第五章  功率放大电路

 

1．关于“功率放大电路与电压放大电路的比较”

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，要求带负载能力要强。具体来说，有以下方面的区别：

A).本质相同

电压放大电路或电流放大电路：主要用于增强电压幅度或电流幅度。

功率放大电路: 主要输出较大的功率。

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。

因此，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。区别只不过是强调的输出量不同而已。

B). 任务不同

电压放大电路：主要任务是使负载得到不失真的电压信号。输出的功率并不一定大。

在小信号状态下工作.

功率放大电路：主要任务是使负载得到不失真（或失真较小）的输出功率。

在大信号状态下工作。

   C).指标不同

电压放大电路：主要指标是电压增益、输入和输出阻抗.

功率放大电路：主要指标是功率、效率、非线性失真。

   D).研究方法不同

电压放大电路：图解法、等效电路法

功率放大电路：图解法

 

2.关于“功率放大电路中需要讨论的特殊问题 ”

一般来说，在功率放大电路中，要求功率放大器：

A). 功率要大：管子往往在接近极限运用状态下工作。

B). 效率要高：它代表了电路将电源直流能量转换为输出交流能量的能力.

C). 失真要小：在功率放大电路中, 输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。

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。

D）.散热要好：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。

 

3．关于“提高功率放大器效率的主要途径”

   效率η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的比值。一般来说，效率可由下式定义

          η= Po/ Pv

          Pv= Po + PT

要提高效率，就应消耗在晶体管上的功率PT ,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。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。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，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%。

提高效率的主要途径是减小静态电流从而减少管耗。

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。

 

4．关于“功率BJT的选择”

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BJT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BJT安全工作，BJT的参数必须满足下列条件：

（1）    每只BJT的最大管耗PT1max≧0.2 Pomax

（2）    通过BJT的最大集电极电流为Icm ≧Voc/ RL

（3）    考虑到当T2导通时，-vCE2 =VCES≈ 0 ，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。

 

5．关于“乙类互补对称功率放大电路的交越失真 ”

理想情况下，乙类互补对称电路的输出没有失真。

实际的乙类互补对称电路（图1），由于没有直流偏置，只有当当输入信号vi大于管子的门坎电压（NPN硅管约为0.6V，PNP锗管约为0.2V）时，管子才能导通。当输入信号vi低于这个数值时，T1和T2都截止，ic1和ic2基本为零，负载RL上无电流通过，出现一段死区，如图1所示。这种现象称为交越失真。

         

图1  乙类互补对称功率放大电路的交越失真

图中，流入T4的基极电流远小于流过R1、R2的电流，则由图可求出

VCE4=VBE4（R1+R2）/R2

由于VBE4基本为一固定值（硅管约为0.6~0.7V），只要适当调节R1、R2的比值，就可改变T1、T2的偏压VCE4值。

    Vce4就是T1、T2的偏置电压

这种电路称为VBE扩展电路

 

6．关于“自举电路的认识”

（1）电路

如果把图1中D点电位升高，使VD >+VCC，例如将图中D点与+VCC的连线切断，VD由另一电源供给，则问题即可以得到解决。通常的办法是在电路中引入R3、C3等元件组成的所谓自举电路，如图2所示。

图6 有自举电路单电源互补对称电路

（2）工作原理

在图6中，当vi =0时，vD= VD= VCC-Ic3 R3 ，而vK= VK= VCC/2，因此电容T1两端电压被充电到VC3= VCC/2 - Ic3 R3。

当时间常数R3C3足够大时，vC3（电容C3两端电压）将基本为常数（vC3≈VC3），不随vi而改变。这样，当vi为负时，T1导电，vK将由VCC/2向更正方向变化，考虑到vD= vC3+ vK= VC3+ vK ，显然，随着K点电位升高，D点电位vD也自动升高。因而，即使输出电压幅度升得很高，也有足够的电流iB1，使T1充分导电。这种工作方式称为自举，意思是电路本身把vD提高了。