功率放大器基础知识详解
功率放大器基础知识详解

功率放大器的特点及分类

一个实用的电子放大系统都是一个多级的放大电路，在实际应用中，要求这种多级放大电路的输出级能带动一定的负载，如使扬声器发出声音；推动电动机旋转；使电视机中荧光屏上的光点随信号偏转；使蜂窝移动系统中的基站发射机中的天线有较大的辐射功率等等。这就要求多级放大电路的输出级能够给负载提供足够大的信号功率，我们一般将这样的输出级称为功率放大器，简称功放。

虽然功放与电压放大电路没有本质的区别，但应注意到，它们所要完成的任务是不同的。电压放大电路的目标是使负载得到较大的不失真的电压信号，它是“小信号”放大，以微变等效电路分析方法为主。而功放的目标是向负载提供足够大的功率，它工作于“大信号”状态，通常采用图解法来分析。

6.1.1 功率放大器的特点

1.输出功率要大

功率放大器的主要任务是在允许的非线性失真范围内，尽可能大的输出交流功率以推动负载工作。为此，功放管一般工作在大信号状态，以不超过管子的极限参数（ICM、

U（BR）CEO、PCM）为限度，因此功放管安全工作就成为功放的重要问题。

2.效率η要高

功率放大器的输出功率是由直流电源功率转换而来的。在转换过程中，一部分转换为负载的有用功率，即输出功率；另一部分则成为晶体管的损耗，使集电结发热。通常把这种转换称为功率放大器的效率，用η表示。

η=Po/Pe*100﹪ (6.1)

式中，Po为放大器向负载提供的交流输出功率；

PE为直流电源提供的直流功率。

功放要求高效率地工作，一方面是为了提高输出功率，另一方面是为了降低管耗

Pc=Pe-Po (6.2)



管耗过大将使功放管发热损坏。所以对于功放提高功率也是一个重要问题。



3.非线性失真要小

功率放大电路是在大信号下工作的，信号的作用范围接近晶体管的截止区和饱和区，将使功率放大器不可以避免地产生较大的非线性失真。而且同一功率管输出功率越大，非线性失真往往越严重。因此，功率放大器的输出功率，就是在规定的非线性失真范围内的最大输出功率。

4.功率管的散热和保护

(1) 功率管的散热

在功放中，晶体管的集电结消耗较大的功率使结温和管壳温度升高。当温度超过手册中规定的允许结温时，管子就会因过热而不能正常工作，甚至损坏。要充分发挥管子的潜力，就要创造一个良好的散热条件，使热阻减小，最常用的是加装散热片。散热片是由导热性能良好的金属铝制成的，其散热能力与散热片的面积、厚度、形状、放置方式、环境温度有关。此外，为了得到较好的散热效果，必须保证散热片与管壳有良好的接触，有效的接触面积尽可能大，散热片应涂成黑色，以易于吸热、散热。

(2) 功放管的保护电路

在功放电路中，为了输出较大的信号功率，功放管往往工作在大电流和高电压的情况下，功放管损坏的几率比较大，采取措施保护功放管也是功放电路要考虑的问题。限制管耗的常用方法是限制流过功放管的输出电流I0，针对这一思路，我们有相应的保护电路，这里举一个常见的二极管输出限流保护电路为例。

如图6.2所示电路中采用二极管输出限流保护电路。D3、D4是附加的限流二极管。正常情况下， D3、D4不起作用。如果正向电流过大，则RE2上的压降增大，使D3正向偏置，由截止变为导通，从而分去T2的一部分基极电流，使输出电流减小。最大输出电流约为

IcMax=Ud2/Re2 (6.3)

如果设UD3≈0.6V，RE2=10V，则IOMAX≈60MA。由于D3≈16V，具有负的温度系数，因此当环境温度升高时，二极管的正向电压降低，从而使输出电流的最大值也相应减小，这也有利于控制功放管的结温不致于升高。如果负向电流过大，则D4导通，其保护原理不再赘述。

6.1.2 功率放大器的分类

如按放大信号的工作频段划分，可分为低频功率放大器及高频功率放大器。低频功放用

于放大音频范围（几十赫～几十千赫）的信号；高频功率放大器是用来放大几百千赫～几千兆赫的高频信号。如按工作频带的宽窄划分，又可分为窄带功率放大器和宽带功率放大器。前者由于使用选频网络作为输出回路，所以又称为谐振功率放大器，而宽带功放的输出回路则是非调谐的负载如电阻或变压器等。如按晶体管的工作状态划分，功率放大器可分为甲类、乙类、甲乙类和丙类四种工作状态。

(1) 甲类工作状态

在甲类工作状态下，功率放大器的静态工作点Q选在晶体管的放大区，且信号的作用范围也限制在放大区内，如图6.3(a)所示。此时在输入信号的整个周期内，放大器均有集电极电流。

(2) 乙类工作状态

在乙类工作状态下，功率放大器的静态工作点Q选在晶体管的截止区边缘，信号的作用范围一半在放大区，另一半在截止区，如图6.3(b)所示。此时只有输入信号的半个周期内，放大器有集电极电流。



(3) 甲乙类工作状态

甲乙类工作状态是介于甲类和乙类之间的工作状态。其静态工作点选在靠近截止区的位置，信号的作用范围大部分在放大区，少部分在截止区，如图6.3(c)所示。此时仅在输入信号的多半个周期内，放大器有集电极电流。

(4) 丙类工作状态

丙类工作状态，功率放大器的静态工作点Q选在晶体管的截止区内，信号的作用范围大部分在截止区，少部分在放大区，如图6.3(d)所示。此时仅在输入信号的少半个周期内，放大器有集电极电流。



?由图6.3可以看出，在相同激励信号作用下，丙类功放集电极电流的流通时间最短，一个周其平均功耗最低，而甲类功放的功耗最高。分析表明，相同输入信号下如果维持输出功率不变，4类功放的效率满足：η甲<η甲乙<η乙<η丙。理想情况下，甲类功放的最高效率为50﹪，乙类功放的最高效率为78.5﹪，丙类功放的最高效率可达85﹪～90﹪。但丙类功放要求特殊形式的负载，不适用于低频。低频功率放大器只使用前3种工作状态。

6.2 低频功率放大器

工作在甲类的功放虽然非线性失真小，但效率太低。所以除了作末级功放的推动级外，很少用作末级功放。乙类和甲乙类放大电路的功率转换效率较高，但都存在着波形失真的问题，解决失真问题的方法是：用两个工作在乙类状态下的放大器，分别放大输入的正、负半周信号，同时采取措施，使放大后的正、负半周信号能加在负载上面，在负载上获得一个完整的波形。利用这种方式工作的功放电路称为乙类互补对称电路，也称为推挽功率放大电路。

推挽功率放大电路有单电源和双电源两种类型。单电源的电路通常称为OTL(无输出变压器)功率放大器，双电源的电路通常称为OCL(无输出电容)功率放大器

6.2.1 乙类互补对称功率放大器（OCL电路）

1.OCL电路组成及工作原理

乙类互补对称功放是由两个射极输出器，如图6.4所示。由于管子T1和T2发射结都未加偏置，故当输入信号ui=0时，两个管子都截止，即工作于乙类状态。



很明显，当输入信号为正半周时，T1导通T2截止，输出电流ie通过负载RL；而在负半周时，T2导通T1截止，输出电流 通过负载RL，波形如图所示，可见，利用两只特性对称的反型管子（一个为NPN型，另一个为PNP型），把它们的基极相连作为输入，射极相连作为输出。在输入信号的作用下，T1和T2轮流导通，每管各承担半个周期的放大任务，就像两个人拉锯似的，你推我拉（挽），所以把这种工作方式称为推挽方式。

在电路中，由于T1、T2互相对称，交替工作，相互补充，共同完成放大功能，所以称该电路为乙类互补对称功率放大电路。这种电路又称为无输出电容的功率放大电路，即OCL（Output Capacitor Less）电路。

2.OCL电路性能分析

功率放大器在工作时，信号的作用范围将进入晶体管的非线性区，甚至工作于强非线性区内。所以晶体管不能近似等效为一个线性器件了，因此，通常都采用图解法来分析。

为了便于分析，假设T1与T2管的特性完全相同，且将T2管的特性曲线倒置在T1管的右下方，并令二者在Q点，即uce=Ucc处重合，形成T1和T2管的合成曲线，如图6.5所示。





(2) 电源供给功率(PE)

在乙类互补对称功放中，当无信号输入时,两管集电极电流ICQ均为零，电源不提供功率，此时PE=0。在有信号输入时，两管交替工作，这时电源将提供功率，而且随输入信号的增强，集电极电流iC1及iC2幅度的增长，电源提供的功率要增加，欲计算电源供给功率，就必须求出通过单电源的电流平均值（即直流分量）。如输入信号为正弦波，则

(3) 管耗（PC）

电源供给功率一部分转换成有用功率输出了，而另一部分则以发热的形式消耗在晶体管上。因此，电源供给功率与输出功率之差，就是集电极管耗，又称管耗，用PC表示。两个管子的总管耗为

PC = PE－Po (6.8)

每只功率管的管耗为

PC1 = PC2 =1/2(PE－Po) (6.9)

必须指出，乙类互补对称功放，在输出最大功率时，管耗并不是最大。也就是说，集电极最大管耗不是出现在输出最大功率时，这是因为当输入信号的大小变化时，输出功率和电源供给功率都在变化，所以它们的差值，即管耗亦在随输入信号变化，其规律为





(4) 效率（ η ）

输出功率Po与电源供给功率PE的比值称为晶体管集电极的转换效率，用表示。

η=Po/Pe (6.13)

当晶体管输出最大功率时，由于Ucem≈Ucc, 所以这时的转换效率也最高

ηmax=∏/4=75% (6.14)

实际上，在考虑饱和压降与穿透电流等因素后，晶体管的转换效率会有所降低，通常为60﹪左右，但总比甲类功放要高得多。

(5) 功率管的耐压

在有激励信号且乙类推挽放大器其中一管处于截止状态时，功放管集电极与发射极之间承受的反向电压较大，它等于电源电压和输出电压幅度之和。当Ucem≈Ucc时，反向电压最大，即



6.2.2 交越失真及甲乙类互补对称功率放大电路

1.交越失真

在乙类互补对称功放中，由于工作点设置在截止区边缘，在无信号输入时，IBQ及ICQ均等于零。这样在当有信号输入时，由于进入了输入特性曲线的弯曲部分（起始区），会使T1和T2管的基极电流ib1和ib2的底部产生失真，如图6.6所示。为了便于分析，把两管的输入特性曲线画在了一起，横轴上部为T1管的输入特性曲线；横轴下部为T2管的输入特性曲线。可清楚的看出，在输入正弦波时基极电流失真的情况。不难想象，经放大后的集电极电流波形也会出现同样的失真。通常把输出电流ic在交接处产生的失真称为交越失真。这是乙类功放所特有的。为了消除交越失真，我们引入了甲乙类互补对称功放。



2.甲乙类互补对称功率放大电路

电路如图6.7所示。通常在两基极间加入二极管(或电阻，或二极管和电阻结合)，以供给T1和T2两管一定的正向偏压（对于锗管约为0.2V，硅管约为0.7V），避开输入特性的弯曲部分，使两管在静态时都处于微导通状态，严格的讲这时已不是乙类状态，而是甲乙类工作状态。此时，该电路的UBE=UBEQ，使电路处于微导通状态，从而消除了交越失真。

甲乙类功放的工作与乙类状态差别不大，因此上面乙类互补对称功放的分析和计算在ICQ很小的甲乙类电路中仍可适用。



6.2.3 单电源互补对称功率放大电路（OTL）

1.OTL电路的组成及工作原理

单电源互补对称功放原理电路，如图6.8所示。它与图6.4的OCL电路区别是在输出电路中串接了电容C，从而省掉了一组负电源，只用一个电源Ucc。由于这种电路的输出通过电容C与负载RL耦合，而不用变压器，所以称这种电路为OTL电路。



图中T1、T2的特性一致，即是互补对称的。对直流电源Ucc而言，T1与T2是串联的，因此， 串接点A的直流电位为1/2Ucc，电容C也被充电到1/2Ucc ，由于C的容量足够大（通常选时间常数RLC远大于工作信号的周期），因此可认为在信号作用过程中，C上充有的电压1/2Ucc近似不变，并用它作为T2的直流供电电压。T1的直流供电电压为Ucc与Uc之差，也是1/2Ucc 。

这样用单电源1/2Ucc和大电容C就起到双电源的作用，其性能分析、能量关系等均与双电源OCL电路基本相同。但要注意，由于单电源OTL电路，每管的等效电源电压为，故应将双电源OCL电路的能量关系中的Ucc改为1/2Ucc 。

2.实用的单电源互补对称放大电路

图6.9是实用的单电源互补对称电路，图中三极管T1组成典型的甲类电压放大电路，用作推动级，它给输出级提供足够大的信号电压和信号电流。三极管T2和T3组成互补对称电压的输出级。静态时，调节电位器RP1的大小，可以使Ic1、UB2、 UB3适当变化，从而达到K点UK＝?UCC (因而K点称为中点)；此外，RP1还具有稳定K点电位的作用。例如，由于温度变化使UK升高，通过RP1和R1分压，使T1基极

电位升高， Ic1增加，T2、T3基极电位下降，引起UK下降。

显然RP1不但对K点直流电位具有稳定作用，对K点的交流电位也具有稳定作用，可以改善放大电路的动态性能。RP1实际上是引入了电压并联负反馈。调整电位器RP2，可使推动级T1的静态电流Ic1 在RP2、D1、D2上产生的压降，为T2、T3提供适当的偏置，保证T2、T3的工作方式为甲乙类放大；同时D1、D2具有温度补偿作用，利用它们管压降的负温度系数去补偿T2、T3管UBE的负温度系数，从而使T2、T3的静态电流不随温度而变。

图6.9的电路中R3和C2的接入可以提高互补对称电路的正向输出电压幅度，使输出电压变化范围接近?UCC，此时，T2、T3应轮流工作在接近饱和的状态。如果不接R3和C2，即将R3短路，当ui为负半周，T1的输出电压处于下半周并增大时，T1的集电极电位及T2的基极电位上升，负载上得到的输出信号电压也在增大，但此时T2的基极电流也增加，由于R2和UBE2的存在，又由于A点的电位不变，当K点电位向＋UCC接近时，T2的基极电位和基极电流的进一步上升将受到限制，T2管因而无法进入饱和状态，故最大输出电压幅值将小于?UCC。解决这个问题的关键是设法使A点的电位随K点的电位升高而升高，图6.9所示的实用电路就是根据上面的设想而增加了R3和C2这两个元件的。

静态时，UA≈UCC－ Ic1 ，而UK＝?UCC，因此电容C2两端电压Uc2＝UA－UK＝ ?UCC － Ic1 R3≈ ?UCC 。如果R3 、C2远大于工作信号周期，则C2两端电压UC2将不随输入信号ui变化而变化，基本保持为常数。当输入信号ui为负半周时，T2导通，uK将由静态时的?UCC向更正方向变化，而A点电位uA＝＋uK，uK增加，uA也随着增加，即A点的电位随着K点的电位升高而自动升高。这样就有足够的电流流过T2基极，保证T2达到饱和状态。这样可使最大输出电压幅值接近?UCC。这种工作方式称为自举，所谓自举就是靠电路本身把A点的电位提高了，故电路称为自举电路。当uK大于?UCC时，uA还可大于UCC。电路中接入R3是必要的，若R3＝0，则uA＝UCC，不可能大于UCC。

由于推动级和功率放大级采用直接耦合，两级之间存着互相联系和影响，因此不能分级调整，从而调整比较困难。一般先将RP2调到最小位置，然后调整RP1使UK＝?UCC，再调整RP2使T2、T3工作在甲乙类，建立合适的和值，最后加入交流信号调节RP2使输出波形刚好没有交越失真为止。由于两级间的工作点互相牵连，故调整静态电流和时将影响K点电位，调K点电位时又影响静态电流，因此需要反复耐心地调整到满意为止。调试中千万不能将RP2断开，否则b2点电位升高，b3点电位变低，将使T2、T3电流变大而导致损坏。

6.2.5 准互补推挽功率放大电路

1.复合管的构成

图6.11为复合管的两种形式。图(a)为两只NPN管等效一只NPN管，这种复合接法称为达林顿接法；图(b)中T1为PNP管，T2为NPN管，二者等效一只PNP管。可见，复合管的类型取决于第一个晶体管的类型。在构成复合管时应保证两管的基极电流能流通，而且第一管的集电极不能和第二管的发射极接在一起，以免集电极电压受发射极电压的钳制。

6.4.3 丙类放大器的工作状态

人们根据是否进入器件的截止区，以及进入截止区的深入程度，把放大电路分为甲类、乙类、甲乙类和丙类四种工作状态。在丙类放大器中，有时需要进入晶体管的饱和区，以获得人们期望的某种结果。因此，又根据是否进入器件的饱和区，以及进入饱和区的深入程度，把丙类放大器分为欠压、临界和过压三种工作状态。

由分析得知，丙类放大器的器件是否进入饱和区与电源电压UCC、基极偏置UBB、输入信号幅度Uim以及负载电阻R有关，当它们取不同数值时，可使丙类放大器工作于不同状态。为说明问题，现假定UCC、UBB及R不变，仅输入信号的幅度Uim变化（由小到大），丙类放大器的工作状态将历经怎样的过程呢？

丙类放大器的器件，其转移特性曲线如图6.22(a)所示。在考虑到饱和区后，其折线由三段构成。当输入信号的幅度由小到大变化时，如图(b)所示。



经作图得到所对应的集电极电流波形，如图(c)所示。可见，当输入信号幅度Uim 较小时，信号的动态范围局限在截止区与放大区内，集电极电流为较小的尖顶余弦脉冲，通常称这种工作状态为欠压状态。随着Uim的增大，尖顶余弦脉冲的幅度Im也在增加，当Uim增大到饱和区边缘时，尖顶余弦脉冲的幅度达到最大值，称这时丙类放大器工作于临界状态，如图(c)所示。如果继续增大Uim，将使信号的动态范围进入饱和区，经作图可以看出，此时得到的集电极电流的波形，将出现下凹，产生严重失真，这是由于输入信号幅度过大引起的，在饱和乃至深饱和情况下，基极电流变大，基极注入的空穴与发射极进入基区的电子大量复合，使集电极收集到的电子减少，于是ic下降，所以称这种状态为过压状态。

可见，丙类放大器随输入信号幅度由小到大的变化，工作状态由欠压经临界而进入过压。同理，当UCC、UBB、Uim不变，仅改变负载电阻R，也将经历这三种工作状态。

显而易见，从输出功率和效率的观点来观察时，丙类放大器多工作于临界状态，这样既可获得最大功率输出，又能达到较高的效率。欠压状态由于Im较小，其输出功率和效率不高，很少采用；而过压状态由于集电极电流产生严重的非线性失真，亦很少采用，即使应用也大部工作于弱过压状态，即刚刚进入饱和区。