制作互补对称功率放大电路的方法

在实用电路中，无论是分立元件组成的放大电路还是集成放大电路，其末级都要接实际负载。一般来说，负载上的电流和电压都要求较大，即负载要求放大电路能输出较大的功率。因此把能够向负载提供信号功率的放大电路称为功率放大电路，简称功放。

（1）用示波器观察乙类功率放大电路的输出波形，了解交越失真。

（2）用示波器、万用表测出乙类功率放大电路的静态、动态指标，与理论分析的结果进行比较。

（3）比较甲乙类功率放大电路与乙类功率放大电路的结构，用示波器观察两种放大电路输出波形的区别。

任务要求

按测试顺序要求完成所有测试内容，记录测试数据。

测试环境

稳压电源一台，方用表一只，信号发生器一台，示波器一台，面包板一块，三极管和电例等元器件若干。

测试电路

测试电路如图5-1 所示。其中，VT1可选用三极管8050，VT2可选用三极管8550，RL为1kΩ。

图5-1　基本互补对称电路

测试步骤

（1）按图5-1在面包板上接好电路。

（2）使ui=0，测量两只三极管集电极静态工作电流，并记录IC1=___________，IC2=___________。

结论：互补对称电路的静态功耗___________。（基本为0/仍较大）

（3）改变ui使其f1=1kHz，Um=10.5V，用示波器同时观察ui、uo的波形，并记录波形。

结论：乙类互补对称电路的输出波形在过零点处________。（无失真/有明显失真）

（4）ui保持不变，不接VT2，用示波器同时观察ui、uo的波形，并记录波形。

结论：晶体管VT1基本工作在_________类工作状态。

（5）ui保持不变，不接VT1，接入VT2，用示波器同时观察ui、uo的波形，并记录波形。

结论：晶体管VT2基本工作在_________类工作状态。

结果表明：互补对称电路相对于甲类功率放大电路，其效率较_________。

一、功率放大电路概述

功率放大电路是一种向负载提供功率的放大电路。一般多级放大电路总要求输出一定的功率以驱动负载，如扬声器、电动机、仪表指针等。因而，一般多级放大电路的最后一级都要设置为功率放大电路。

电压放大电路的主要任务是使负载得到不失真的信号电压，它的主要指标是电压放大倍数；而功率放大电路主要考虑的是如何输出最大的不失真功率，即如何高效率地把直流电能转化为按输入信号变化的交流电能，功率放大电路不但要向负载提供大的信号电压，而且也要向负载提供大的信号电流。因此，功率放大电路的形式、工作状态、分析方法和所研究的技术指标都与电压放大电路不同。

（一）功率放大电路的特点

1.输出功率足够大

功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。在输入为正弦波且输出基本不失真条件下，输出功率是交流功率，表达式为

式中，Io和Uo均为交流有效值。

最大输出功率Pom是指在正弦信号输入下，输出波形不超过规定的非线性失真指标时，负载上可能获得的最大交流功率（注：不是直流电压和直流电流的乘积，也不是瞬时值相乘）。为了获得足够大的输出功率，要求放大电路的输出电压和输出电流都要有足够大的变化量。

2.输出效率要高

功率放大电路的最大输出功率与电源所提供的功率之比称为转换效率。电源提供的功率是直流功率，其值等于电源输出电流平均值及其电压之积。

任何放大电路输出给负载的功率都是由直流电源提供的。这就有一个提高能量转换效率的问题。对于小信号的电压放大电路来说，由于输出功率较小，电源供给的直流功率也小，因此效率问题还不突出。但对于功率放大电路来讲，由于输出功率较大，效率问题就显得很重要了。此时，如果功率放大电路的效率不高，不仅要浪费能量，而且要消耗电路内部的电能来转换为热量，使管子、元器件等温度升高，因此，要求选用较大容量的放大管和其他设备，不太经济。

3.非线性失真要小

功率放大电路是在大信号状态下工作，容易产生非线性失真。在实际的功率放大电路中，要采取措施减小失真，使非线性失真限制在允许范围内。

4.要有散热和保护措施

由于功放管承受的电压高、电流大，且温度较高，因此功放管的保护问题和散热问题也需要解决。

5.分析方法常使用图解法

因为功率放大电路的输出电压和输出电流幅值均很大，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。

此外，由于功率放大电路的输入信号较大，输出波形容易产生非线性失真，因此电路中应采用适当方法改善输出波形，如引入交流负反馈。

（二）共射极放大电路不宜用作功率放大电路的原因

在电源电压确定后，输出尽可能大的功率和提高转换效率始终是功率放大电路要研究的主要问题。图5-2（a）所示为小功率共射极放大电路，其图解分析如图5-2（b）所示。静态时，若晶体管的基极电流可忽略不计，直流电源提供的直流功率约为ICQVCC，即图5-2（b）中矩形ABCO 的面积；集电极电阻Rc的功率损耗为ICQURC，即矩形QBCD 的面积；晶体管集电极耗散功率为ICQUCEQ，即矩形AQDO 的面积。

图5-2　小功率共射极放大电路的输出功率和效率分析

（三）功率放大电路的工作状态

由以上分析可知，小功率共射极放大电路效率较低的根本原因是有很大的静态功耗，为了降低静态功耗，需要降低放大电路的静态工作点。按照功放管工作点位置的不同，功率放大电路的工作状态可分为甲类、乙类和甲乙类，如图5-3所示。

图5-3　低频功率放大电路的3种工作状态

1.甲类

甲类放大电路的工作点设置在放大区的中间。这种电路的优点是在输入信号的整个周期内三极管都处于导通状态，输出信号失真较小（前面讨论的电压放大电路属于甲类工作状态）；缺点是三极管有较大的静态电流Ico，此时管耗Po大，电路能量转换效率低。

2.乙类

乙类放大电路的工作点设置在截止区，这时，由于三极管的静态电流ICQ=0，因此能量转换效率高。它的缺点是半个周期的输入信号进行放大的同时还存在部分失真，非线性、失真大。

3.甲乙类

甲乙类放大电路的工作点设置在放大区但接近截止区，即三极管处于微导通状态。这样可以使半个周期的信号全部得到放大，通过改变电路结构，接成互补对称型，使整个周期的信号都得到有效放大，目前使用较广泛。

二、常用的互补对称功率放大电路

（一）乙类互补对称功率放大电路

1.电路组成及工作原理

图5-4（a）所示为乙类双电源互补对称功率放大电路，又称为无输出电容的功率放大电路，简称OCL电路。虽然VT1为NPN 型管，VT2为PNP 型管，但是要求它们的参数相同、特性对称。电路工作原理如图5-4所示。

图5-4　乙类互补对称功率放大电路工作原理

（1）静态分析

当输入信号ui=0 时，两只三极管都工作在截止区，此时IBQ、ICQ、IEQ均为零，负载上无电流通过，UCEO=VCC，输出电压uo=0。

（2）动态分析

当输入信号为正半周时，ui＞0，VT1导通，VT2截止，VT1管的发射极电流iE1经VCC自上而下流过负载，在RL上形成正半周输出电压，uo≈ui＞0。当输入信号为负半周时，ui＜0，VT2导通，VT1截止，VT1管的发射极电流iE2经-VCC自下而上流过负载，在RL上形成负半周输出电压，uo≈ui＜0。电流通路如图5-4（a）中虚线所标注，VT1与VT2以互补的方式交替工作，正、负电源交替供电，电路实现了双向跟随，负载电阻上得到近似的正弦波。在输入电压幅值足够大时，输出电压的最大幅值可达±（VCC-｜UCES｜），UCES为饱和管压降。

（3）电路的交越失真

如果仔细研究VT1和VT2的工作情况不难发现，当输入电压小于b-e间开启电压UON时，则VT1与VT2均处于截止状态。也就是说，只有当｜ui｜＞UON时，输出电压才跟随ui变化。因此，当输入电压为正弦波时，输出电压在ui过零附近将产生失真，波形如图5-4（b）所示，这种失真称为交越失真。对于放大电路而言，消除交越失真的方法就是要设置合适的静态工作点。可以设想，若在静态时VT1与VT2均处于临界导通或微导通（即有一个微小的静态电流）状态，则当输入信号作用时，就能保证至少有一只三极管导通，实现双向跟随。

2.OCL电路的输出功率及效率

（1）最大不失真输出电压Uom

功率放大电路最重要的技术指标是电路的最大输出功率Pom及效率η。为了求解Pom，首先需求出负载上能够得到的最大输出电压幅值。当输入电压足够大，且又不产生饱和失真时，电路的图解分析如图5-5所示。图5-5中，Ⅰ区为VT1的输出特性，Ⅱ区为VT2的输出特性。因为两只三极管的静态电流很小，所以可以认为静态工作点在横轴上，如图5-5中所标注，因而最大输出电压幅值等于电源电压减去晶体管的饱和压降，即VCC-UCES1。因此最大不失真输出电压的有效值为

（2）输出功率Po

由于最大不失真输出电压幅度为

式中，UCES为三极管的饱和压降，通常很小，可以略去。

所以，放大器的最大不失真输出功率为

（3）直流电源提供的功率

由于两只三极管轮流工作半个周期，每只三极管的集电极电流的平均值为

因为每个电源只提供半个周期的电流，所以两个电源供给的总功率为

得到最大输出功率时，Uomm=VCC-UCES≈VCC

图5-5　OCL电路的图解分析

（4）效率η。

效率是指负载获得信号功率Po与直流电源供给功率之比。一般情况下的效率可由下式给出：

可见，η与Uom有关，当Uom=0时，η=0；当Uom=Uomm时，可得最高效率为

在实际使用中，放大电路很难达到最大效率，由于饱和压降及元件损耗等因素，因此乙类互补对称功率放大电路仅能达到60%左右。

（5）管耗

直流电源提供的功率除了负载获得的功率外，便是VT1、VT2管消耗的功率，即管耗，用PC表示。

由此可知，每只三极管最大管耗约为最大输出功率的1/5。因此，在选择功率管时最大管耗不应超过最大允许管耗，即

【例5-1】在图5-6所示的乙类双电源互补对称功率放大电路中，已知VCC=15V，RL=15Ω，ui为正弦输入信号，试计算：

（1）若三极管的饱和压降忽略，求最大不失真输出功率、最大输出功率时直流电源提供的功率、每只功率管的管耗和电路效率，以及每个功率管的最大功耗。

（2）当功率管的饱和压降为1V 时，重新计算最大不失真输出功率、此时直流电源提供的功率、每只功率管的管耗和效率。

（3）若输入电压信号ui=10sinωtV，求电路的输出功率、电源电压提供的功率、每只功率管的管耗和电路的效率。

图5-6　乙类双电源互补对称功率放大电路

解：（1）求Pom、PDC、PC1及η。(www.xing528.com)

（2）当UCES=1V 时，

（3）输入电压ui=10sinωtV 时，Uom=10V

3.OCL电路的特点

从以上讨论可见，OCL 电路有输出功率大、效率高；输出电阻小，负载能力强；低频响应好，输出动态范围大，电路简单，使用方便，易于集成化等优点。但它具有电压放大倍数小于1、输出功率受负载和电源电压的限制、电源电压利用率低等缺点。目前，OCL电路广泛应用于低频功率放大电路、高传真音响设备及集成运放、集成功率放大电路中。

（二）甲乙类双电源功率放大电路

对于图5-4（a）所示的基本OCL电路，若考虑晶体管b-e间的开启电压为UON，则当输入电压的数值｜ui｜＜UON时，VT1和VT2均处于截止状态，输出电压uo为0；只有当｜ui｜＞UON时，VT1或VT2才导通，它们的基极电流失真，如图5-4（b）所示。因而输出电压波形产生交越失真。为了消除交越失真，应当设置合适的静态工作点，使两只晶体管均工作在临界导通或微导通状态。消除交越失真的OCL 电路如图5-7所示。

在图5-7所示电路中，静态时，从+VCC经过R1、R2、VD1、VD2、R3到-VCC有一个直流电流，它在VT1和VT2两个基极之间所产生的电压为

使UB1-B2略大于VT1发射结和VT2发射结开启电压之和，从而使两只晶体管均处于微导通状态，即都有一个微小的基极电流，分别为IB1和IB2。静态时应调节R2，使发射极电位UE为0，即输出电压uo为0。

图5-7　甲乙类双电源功率放大电路

当所加信号按正弦规律变化时，由于二极管VD1、VD2的动态电阻很小，而且R2的阻值也较小，所以可以认为VT1基极电位的变化与VT2基极电位的变化近似相等，即uB1≈uB2≈ui。也就是说，可以认为两只晶体管基极之间电位差基本是一恒定值，两个基极的电位随ui产生相同变化。这样，当ui＞0且逐渐增大时，uBE1增大，VT1基极电流iB1随之增大，发射极电流iE1也必然增大，负载电阻RL上得到正方向的电流；与此同时，ui的增大使uBE2减小，当减小到一定数值时，VT2截止。同理，当ui＜0 且逐渐减小时，使uBE2逐渐增大，VT2的基极电流iB2随之增大，发射极电流iE2也必然增大，负载电阻R 上得到负方向的电流。与此同时，ui减小，使uBE1减小，当减小到一定数值时，VT1截止。这样，即使uBE1很小，也能保证至少有一只晶体管导通，因而消除了交越失真。

另一种常见的甲乙类双电源互补对称功率放大电路如图5-8所示。图5-8中，偏置电压可以容易地通过改变R1、R2的比值来改变。偏置电压的大小为：

图5-8　偏置可调的甲乙类双电源互补对称功率放大电路

（三）单电源互补对称功率放大电路

双电源互补对称功率放大电路由于静态时输出端电位为零，负载可以直接连接，不需要耦合电容，因此它具有低频响应好、输出功率大、便于集成等优点，但需要双电源供电，使用起来有时会感到不便。如果采用单电源供电，则只需在两只晶体管发射极与负载之间接入一个大容量电容C 即可。这种电路通常称为单电源互补对称功率放大电路，又称无输出变压器的电路，简称OTL电路（OutputTransfomerLess），如图5-9所示。

图5-9　甲乙类单电源互补对称功率放大电路

在图5-9中，OTL电路采用单电源供电，在VT1、VT2共同的输出端E 与负载R之间串联一只大容量电容器C。在没有输入信号时，调整基极电路的参数，使得电容C两端电压为VCC/2，即E 点电位为电源电压的一半。

在输入信号的正半周时，VT1导通，电流自VCC经VT1为电容C 充电，经过负载RL到地，在RL上产生正半周的输出电压（电流方向如图5-9中实线箭头所示）。在输入信号的负半周时，VT2导通，电容C 通过VT2和负载RL放电，即已充电的电容C起着电源的作用，在RL上产生负半周的输出电压（电流方向如图5-9 中虚线箭头所示）。如果选择时间常数RLC足够大，则电容C 两端电压UC=VCC/2基本不变，形成与双电源供电相同的效果。

在OTL电路中，有关输出功率、效率、管耗等指标的计算与OCL 电路相同，但OTL电路中每只晶体管的供电电压变换为VCC/2。

三、功率放大电路的安全运行

在功率放大电路中，功放管既要流过大电流，又要承受高电压。例如，在OCL 电路中，功放管的最大集电极电流等于最大负载电流，而最大管压降等于2VCC。只有功放管不超过其极限值，电路才能正常工作。因此，所谓功率放大电路的安全运行，实际上就是要保证功放管的安全工作。在实用电路中，常加保护措施，以防止功放管过电压、过电流和过功耗。下面简单介绍一下功放管的热击穿和散热问题。

（一）功放管的热击穿

在甲乙类互补对称功率放大电路中，使用二极管的正向压降UD来抵消三极管的基极—发射极电压UBE，进而抵消交越失真的。

三极管UBE的值具有温度越高就越小的负温度系数（-2.5mV/℃）。因此，由这样的电路取出大量负载电流时，VT1与VT2的温度就升高（由集电极损耗引起的发热），UBE的值就变小。

然而，即使VT1和VT2的温度变高，二极管VD1和VD2上流动的电流变化也不大，所以，其正向压降UD也几乎是一定值。也就是说，UD≈UBE的关系被破坏，而成为UD＞UBE。

这样一来，在VT1和VT2中，与UD和UBE之差相对应的基极电流流动，以基极电流β倍的集电极电流作为空载电流而流动，并且，这个集电极电流不是在负载上流动，而是通过VT1与VT2在电源—电源（GND）之间流动。

这样，进一步增加了集电极电流。由此，晶体管的温度变得更高，UD和UBE的电压差变大，集电极电流变得更大。

这种情况反复地进行着，最后，流过非常大的集电极电流，导致VT1和VT2发生热损坏。这就是晶体管的热击穿原理。

（二）防止热击穿

通常可以在电路中接入发射极电阻来吸收UD与UBE的电压差，从而限制发射极电流的电路，防止热击穿，如图5-10所示。空载时的集电极电流被限制在（UD-UBE）/R。该电路比图5-9所示电路更加安全。但想减少空载时的集电极电流，则必须增大R 的值。例如，UD与UBE的电压差为100mV 时（VD1、VD2与VT1、VT2的温度差为40℃，约产生100mV 的电压差），为了将空载时的集电极电流控制在10mA，则必须设定R=10Ω。但这样一来，即使射极输出器的输出电阻为0，该电路的输出电阻也将为10Ω。因该发射极电阻引发的损失，在大电流输出的电路中，就不能驱动如扬声器那样的低阻抗负载（扬声器的阻抗为6～8）。

图5-10　防止热击穿电路示意图

（三）功率三极管的极限参数

功率放大电路工作在大信号下，三极管的工作电流和电压均为大信号，所以必须考虑功率放大管的保护问题，防止管子击穿或损坏。

1.集电极最大允许电流ICM

在OCL互补对称电路中，流过三极管的集电极电流的最大值为

因此选择功率三极管时，其集电极最大允许电流应为

2.集电极最大允许反向电压U（BR）CEO

在OCL互补对称功放电路中，两只三极管的集电极电压之和为2VCC，即

当VT2导通时，VT1截止，此时VT1的集电极承受反向电压。当VT2饱和时，VT1的集电极电压达到最大，此时

因此，功率三极管的集电极最大允许反向电压应为

3.集电极最大允许耗散功率PCM

（四）功放管的散热

功放管损坏的重要原因是其实际耗散功率超过额定数值PCM。而晶体管的耗散功率取决于晶体管内部的PN 结（主要是集电结）温度Tj。当Tj超过允许值后，集电极电流将急剧增大而烧坏晶体管。硅管的结温允许值为120～180℃，锗管的结温允许值为85℃左右。耗散功率等于结温在允许值时集电极电流与管压降之积。管子的功耗越大，结温越高。因而改善功放管的散热条件，可以在同样的结温下提高集电极最大耗散功率PCM，也就可以提高输出功率。

经验表明，当散热器垂直或水平放置时，有利于通风，故散热效果较好。散热器表面钝化涂黑，有利于热辐射，从而可以减小热阻。在产品手册中给出的最大集电极耗散功率是在指定散热器（材料、尺寸等）及一定环境温度下的允许值；若改善散热条件，如加大散热器、用电风扇强制风冷，则可获得更大一些的耗散功率。