉(zhuǎn)，驅(qū)動揚聲器發(fā)聲等。這種能夠使功率放大的放大器，稱為功率放大器。功率放大器與電壓放大器，由于任務(wù)的不同是有區(qū)別的。電壓放大器的主要任務(wù)是把微弱的信號電壓進行放大，一般輸入與輸出的電壓和電流都比較小，是小信號放大器，它消耗的能量少，信號失真小，輸出信號的功率小。功率放大器的主要任務(wù)是輸出大功率的信號，它的輸入、輸出電壓和電流都較大，是大信號放大器，它消耗能量多，信號容易失真，輸出信號功率大。因此要求功率放大器應(yīng)滿足下列基本條件：（1）信號失真小。（2）有足夠的輸

2、出信號。（3）效率高。（4）散熱性能好。2功率放大器的分類（1）按三極管靜態(tài)工作點位置分類根據(jù)功率放大器中功率放大三極管靜態(tài)工作點Q在交流負載線AB上的位置不同，可分為甲類、乙類、甲乙類三種。甲類功率放大器 圖a，Q點在交流負載線的中點附近，輸入信號的整個周期內(nèi)，三極管都處于放大狀態(tài)，輸出的是沒有失真的完整信號，但靜態(tài)工作電流大效率低。乙類功率放大器 圖b，Q點在交流負載線和IB=0 輸出特性曲線的交點處，輸入信號的整個周期內(nèi)，三極管是半個周期在放大區(qū)工作，另半個周期在截止區(qū)，放大器只有半波輸出。如果采用兩個不同類型的三極管組合起來交替工作，則可以輸出完整的不失真的全波放大信號，這種電路幾乎沒

3、有靜態(tài)電流，效率較高。甲乙類功率放大器 圖c Q點在交流負載線上略高于乙類功率放大器的工作點Q處，也需要兩個不同類型的三極管組合起來交替工作，它的靜態(tài)電流較小，效率仍比較高。（2）功率放大器輸出特點分類根據(jù)功率放大器輸出特點，分為以下四類：a有輸出變壓器功率放大器。b無輸出變壓器功率放大器，又稱OTL功率放大器。c無輸出電容器功率放大器，又稱OCL功率放大器。d橋接無輸出變壓器功率放大器，又稱BTL功率放大器。二、單管功率放大器1電路組成與工作原理電路組成 圖為甲類單管變壓器耦合功率放大電路。Rb1、Rb2和Re組成分壓式電流負反饋偏置電路，Ce是發(fā)射極旁路電容，RL為放大器的負載電阻，T1和

4、T2是輸入和輸出變壓器，稱為耦合變壓器。三極管V為功率放大管。耦合變壓器的作用，一方面是隔離直流耦合交流信號，另一方面用來變換阻抗，使負載獲得較大的功率。通常，功率放大器負載RL小于三極管集電極所需最佳負載電阻，阻抗不匹配。根據(jù)變壓器變換阻抗原理，T2的一次、二次阻抗關(guān)系為式中，是變壓器的匝數(shù)比，只要合理的選擇變壓比n，即可使負載RL通過T2在它的一次側(cè)獲得三極管所需的最佳負載阻抗。工作原理當(dāng)輸入信號vi=0時，電路處于靜態(tài)，集電極電流IC=ICQ。由于T2一次線圈中通過的是恒定直流電流，所以二次負載RL上沒有電流通過，放大器無信號輸出。當(dāng)vi0，有輸入信號時，信號經(jīng)過T1、Cb和Ce送入三極

5、管的基極和發(fā)射極之間，產(chǎn)生變化的基極電流，使三極管集電極輸出變化較大的集電極電流iC，通過T2的一次線圈在T2的二次線圈回路中感應(yīng)出功率較大的信號電流，經(jīng)負載RL完成信號的功率放大過程。2輸出功率及效率輸出功率 通常用圖解分析法來分析功率放大器的工作情況。首先在功率放大管的輸出特性曲線上作直流負載線，輸出變壓器T2的一次線圈直流電阻很小，可以認為直流短路。另外，為了有效地利用電源電壓，Re取值很小，它的直流壓降可以忽略不計。因此，功率放大管的直流負載電阻近似等于零，即Rc0。按照直流負載線的作法，其開路電壓值vCE=VG，短路電流值極大，所以直流負載線是通過VG點且垂直于vCE軸的直線。直流負

6、載線與基極靜態(tài)電流IBQ的交點，即為放大器的靜態(tài)工作點Q。再作交流負載線，放大器輸入交流信號時，通過輸出變壓器阻抗轉(zhuǎn)換關(guān)系，在功率放大管的集電極就呈現(xiàn)為一個對應(yīng)于RL的交流等效負載電阻，根據(jù)交流負載線的作法，可以畫出通過Q點的交流負載線。需要指出，為了充分利用三極管的工作范圍，理想的交流負載線應(yīng)該是非常接近安全工作區(qū)邊界，也就是PCM曲線邊界，而且又不超過安全工作區(qū)的一條直線，這樣可以使輸出功率最大。PCM曲線稱為最大允許耗散功率曲線，曲線上個點所對應(yīng)的vCE和iC的乘積都等于集電極最大耗散功率的PCM值，即vCE×iC=PCM。當(dāng)功率放大管基極加有信號后，則基極電流不會再停留在靜態(tài)

7、工作Q點的數(shù)值IBQ上，從圖可以看出，如果輸入信號電壓足夠大，使基極動態(tài)電流在IB0IB4之間變動，即在交流負載線的和兩點間移動，則集電極電流iC及vCE電壓也將相應(yīng)的變化，它們的波形如圖中曲線左方和下方所示，顯然，此時如輸入信號在增大，則iC及vCE的波形會出現(xiàn)飽和失真或截止失真。所以這種狀態(tài)稱為滿額使用狀態(tài)。此時輸出功率達到最大。從圖中的功率放大電路可以看出，功率放大管集電極輸出交流功率Po就是輸出變壓器T2一次等效電阻上所得到的交流功率，它的數(shù)值為集電極輸出電壓的有效值Vce和輸出電流有效值Ic的乘積。即可見，輸入信號Icm越強則Vcem及越大，Po也越大。Po的增加是有限度的，為不產(chǎn)生

8、飽和失真或截止失真，應(yīng)使Icm和Vcem滿足下列關(guān)系式IcmICQ、VcemVG 因此，功率放大管集電極能夠輸出的最大不失真電流為，最大不失真電壓為，則最大輸出功率為這時，雖然未進入飽和或截止狀態(tài)，但由于三極管特性的非線性，輸出波形的失真仍較大。實際應(yīng)用時，為了使非線性失真減小到允許值，必須合理限制輸出功率。效率 功率放大器電路從直流電源吸收的功率是由電源端電壓和輸出電流決定的。直流電源端電壓是恒定的，而輸出電流的大小，取決于功率放大管的集電極電流iC。在無信號時，iC等于ICQ。有信號時，iC的正、負半周幅度相同，其平均值依然為ICQ。因此，功率放大電路從直流電源吸收的功率PG為可見，甲類功

9、率放大器從電源吸收的功率PG不隨輸入信號有無或強弱而變動。因此甲類功率放大電路的理想最大功率為即 甲類功率放大電路的最大不失真輸出功率僅為電源供給功率的一半，效率很低。三、推挽功率放大器1乙類推挽功率放大器甲類功率放大器因為靜態(tài)集電極電流大，所以效率低。如果采用靜態(tài)集電極電流為零的乙類功率放大就可以提高效率，但為了得到完整的輸出信號，必須使用兩個放大管輪流輸出，這就是乙類推挽功率放大器。（1）電路及其工作原理圖為推挽功率放大器，從圖可以看出，靜態(tài)時基極和發(fā)射極之間電壓為零，因此，IB=0，兩個管基本處于截止狀態(tài)。當(dāng)交流信號通過輸入變壓器T1時，在變壓器二次側(cè)兩端得到極性相反的兩個交流信號。在輸

10、入信號正半周時，V1的基極與發(fā)射極之間加正向電壓，V1導(dǎo)通，信號放大后，通過輸出變壓器T2在負載上得到一個正半周電流。V2因加反向電壓而截止。相反，輸入信號為負半周時，V1截止，V2導(dǎo)通，信號放大后，在負載上得到一個負半周電流，兩者通過輸出變壓器T2在負載上得到放大后的完整波形。（2）輸出功率和效率由于兩個功率放大管特性相同，為了研究方便，通常將兩個三極管的輸出特性曲線相互倒置畫。輸入端有輸入信號vi時，正半周V1導(dǎo)通，有iC1和vCE1輸出，而V2截止；負半周V2導(dǎo)通，有iC2和vCE2輸出，而V1截止。兩個半波合成就得到一個完整的放大信號。在整個信號周期內(nèi)，總有電流通過負載RL，如果忽略管

11、子的飽和壓降VCES，則合成的交流電壓和電流幅值為 式中為輸出變壓器與每只功率放大管相連部分一次線圈在工作時的交流等效阻抗。如輸出變壓器的一次線圈為N1匝，二次線圈為N2匝，則 其中：所以在滿額使用時乙類推挽功率放大電路的最大輸出功率為即 乙類推挽功率放大電路的工作效率，由于靜態(tài)集電極電流很小，所以效率較高。理論上乙類推挽功率放大電路的效率可達78%。2甲乙類推挽功率放大器在乙類推挽功率放大電路的輸出波形中，io在正、負半周交界處有交越失真，這是由于功率放大管不是在vBE0時截止的，實際上對于硅管來說在vBE=0.5時，三極管已經(jīng)處于截止。為了減少交越失真，應(yīng)該把靜態(tài)工作點稍微提高一點，也就是

12、給功率放大管少量的偏流IBQ。電路采取這種措施后，兩只管子的靜態(tài)工作點介乎于甲類和乙類之間，所以叫甲乙類推挽功率放大器。圖為甲乙類推挽功率放大電路，Rb1、Rb2、Re組成分壓式電流負反饋偏置電路，提供兩個管子的靜態(tài)電流IBQ。適當(dāng)調(diào)整偏置電阻的比值可選擇恰當(dāng)?shù)腎BQ和ICQ，通常取兩個功率管ICQ之和在24 mA之間。四、OTL功率放大器變壓器的功率放大電路存在著體積大，傳輸損耗及頻率失真大等缺點，因而出現(xiàn)了無輸出變壓器的功率放大電路，簡稱為OTL電路。1倒相式推挽OTL功率放大電路（1）電路結(jié)構(gòu)圖為用輸入變壓器倒相的OTL推挽功率放大電路。V1、V2是參數(shù)一致的NPN管，R1、R2和Re1

13、是V1的偏置電阻；R3、R4和Re2是V2的偏置電阻，它們應(yīng)保證三極管在靜態(tài)時ICQ很小，近于截止。Re1和Re2有電流負反饋作用，可以穩(wěn)定靜態(tài)工作點，并減小非線性失真。輸入變壓器T用作信號倒相耦合，在它的兩組二次線圈N1和N2上獲得兩個大小相等相位相反的信號vb1和vb2。（2）工作原理在靜態(tài)時，調(diào)節(jié)A點的電位為VG/2，則電容CL充電穩(wěn)定后兩端電壓也為VG/2，由于CL的隔直作用，負載RL上無電流。當(dāng)加入輸入信號vi后，在vi正半周時，vb1為正半周，使V1導(dǎo)通；同時vb2是負半周，V2截止。此時，ic1流過負載RL，它的流通方向如圖中實線，在RL上獲得放大的半周信號。在vi負半周時，vb

14、1為負半周，V1截止；同時vb2為正半周，V2導(dǎo)通，有電流ic2流過負載RL，它的電流方向如圖中虛線，在RL上獲得另一個半周信號。這樣兩個管輪流工作，在負載RL上就獲得了完整的放大信號。2互補對稱式推挽OTL功率放大器（1）電路結(jié)構(gòu)互補對稱式推挽電路是由兩個導(dǎo)電極性不同的三極管構(gòu)成，其中NPN型三極管對信號正半周導(dǎo)通放大，PNP型三極管對信號負半周導(dǎo)通放大。它們彼此互補，推挽放大一個完整的信號，不需要輸入變壓器對信號倒相。圖為互補對稱式推挽OTL功率放大器。V1是激勵放大管，也稱末前級放大管，它給功率輸出級以足夠的推動信號；RP1、R1、R2是V1的偏置電阻；R4、R3、RP2是V1的集電極負

15、載電阻；V2和V3是互補對稱推挽功率放大管，組成功率放大輸出級；C1是輸入耦合電容；C2是發(fā)射極旁路電容，它可減小信號的損耗；C3是輸出耦合電容，并充當(dāng)V3回路直流電源，它的容量較大。R4、C4組成“自舉電路”；RL為負載。 （2）放大原理當(dāng)輸入信號vi為負半周，經(jīng)過V1的一級放大在V2和V3基極獲得放大并倒相的信號正半周。它使V2的發(fā)射結(jié)變?yōu)檎鴮?dǎo)通，V3的發(fā)射結(jié)變?yōu)榉雌刂?。電流i2流通方向由V2經(jīng)C3、RL、+VG回到V2，圖中的實線。當(dāng)輸入信號vi為正半周時，通過V1的一級放大并倒相，是負半周信號。這時V2的發(fā)射結(jié)變成反偏，管子截止；V3的發(fā)射結(jié)變?yōu)檎嗥茫茏訉?dǎo)通并放大信號。電

16、流i3流通方向是由V3經(jīng)過RL、C3回到V3，如圖中虛線，此時電容C3上已充電電壓VG/2兼作電源。這樣兩個管輪流工作，在負載RL上得到完整的信號。這種互補對稱推挽電路由于不用輸入、輸出變壓器，頻率特性較好。（3）最大輸出功率由于互補對稱推挽OTL功率放大器也是工作在乙類推挽狀態(tài)，所以功率的計算方法與乙類推挽電路是相同的。互補對稱推挽OTL電路的最大輸出功率為五、OCL功率放大器OTL功率放大電路由于去掉了輸入和輸出變壓器，具有失真小的優(yōu)點，所以有“高保真”的稱號，是許多高保真擴音機常采用的功率放大電路。但是，OTL功率放大電路輸出電容式大容量的電解電容，由于容量大，電容的內(nèi)鋁箔卷繞圈數(shù)較多，呈現(xiàn)電感