功率放大电路概述及应用实例

模块六、功率放大电路;

一、功率放大电路概述;

1、功率放大电路的任务是在信号不失真或轻度失真的情况下，使负载获得最大功率。所以电路在设计与制作过程中应注意以下问题;

①功率放大器在多级放大器的末级，在集成功放和集成运放的输出级，最终推动的负载较重，如扬声器，电机，大功率线圈……等，所以工作电压和电流都较大。

②功放管在大信号(大电压，大电流)状态下工作，工作时的电压，电流接近于功放管的极限参数(ICM,UBR(CEO),RCM)所以要充分考虑散热问题。失真，过压，过流保护问题。

③输出功率是指功放输出交变电压和交变电流的乘积，即交流输出功率。因为输出功率大，则消耗在电路上的能量也多，电源需要提供的能量就多，所以效率对功放来说极其重要。总的概括起来就是要求功率放大器在保证晶体管，场效应管安全使用下，获得尽可能大的输出功率，尽可能高的效率和尽可能小的非线性失真。

2、恒量功率放大器的主要技术指标与测量方法;

第一类指标;输入幅值已定，频率已定时的性能;

①电压放大倍数及电压放大倍数调节范围;

由Au=Uo/Ui可知，可按以下两种方法计算可得Au.

#分别用示波器测量最大不失真输出电压状态下的Uip-p与Uop-p，记录后计算。

#分别用毫伏表测量最大不失真输出电压状态下的Uo与Ui，记录后计算。

②输入电阻Ri，输出电阻Ro;

第二类指标;输入信号频率不变而幅值改变的性能;

③最大不失真输出幅值与最大不失真输出功率;

#最大不失真输出幅值Uom/Uomp-p(要求接上负载RL)

测量方法;

输入信号的频率保持不变，输入信号的幅值逐步增大，用示波器观察输出信号的波形。当输入信号的幅度增大到输出信号波形出现失真时，即为最大不失真输出幅值Uomp-p(注意示波器测量的结果为峰一峰值，毫伏表测量结果为有效值)

#最大不失真输出功率Pom;∵P=UI=I ² R=U ²/R ∴Pom=Uom ²/RL

④电源消耗的功率PDC;

测量方法;在测量Uom的基础上，断开电源，接入电流表，测量功放在Uom状态下流过的最大电流Icm。PDC=VCC*Icm

⑤功率放大器的效率;

定义为最大不失真输出功率与电源所消耗的功率PDC之比;

即η=Pom/PDC*100%

第三类指标;输入幅值不变，而输入信号频率改变的性能。

⑥功率放大器的通频带fBW;

测量方法;

输入信号幅值保持不变，频率增大或减小时，功率放大器的输出电压幅值下降到最大不失真电压幅值Uomp-p的1/1.414(0.707)时所对应的频率范围。

二、甲类功率放大器;

模块四中所介绍的小信号放大器，在输入信号的整个周期内部都有静态电流，这种工作方式称为甲类功放。

1、阻容耦合甲类放大器;

Ucem=1/2*VCC*ICM=ICQ PDC=VCC*ICQ
Po=Ucem/1.414*ICM/1.414=1/2*Ucem*ICM
=1/4*VCC*ICQ
∴η=Po/PDC*100%=25%

所以甲类功放电源所提供的能量大部分消耗在管子和电阻上，因此它的效率低。

2、变压器耦合单管甲类功放;

Ucem=VCC ICM=ICQ PDC=VCC*ICQ
Po=1/2Ucem*ICM=VCC*ICQ
∴η=Po/PDC*100%=50%

上式效率是没有考虑变压器效率时电路的总效率。

#从甲类放大器中，看到静态电流是造成管耗的主要原因，为了提高效率应减少静态电流。

三、推挽功率放大器;

甲类功放因静态电流大，所以效率低，如果采用静态时，集电极电流为零的乙类功放可提高效率，但为了得到完整波形，必须用两管轮流输出，这就是乙类推挽功率放大器。

Ucem=VCC Icm=VG/RL’
Pom=1/2(VCC/RL’)VCC=VCC²/2RL
POC=2/π*VCC ²/RL
η=Pom/PDC=VCC ²/2RL/2VCC ²/ΠRL
=VCC ²/2RL*πRL/2VCC ²=π/4
η=78%

乙类推挽功率放大器在静态时的电流很小，所以效率很高。

理论证明，乙类推挽功率放大器的理想最大效率为，比甲类的提高了很多，但是乙类推挽功率放大器，由于基极无加静态偏置，输出在正，负半周交界处有交越失真。

四、甲，乙类推挽功率放大器;

因为乙类功放在输出正、负半周交界处有交越失真，这是由于静态时UBE=0造成的。为了减小交越失真，应该给V1,V2提供少量的偏流IBQ，这种电路的静态工作点介于甲类和乙类之间。所以叫甲乙类推挽功放，图中Rb1,Rb2,Re组成分压式电流反馈偏置电路，为V1,V2提供静态偏置电流IBQ，一般Re取值很小，零点几欧到几欧之间，ICQ≈2~4mA(小功率管)

五、互补对称无变压器输出(OTL)功放电路;

变压器耦合乙类，甲乙类推挽功率放大器已解决了甲类功放效率低的问题，且可实现阻抗变换，缺点是体积庞大，笨重，消耗有色金属，低频，高频特性都比较差。无变压器输出功放电路(OTL)用一个大电容代替变压器，用NPN，PNP对管。

特点;

①单电源供电。
②中点静态电位必须等于1/2VCC。
③V1,V2两管互补对称。

由于一般情况下功率放大器的负载电流都很大，电容容量选为几千UF，且为电解电容，电容容量越大，电路低频特性越好，但是当容量大到一定程度时，存在漏阻和电感效应，低频特性将变差。

六、无电容输出(OCL)功放电路;

OTL去掉了变压器，具有失真小，是功放高保真扩音机常用的电路，但OTL输出用大容量电容，存在漏阻和电感效应，对不同频率信号会产生不同相移，输出信号有附加失真，为消除这一缺点，出现了无电容输出功放电路OCL。

特点;

1.双电源供电。
2. 中点静态电位必须等于0。
3.V1,V2两管互补对称。
4. 前级应有防零漂的差分放大器。

七、桥式推挽功率放大器(BTL)电路;

在OCL中采用了双电源供电，所以为了实现单电源供电，且不用变压器和大电容，最终解决方案是桥式推挽功率放大器(BTL)电路。

#电路原理;图中四个功放管特性理想对称，静态时均处于截止状态，RL上的电压为0，输入为正弦波信号时，正半周时，Ui+为⊕，Ui-为Θ，V1,V3管导通，V2，V4管截止，负载上获得正半周电压;负半周时Ui+为Θ，Ui-为⊕，V2,V4管导通，V1,V3管截止，负载上获得负半周电压。BTL的输出功率是OCL,OTL的4倍。

八、功放电路中的特殊单元电路;

1、音调控制电路;

功放电路中的高低音调节控制器主要是控制，调节功率放大器的幅频特性。

理想的控制曲线如图所示，图中fo(设=1KHZ)表示中音频频率要求增益AVD=0dB;fL1表示低音频转折(或截止)频率，一般为几十赫兹，fL2=10 fL1表示低音频区的中音频转折频率;fH1表示高频转折(或截止)频率，一般为几十千赫兹，fH1=10fH2高音频区的中音频转折频率。

曲特性曲线图可知，音调控制器只对低音频与高音频的增益进行提升或衰减，中音频的增益保持0dB不变,因此音频控制电路可由低通滤波器与高通滤波器组成，下面以实例进行简要分析;

设电容C1=C2≥C3，在中低频区，C3可视为开路，在中，高频区，C1,C2可视为短路。

①当f＜fo(低频区)，由于C3相当于开路，所以电路可以等效为2个电路，低频提升和低频衰减。

左图中，增益表达式为;Au=Uo/Ui= -(RP1+R2)/R1*(1+(jw)/w2)/ (1+(jw)/w1),其中W1=1/RP1*C2或fL1=1/2ΠRP1*C2,W2=(RP1+R2)/RP1*R2*C2或fL2=(RP1+R2)/ 2πRP1*R2*C2.

右图中，增益表达式为;

Au=Uo/Ui=-R2/(RP1+R1)*(1+(jw)/w1)/ (1+(jw)/w2)。

②当f>fo(高频区)，由于C1,C2相当于短路，所以可以将电路等效为如下电路，此时R4,R1,R2组成星形连接，将其转换成三角形连接，其电阻转换关系式为Ra=R1+R4+R1*R4/R2,Rb=R4+R2+R2*R4/R1,Rc=R1+R2+R1R2/R4

若取;R1=R2=R4,则;Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4

左图中增益表达式为;Au=Uo/Ui= -Rb/Ra*(1+(jw)/w3)/ (1+(jw)/w4),其中W3=1/(Ra+R3)*C3或fH2=1/2Π(R3+Ra)*C3,W4=1/R3C3 或fL1=1/2Π*R3*C3

#高低音音调控制电路应用实例;

①原理;在低音区，C1,C2,C3可视为开路，此时电位器RP2基本不起作用，当RP1滑向最左边时，放大器的输入电阻减小，反馈电阻增大，放大器的闭环增益增大，低音得到提升，当RP1滑向最右边时，放大器的输入电阻增大，反馈电子减小，放大器的闭环增益减小，低音得到衰减。

在高音区C1,C2,C3可视为短路，此时RP1被C1,C2交流短路，调节RP1对高频信号基本不起作用，当RP2滑向最左边时，放大器的输入电阻减小，反馈电阻增大，高音得到提升，当RP2滑向最右边时，放大器的输入电阻增大，反馈电阻减小，高音得到衰减。

在中音区，由于C1，C2大于C3，对于中频信号来说C2,C1相当于短路，C3相当于开路，所以RP1，RP2对中频信号均不起作用。

#高低音音调控制电路应用实例;

②简要原理;Ui送入音频信号，经C1耦合到由V1组成的射极跟随进行电压跟随和阻抗变换，V1的发射极输出信号经高低音调控制电路提升或衰减之后，由C5耦合到V2进行电压放大，最终经C耦合RP4音量调节输出音频信号。在高低音调控制电路中C4,C6具有通高阻低作用，所以RP2是高音控制电位器，相反在低音区C7,C8,C4,C6相当于开路，所以RP1是低音控制电位器。

#高低音音调控制电路应用实例;

③#简要原理分析;在低音区，C1,C2,C3,C4可视为开路，此时电位器RP2不起作用，当RP1滑至最上端时，分得的电压最大，Uo1输出幅度最大，当RP1滑至最下端时，分得的电压最小，Uo1输出幅度最小。

在高音区，C1,C2,C3,C4可视为短路，此时调节电位器RP1对高音不起作用，当RP2滑向最右边时，分压最大Uo1输出幅度最大，当RP2滑向最右边时，分压最小，Uo1输出幅度最小。

在中音区，由于C1,C2, ≥C3,C4,对于中频信号来说C1,C2相当于短路,C3,C4相当于开路，RP1,RP2均不起作用。

2、消除交越失真的互补输出级;

在互补对称无变压器输出(OTL)功放电路中，由于静态时两管均处于截止状态，在输出正负半周的交界处会存在交越失真，消除交越失真的方法是设置合适的静态工作点，且只能使三极管静态时处于临界导通或微导通，以提高效率。

在左图中，静态时，电源+VCC经R1,D1,D2,R2到-VCC形成一个直流电流，使V1,V2三极管的两个基极产生一个电压UB1B2=UD1+UD2，若二极管与三极管的材料相同，则T1,T2处于微导通状态。由于二极管的动态电阻很小，可以认为V1,V2的基极动态电位接近相等，且均为Ui,即Ub≈Ub2≈Ui.

为更好消除交越失真，实现温度补偿可采用UBE倍增电路，在左图中，I4≥IB 即I3≈I4所以;UB1B2≈UCE≈(R3+R4)/R4*UBE=(1+R3/R4)*UBE。

合理选择R3，R4可以得到UBE任意倍数的值流电压，故称为UBE倍增电路，当然在最后级的V1,V2常采用复合管互补输出，以减小前级驱动电流，也加大驱动能力。

3、语音放大器与混合前置放大器;

#简要原理分析;如上图所示由话筒放大与混合前置放大两级电路组成，其中A1组成同相比例运算放大器，具有较高的输入阻抗，能与高阻话筒配接作为话筒放大电路，其放大倍数为Au1=1+R2/R1，混合前置级放大器的电路由运放A2组成，这是一个相加法比例放大电路，其Uo的表达式为;

Uo= -[(R3/R4)*Uo1+(R3/R5)*Ui2]。

4、自举电路;

①当Ui=0时，UD≈VCC-IC3*R5，而A点电压UA=1/2VCC,电容C5两端的电压被充到Uc5=1/2VCC-IC3*R5.

②当Ui为负半周时，V1导通，VA由1/2VCC向大于1/2VCC的方向变化，根据UD=Uc5+VA，所以当VA上升时，UD也升高。

③当Ui足够大，且在负半周的最大值时，V1饱和导通，UCE≈0，则VA上升到≈VCC,UD=Uc5+VA= Uc5+VCC,所以D点的电位在瞬时时刻比电源电压还高，故称为自举电路。

④在Ui为正半周时，U1截止，D点电压通过R3,R4给V2基极提供足够的电压，使输出电压正半周最大幅值达到1/2VCC。

结论;在功率电路中引入自举电路的目的就是，抬高D点电位，使输出电压在正半周和负半周的最大幅值都能达到1/2VCC，以提高电路效率和失真。

九、功放电路实用实例;

1、有变压器输出耦合甲乙类功率放大器;

2、复合管OTL甲乙类功率放大器;

V5;前置放大器，工作于甲类状态;

RP1;调节中点电位=1/2VCC;

*RP2;调节V1,V2,V3,V4的静态电流，注意电流大小变化，容易烧坏V3~V4,R2,C2自举电容，抬高B点电位，以减小大信号时的顶部失真，V1,V2组成NPN复合管，V3，V4组成PNP复合管。

3、集成运放与晶体管组成的OCL功率放大器;

①电路工作原理;

V1,V2组成复合NPN管，V3,V4组成复合PNP管，R4,RP2,D1,D2,R5是给复合管提供合适的基极偏置电压，静态电流Io=(2VCC-2VD)/(R4+R5+RP2)，为了满足小静态功耗和克服交越失真，静态时V1,V3应工作在微导通状态，即满足关系式;VAB=VD1+VD2≈VBE1+VBE3.一般RP1取值为几百欧或1K精密电位器，R8,R9，为反馈电阻，R10,R11为平衡电阻，R12,C3为消振网络，可改善负载的高频特性，Io一般取值为1~3mA以使V2,V3工作于甲乙类状态，电路的电压放大倍数Au≈1+(RP1+R3)/R2。

②静态工作点设置;

电路的静态工作点主要由Io决定，Io过小会使V2，V4工作于乙类状态，出现交越失真，Io过大会使静态功耗增大而效率降低，Io一般对于数瓦的功放取值为1~5mA，以便V2,V4工作于甲乙类状态。

4、桥式推挽功率放大电路BTL;