如何分析乙类功率放大器

知识储备

1.功率放大电路的特点

功率放大电路简称功放，它和其他放大电路一样，实际上也是一种能量转换电路，这一点它和前面学的电压放大电路没有本质区别。但是它们的任务是不相同的，电压放大电路属小信号放大电路，它们主要用于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。而功放通常在大信号状态下工作，它的主要任务是为了获得尽可能大的输出功率，输出信号去驱动实际负载，如扩音器、音响放大器中的扬声器，电视机中的显像管等。因此，功率放大电路就有了不同于电压放大电路的特点，这些主要特点如下。

1）输出功率Po足够大

为了获得足够大的输出功率，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，所以，功放管工作在接近极限运用的状态下。

输出功率Po等于输出电压与输出电流的有效值乘积，即

最大输出功率Pom是在电路参数确定的情况下，输出波形不超过规定的非线性指标时，负载上可能获得的最大交流功率。

2）效率（Efficiency）η要高

3）非线性失真（Total Harmonic Distortion，THD）要小

功率放大电路是在大信号状态工作，所以输出信号不可避免地会产生非线性失真，而且输出功率越大，非线性失真往往越严重，这使输出功率和非线性失真成为一对矛盾。但在实际应用时不同场合对这两个参数的要求是不同的。例如，在工业控制系统中，主要以输出足够的功率为目的，对非线性失真的要求不是很严格，但在测量系统和音响设备中非线性失真就显得非常重要了。

为衡量非线性失真的程度，常用THD来描述，即

式中，Im1、Im2、Im3…和Um1、Um2、Um3…分别表示输出电流和输出电压中的基波分量和各次谐波分量的振幅。

4）功放管需散热和保护

在功率放大电路中功放管承受着高电压大电流，其本身的管耗也大，在工作时，管耗产生的热量使功放管温度升高，当温度太高时，功放管容易老化，甚至损坏。通常把功放管做成金属外壳，并加装散热片。同时，功放管承受的电压高、电流大，这样损坏的可能性也比较大，所以常采取过载保护措施。

功率放大电路的主要技术指标为最大输出功率Pom和效率η。

2.功率放大电路的种类

按照输入信号频率的不同，功率放大电路可分为低频功率放大和高频功率放大电路。

低频功率放大电路常常又可以按照以下几种方式分类。

1）按照功率放大电路与负载之间的耦合方式不同分类

（1）变压器耦合功率放大电路。

（2）阻容耦合功率放大电路，也称为无输出变压器功率放大电路，即OTL（Output Transformer Less）功率放大电路。

（3）直接耦合功率放大电路，也称为无输出电容功率放大电路，即OCL（Output Capacitor Less）功率放大电路。

（4）桥接式功率放大电路，即BTL功率放大电路。

2）根据功放电路是否集成分类

可分为分立元件式和集成功放。

3）按照三极管静态工作点选择的不同分类

可将功率放大电路分为以下几类，其静态工作点的位置及波形如图4.27所示。

（1）甲类功率放大电路。三极管工作在正常放大区，且Q点在交流负载线的中点附近；输入信号的整个周期都被同一个晶体管放大，所以静态时管耗较大，效率低（最高效率也只能达到50%）。

（2）乙类互补对称功率放大电路。工作在三极管的截止区与放大区的交界处，且Q点为交流负载线和iB=0的输出特性曲线的交点。输入信号的一个周期内，只有半个周期的信号被晶体管放大，因此，需要放大一个周期的信号时，必须采用两个晶体管分别对信号的正负半周放大。在理想状态下静态管耗为零，效率高。

（3）甲乙类互补对称功率放大电路。工作状态介于甲类和乙类之间，Q点在交流负载线的下方，靠近截止区的位置。输入信号的一个周期内，有半个多周期的信号被晶体管放大，晶体管的导通时间大于半个周期小于一个周期。甲乙类功率放大电路也需要两个互补类型的晶体管交替工作才能完成对整个信号周期的放大。

图4.27　各类功率放大电路的静态工作点及其波形

（a）工作点位置；（b）甲类波形；（c）甲乙类波形；（d）乙类波形

（4）丙类互补对称功率放大电路。它的工作点在截止区，晶体管的导通时间小于半个周期，它属于高频功放，多用于通信电路中对高频信号的放大，在此不做介绍。

前面学习的小信号放大电路基本上都工作在甲类状态，下面将要分析的OCL、OTL功率放大电路工作在乙类或甲乙类状态。

3.乙类功率放大器

1）乙类OCL功率放大电路组成和工作原理

图4.28所示的功率放大电路是由两个射极输出器组成的，VT1和VT2分别为NPN型管和PNP型管，两管的材料和参数相同（即特性对称），且电源由+VCC和-VCC对称的双电源提供。图中，两管基极没有偏置电流，静态损耗为0，电路工作在乙类工作状态，信号从基极输入，从射极输出，RL为负载，输出端没有耦合电容。所以，把图4.28所示电路称为无输出电容的乙类功率放大电路，简称乙类OCL功率放大电路。

图4.28　乙类OCL功率放大电路原理

设两管的死区电压均等于零，由于电路对称，当输入信号ui=0，则各三极管的集电极电流iCQ=0，两管均处于截止状态，故输出uo=0。当输入端加一正弦交流信号，在正半周时，由于ui＞0，即VT1发射结正偏导通、VT2反偏截止，iC1流过负载电阻RL，即VT1把信号的正半周传递给RL；在负半周时，由于ui＜0，VT1发射结反偏截止、VT2正偏导通，电流iC2通过负载电阻RL，但方向与正半周相反。

VT1、VT2管交替工作，轮流导电，组成推挽式电路，流过的RL电流为一完整的正弦波信号，这样能解决效率与失真的矛盾。同时由于两个管子互补对方的不足，工作性能对称，所以这种电路通常称为乙类OCL互补对称功率放大电路。

2）主要性能指标估算及功放管的选择

（1）输出功率Po。

在OCL电路中，当输入正弦信号时，每个功放管只在半个周期内工作，在不考虑失真的情况下，输出电压是一个完整的正弦信号。输出功率是输出电压有效值Uo和输出电流有效值Io的乘积，即

乙类OCL互补对称电路中的VT1、VT2为共集电极状态，即Au=1。所以，当输入信号足够大，功放管将进入临界饱和工作区，输出电压将达到最大值。其最大输出电压的幅度Uom=VCC-UCES，其中UCES为功放管的临界饱和压降，通常忽略不计，所以Uom≈VCC，最大输出功率为

（2）直流电源提供的功率Pv。

两个电源各提供半个周期的电流，则每个电源提供的平均电流为

因此两个电源提供的功率为

因在输出功率最大时Uom≈VCC，此时电源提供的功率也最大。

（3）效率η。

当Uom≈VCC时，则

这是OCL电路在理想状态下的最高效率，由于功放管的饱和压降的存在，实际的OCL电路仅能达到60%左右。

（4）管耗Pc。(www.xing528.com)

直流电源提供的功率Pv，一部分转化为输出功率Po，另一部分转化成热能损耗在三极管上，这部分能量称为管耗PC。总的管耗为

可见管耗与输出电压有关。工作在乙类的基本互补对称电路在静态时，输出电压为零，同时管子几乎不取电流，管耗接近于零。当Uom≈0.64 VCC时，三极管的管耗最大，其值为

每个管子的最大管耗PC1max为总管耗最大值PCmax的一半，即

（5）功放管的选择。

互补对称电路的功放管必须选用材料和特性相同的NPN和PNP管。功放管的选择原则是在满足输出功率和安全的前提下，确保不超过其极限参数。应同时满足下列条件，即

自测习题

1.填空

（1）功率放大器按静态工作点位置不同可以分为___________、_____________、______________、_____________。

（2）乙类互补对称功率放大电路是由一对特性相同的________和________的三极管组成。

（3）互补对称功率放大器中OCL电路是__________（单、双）电源供电，输出______（有、无）电容。

2.选择

（1）以下（　　）功率放大电路的能量转换效率最高。

A. 甲类　B. 乙类　C. 甲乙类

（2）以下（　　）功率放大电路输入信号在整个周期内导通。

A. 甲类　B. 乙类　C. 甲乙类

（3）以下（　　）功率放大电路输入信号在半个周期内导通。

A. 甲类　B. 乙类　C. 甲乙类

（4）根据题2（4）图所示的静工作点的位置，可判断出该功放电路属于（　　）。

A. 甲类　B. 乙类　C. 甲乙类

题2（4）图

（5）在理想情况下，乙类推挽功率放大器的最高效率可以达到（　　）。

A.75%　B.50%　C.78%　D.78.5%

（6）功率放大电路采用乙类工作状态是为了（　　）。

A. 提高输出功率　B.提高放大倍数

C. 提高效率　D. 提高负载能力

3.判断

（1）对功率放大电路的基本要求是在不失真的情况下能有尽可能大的功率输出。（　　）

（2）在功率放大电路中，输出功率越大，功放管的功耗越大。（　　）

4.分析

双电源乙类互补对称电路如题4图所示，已知电源电压12伏，负载电阻10欧，输入信号为正弦波。

问：（1）晶体管UCES忽略不计的情况下，求负载上可以得到的最大输出功率。

（2）每个功放管上允许的管耗？

（3）功放管的耐压是大于12 V还是24 V？

题4图