《模拟电子技术》教案 第九章功率放大电路 教学目的： 1、了解功率放大电路的主要性能指示 2、掌握甲类、乙类、甲乙类功放大电路的输出功率及效率的计算 3、理解集成功放电路的结构特点 4、掌握复合功放管的放大倍数的计算 教学重点： 甲类、乙类功放大电路的输出功率及效率的计算 教学难点： 甲乙类功放大电路的输出功率及效率的计算 §9.1功率放大电路概述 能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路，简称为功放。 从能量控制和转换的角度看，功率放大电路与其它的放大电路在本质上没有根本 的区别：只是功率放大电路既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大 电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。 9.1.1功率放大电路的主要性能指示 功率放大电路的主要性能指标是最大输出功率和转换效率。 L.最大输出功率Po 功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。对正弦信号来说可以写 成 P。=UoIo 式中，U。和I。分别为负载上信号电压和信号电流的有效值。最大输出功率 P。y是在电路参数确定的情况下负载上可能获得的最大交流功率。 2.转换效率7 功率放大电路的最大输出功率与直流电源所提供的功率之比称为转换效率。 POM 7= Pp
《模拟电子技术》教案 1 第九章 功率放大电路 教学目的： 1、了解功率放大电路的主要性能指示 2、掌握甲类、乙类、甲乙类功放大电路的输出功率及效率的计算 3、理解集成功放电路的结构特点 4、掌握复合功放管的放大倍数的计算 教学重点： 甲类、乙类功放大电路的输出功率及效率的计算 教学难点： 甲乙类功放大电路的输出功率及效率的计算 §9.1 功率放大电路概述 能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路，简称为功放。 从能量控制和转换的角度看，功率放大电路与其它的放大电路在本质上没有根本 的区别；只是功率放大电路既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大 电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。 9.1.1 功率放大电路的主要性能指示 功率放大电路的主要性能指标是最大输出功率和转换效率。 1. 最大输出功率 POM 功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。对正弦信号来说可以写 成 P U I O O O = 式中， UO 和 O I 分别为负载上信号电压和信号电流的有效值。最大输出功率 POM 是在电路参数确定的情况下负载上可能获得的最大交流功率。 2. 转换效率 功率放大电路的最大输出功率与直流电源所提供的功率之比称为转换效率。 OM D P P =
《模拟电子技术》教案 式中，P。为直流电源的功率。 9.1.2功率放大电路的特点 功率放大电路主要是提供输出功率，而且在一般情况下输出功率都较大，所 在与一般的电压放大电路相比，功率放大电路有以下几个特点。 1.要求有尽可能大的输出功率 2.效率要高 3.非线性失真要小 4.加强晶体管的散热和保护 9.1.3功率放大电路的分析方法 因为功率放大电路的输出电压和输出电流的幅值均很大，功放管特性的非线 性不可忽略，所以在分析功率放大电路时，不能采用仅适用于小信号的交流等效 电路法，而应采用图解法。 9.1.4功率放大电路的分类 功率放大电路的分类方式很多，常见的分类方式有以下几种。 1.按处理信号的频率分类 (1)低频功放：音频范围在几十赫兹至几十千赫兹。 (2)高频功放：射频范围在几百千赫兹至几十兆赫兹。 2.按功率放大电路中晶体管的导通时间分类 (1)甲类功放：在输入信号的整个周期内，晶体管均导通，其导通角0=2π。 这功放电路输出信号的非线性失真较小。但直流电源在静态时的功耗较大，转换 效率较低。 (2)乙类功放：在输入信号的整个周期内，晶体管只有半个周期导通，其 导通角0=π。这类电路的直流电源的静态功耗为零，效率较高，但输出信号中 会产生交越失真。 (3)甲乙类功放：在输入信号的整个周期内，晶体管导通的时间大于半个 周期而小于全周期，其导电角π<0<2π。功放管的静态电流大于零，但非常小， 且克服了乙类功放交越失真的不足。 (4)丙类功放：在输入信号的整个周期内，晶体管导通的时间小于半个周 期，其导通角0<π。丙类功率放大电路可提供很大的功率，效率高于78.5%。 y
《模拟电子技术》教案 2 式中， PD 为直流电源的功率。 9.1.2 功率放大电路的特点 功率放大电路主要是提供输出功率，而且在一般情况下输出功率都较大，所 在与一般的电压放大电路相比，功率放大电路有以下几个特点。 1. 要求有尽可能大的输出功率 2. 效率要高 3. 非线性失真要小 4. 加强晶体管的散热和保护 9.1.3 功率放大电路的分析方法 因为功率放大电路的输出电压和输出电流的幅值均很大，功放管特性的非线 性不可忽略，所以在分析功率放大电路时，不能采用仅适用于小信号的交流等效 电路法，而应采用图解法。 9.1.4 功率放大电路的分类 功率放大电路的分类方式很多，常见的分类方式有以下几种。 1. 按处理信号的频率分类 （1）低频功放：音频范围在几十赫兹至几十千赫兹。 （2）高频功放：射频范围在几百千赫兹至几十兆赫兹。 2. 按功率放大电路中晶体管的导通时间分类 （1）甲类功放：在输入信号的整个周期内，晶体管均导通，其导通角 = 2 。 这功放电路输出信号的非线性失真较小。但直流电源在静态时的功耗较大，转换 效率较低。 （2）乙类功放：在输入信号的整个周期内，晶体管只有半个周期导通，其 导通角 = 。这类电路的直流电源的静态功耗为零，效率较高，但输出信号中 会产生交越失真。 （3）甲乙类功放：在输入信号的整个周期内，晶体管导通的时间大于半个 周期而小于全周期，其导电角 2 。功放管的静态电流大于零，但非常小， 且克服了乙类功放交越失真的不足。 （4）丙类功放：在输入信号的整个周期内，晶体管导通的时间小于半个周 期，其导通角 。丙类功率放大电路可提供很大的功率，效率高于 78.5%
《模拟电子技术》教案 §9.2甲类功率放大电路 第3章讨论的小信号放大电路都偏置在甲类状态。图9-1(a)是基本共发 射极放大电路，其工作过程的图解分析如图9-1(b)所示。 由图9-1(b)可知，若静态工作点O设置合适，负载R上所能获得的最大 信号电压的幅值为 1 Uom =(Vcc-UCEs) 2 最大信号电流的幅值为 Iem =Ico 当忽略三极管的饱和压降Us时，负载R,上所能获得的最大信号功率为 Fow-_l-Vcelco 4 o+Vcc 直流（交流）负载线 R.R, 里g第里里。年04.4。+ .Uces .Vcc (a) (b) 图9-1甲类功率放大电路 (a)电路图 (b)图解分析 静态时，直流电源提供的功率为 Pp =Vcclce 动态时，直流电源提供的平均功率为 B-2araue+lsmo0ham=ale 图9-1(a)所示电路的最高效率为 =PM=4 nmax=- -=25% Po Vcclco
《模拟电子技术》教案 3 §9.2 甲类功率放大电路 第 3 章讨论的小信号放大电路都偏置在甲类状态。图 9-1（a）是基本共发 射极放大电路，其工作过程的图解分析如图 9-1（b）所示。 由图 9-1（b）可知，若静态工作点 Q 设置合适，负载 RL 上所能获得的最大 信号电压的幅值为 1 ( ) 2 U V U om CC CES = − 最大信号电流的幅值为 cm CQ I I = 当忽略三极管的饱和压降 UCES 时，负载 RL 上所能获得的最大信号功率为 1 1 2 4 P U I V I OM om cm CC CQ = = 图 9-1 甲类功率放大电路 （a）电路图 （b）图解分析 静态时，直流电源提供的功率为 P V I D CC CQ = 动态时，直流电源提供的平均功率为 2 0 1 ( sin ) 2 P V I I t d t V I D CC CQ cm CC CQ = + = 图 9-1（a）所示电路的最高效率为 CC C OM max D CC C 1 4 25% Q Q V I P P V I = = =
《模拟电子技术》教案 可见，普通甲类功放效率很低，最高仅为25%。为了提高甲类功放的效率， 可以利用变压器实现阻抗变换，同时调节Q点使晶体管达到极限工作状态。 图9-2(a)是变压器耦合的甲类功率放大电路，与图9-1(a)相比最大的 区别是，它通过变压器将负载耦合到集电极回路中。变压器绕组的直流电阻很小， 交流电阻较大。因此，在进行直流分析时可将其看作短路：进行交流分析时，要 考虑负载电阻R,通过变压器转换到变压器一次侧的等效交流电阻R',即 R'=()R=nR N. 图9-2(a)电路的图解分析如图9-2(b)所示。电路的直流负载线和交流 负载线已在图中标出。 n:1 一直流负载线 N 一交流负载线 Ucc U (a) (b) 图9-2变压器耦合的甲类功率放大电路 (a)电路图(b)图解分析 由图9-2(b),可得输出功率为 Ro=ZUolo 由于R′的大小决定了交流负载线斜率的大小，因而影响着功率放大电路的 性能指标。最大输出功率为 cclco 2 最大效率为 2 .=50% P
《模拟电子技术》教案 4 可见，普通甲类功放效率很低，最高仅为 25%。为了提高甲类功放的效率， 可以利用变压器实现阻抗变换，同时调节 Q 点使晶体管达到极限工作状态。 图 9-2（a）是变压器耦合的甲类功率放大电路，与图 9-1（a）相比最大的 区别是，它通过变压器将负载耦合到集电极回路中。变压器绕组的直流电阻很小， 交流电阻较大。因此，在进行直流分析时可将其看作短路；进行交流分析时，要 考虑负载电阻 RL 通过变压器转换到变压器一次侧的等效交流电阻 RL ，即 1 2 2 L L L 2 ( ) N R R n R N = = 图 9-2（a）电路的图解分析如图 9-2（b）所示。电路的直流负载线和交流 负载线已在图中标出。 图 9-2 变压器耦合的甲类功率放大电路 （a）电路图 （b）图解分析 由图 9-2（b），可得输出功率为 O O O 1 2 P U I = 由于 RL 的大小决定了交流负载线斜率的大小，因而影响着功率放大电路的 性能指标。最大输出功率为 OM CC CQ 1 2 P V I = 最大效率为 CC CQ OM max D CC CQ 1 2 50% V I P P V I = = =
《模拟电子技术》教案 §9.3乙类互补对称功率放大电路 单管甲类功率放大电路虽然简单，只需要一个功率管便可工作，但甲类功率 放大电路效率低，为了提高功率放大电路的功率，压低静态工作点Q,理想情况 下，可以将Q点压至横纵上，这样，当没有交流信号输入时，电源输出的功率为 零，从而提高了效率。这时提出乙类互补功率放大电路。 9.3.1电路组成 图9-3为两个射极输出器组成的乙类互补对称功率放大电路。T:和T2分别为 NPN管和PNP管，两管特性相同。两管的基极和发射极相互连在一起，信号从基 极输入，从射极输出，R为负载。由于该电路无基极偏置，所以E1=42=4,· 静态时，4，=0时，T和T2均处于截止状态，两管电流亦为零，故乙类功放在静 态时，直流电源不消耗能量。 图9-3两射极输出器组成的互补对称电路 9.3.2电路性能分析 由于输出信号是两管共同作用的结果，所以将T和T2管合成一个能反映输出 信号和通过负载的电流的特性曲线。合成时考虑到： (1)4,=0时，Uco=Vcc,Uceo2=-'cc,因此Q=Q2。 (2)由流过R的电流方向知i。,与i2的方向相反，即两个纵坐标轴相反。 (3)特性的横坐标符合：Uce1+Uc2=Ucc-(-Vcc)=2Vcc ucE,的原点与-lce2=2Vcc点重合；-4ce2的原点与ucE1=2Vcc点重合
《模拟电子技术》教案 5 §9.3 乙类互补对称功率放大电路 单管甲类功率放大电路虽然简单，只需要一个功率管便可工作，但甲类功率 放大电路效率低，为了提高功率放大电路的功率，压低静态工作点 Q，理想情况 下，可以将 Q 点压至横纵上，这样，当没有交流信号输入时，电源输出的功率为 零，从而提高了效率。这时提出乙类互补功率放大电路。 9.3.1 电路组成 图 9-3 为两个射极输出器组成的乙类互补对称功率放大电路。T1和 T2分别为 NPN 管和 PNP 管，两管特性相同。两管的基极和发射极相互连在一起，信号从基 极输入，从射极输出，RL为负载。由于该电路无基极偏置，所以 BE1 BE2 i u u u = = 。 静态时， 0 i u = 时，T1和 T2均处于截止状态，两管电流亦为零，故乙类功放在静 态时，直流电源不消耗能量。 图 9-3 两射极输出器组成的互补对称电路 9.3.2 电路性能分析 由于输出信号是两管共同作用的结果，所以将 T1和 T2管合成一个能反映输出 信号和通过负载的电流的特性曲线。合成时考虑到： （1） 0 i u = 时， U V CE 1 CC Q = ，U V CE 2 CC Q = − ，因此 Q Q 1 2 = 。 （2）由流过 RL的电流方向知 C1 i 与 C2 i 的方向相反，即两个纵坐标轴相反。 （3）特性的横坐标符合： CE1 CE2 CC CC CC U U U V V + = − − = ( ) 2 CE1 u 的原点与 CE2 CC − = u V2 点重合； CE2 −u 的原点与 CE1 CC u V = 2 点重合