模塊六、功率放大電路;

一、功率放大電路概述;

1、功率放大電路的任務是在信號不失真或輕度失真的情況下，使負載獲得最大功率。所以電路在設計與制作過程中應注意以下問題;

①功率放大器在多級放大器的末級，在集成功放和集成運放的輸出級，最終推動的負載較重，如揚聲器，電機，大功率線圈……等，所以工作電壓和電流都較大。

②功放管在大信號(大電壓，大電流)狀態下工作，工作時的電壓，電流接近于功放管的極限參數(ICM,UBR(CEO),RCM)所以要充分考慮散熱問題。失真，過壓，過流保護問題。

③輸出功率是指功放輸出交變電壓和交變電流的乘積，即交流輸出功率。因為輸出功率大，則消耗在電路上的能量也多，電源需要提供的能量就多，所以效率對功放來說極其重要。總的概括起來就是要求功率放大器在保證晶體管，場效應管安全使用下，獲得盡可能大的輸出功率，盡可能高的效率和盡可能小的非線性失真。

2、恒量功率放大器的主要技術指標與測量方法;

第一類指標;輸入幅值已定，頻率已定時的性能;

①電壓放大倍數及電壓放大倍數調節范圍;

由Au=Uo/Ui可知，可按以下兩種方法計算可得Au.

#分別用示波器測量最大不失真輸出電壓狀態下的Uip-p與Uop-p，記錄后計算。

#分別用毫伏表測量最大不失真輸出電壓狀態下的Uo與Ui，記錄后計算。

②輸入電阻Ri，輸出電阻Ro;

第二類指標;輸入信號頻率不變而幅值改變的性能;

③最大不失真輸出幅值與最大不失真輸出功率;

#最大不失真輸出幅值Uom/Uomp-p(要求接上負載RL)

測量方法;

輸入信號的頻率保持不變，輸入信號的幅值逐步增大，用示波器觀察輸出信號的波形。當輸入信號的幅度增大到輸出信號波形出現失真時，即為最大不失真輸出幅值Uomp-p(注意示波器測量的結果為峰一峰值，毫伏表測量結果為有效值)

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

④電源消耗的功率PDC;

測量方法;在測量Uom的基礎上，斷開電源，接入電流表，測量功放在Uom狀態下流過的最大電流Icm。PDC=VCC*Icm

⑤功率放大器的效率;

定義為最大不失真輸出功率與電源所消耗的功率PDC之比;

即η=Pom/PDC*100%

第三類指標;輸入幅值不變，而輸入信號頻率改變的性能。

⑥功率放大器的通頻帶fBW;

測量方法;

輸入信號幅值保持不變，頻率增大或減小時，功率放大器的輸出電壓幅值下降到最大不失真電壓幅值Uomp-p的1/1.414(0.707)時所對應的頻率范圍。

二、甲類功率放大器;

模塊四中所介紹的小信號放大器，在輸入信號的整個周期內部都有靜態電流，這種工作方式稱為甲類功放。

1、阻容耦合甲類放大器;

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%

所以甲類功放電源所提供的能量大部分消耗在管子和電阻上，因此它的效率低。

2、變壓器耦合單管甲類功放;

Ucem=VCC ICM=ICQ PDC=VCC*ICQ

Po=1/2Ucem*ICM=VCC*ICQ

∴η=Po/PDC*100%=50%

上式效率是沒有考慮變壓器效率時電路的總效率。

#從甲類放大器中，看到靜態電流是造成管耗的主要原因，為了提高效率應減少靜態電流。

三、推挽功率放大器;

甲類功放因靜態電流大，所以效率低，如果采用靜態時，集電極電流為零的乙類功放可提高效率，但為了得到完整波形，必須用兩管輪流輸出，這就是乙類推挽功率放大器。

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%

乙類推挽功率放大器在靜態時的電流很小，所以效率很高。

理論證明，乙類推挽功率放大器的理想最大效率為，比甲類的提高了很多，但是乙類推挽功率放大器，由于基極無加靜態偏置，輸出在正，負半周交界處有交越失真。

四、甲，乙類推挽功率放大器;

因為乙類功放在輸出正、負半周交界處有交越失真，這是由于靜態時UBE=0造成的。為了減小交越失真，應該給V1,V2提供少量的偏流IBQ，這種電路的靜態工作點介于甲類和乙類之間。所以叫甲乙類推挽功放，圖中Rb1,Rb2,Re組成分壓式電流反饋偏置電路，為V1,V2提供靜態偏置電流IBQ，一般Re取值很小，零點幾歐到幾歐之間，ICQ≈2~4mA(小功率管)

五、互補對稱無變壓器輸出(OTL)功放電路;

變壓器耦合乙類，甲乙類推挽功率放大器已解決了甲類功放效率低的問題，且可實現阻抗變換，缺點是體積龐大，笨重，消耗有色金屬，低頻，高頻特性都比較差。無變壓器輸出功放電路(OTL)用一個大電容代替變壓器，用NPN，PNP對管。

特點;

①單電源供電。

②中點靜態電位必須等于1/2VCC。

③V1,V2兩管互補對稱。

由于一般情況下功率放大器的負載電流都很大，電容容量選為幾千UF，且為電解電容，電容容量越大，電路低頻特性越好，但是當容量大到一定程度時，存在漏阻和電感效應，低頻特性將變差。

六、無電容輸出(OCL)功放電路;

OTL去掉了變壓器，具有失真小，是功放高保真擴音機常用的電路，但OTL輸出用大容量電容，存在漏阻和電感效應，對不同頻率信號會產生不同相移，輸出信號有附加失真，為消除這一缺點，出現了無電容輸出功放電路OCL。

特點;

1.雙電源供電。

2. 中點靜態電位必須等于0。

3.V1,V2兩管互補對稱。

4. 前級應有防零漂的差分放大器。

七、橋式推挽功率放大器(BTL)電路;

在OCL中采用了雙電源供電，所以為了實現單電源供電，且不用變壓器和大電容，最終解決方案是橋式推挽功率放大器(BTL)電路。

#電路原理;圖中四個功放管特性理想對稱，靜態時均處于截止狀態，RL上的電壓為0，輸入為正弦波信號時，正半周時，Ui+為⊕，Ui-為Θ，V1,V3管導通，V2，V4管截止，負載上獲得正半周電壓;負半周時Ui+為Θ，Ui-為⊕，V2,V4管導通，V1,V3管截止，負載上獲得負半周電壓。BTL的輸出功率是OCL,OTL的4倍。

八、功放電路中的特殊單元電路;

1、音調控制電路;

功放電路中的高低音調節控制器主要是控制，調節功率放大器的幅頻特性。

理想的控制曲線如圖所示，圖中fo(設=1KHZ)表示中音頻頻率要求增益AVD=0dB;fL1表示低音頻轉折(或截止)頻率，一般為幾十赫茲，fL2=10 fL1表示低音頻區的中音頻轉折頻率;fH1表示高頻轉折(或截止)頻率，一般為幾十千赫茲，fH1=10fH2高音頻區的中音頻轉折頻率。

曲特性曲線圖可知，音調控制器只對低音頻與高音頻的增益進行提升或衰減，中音頻的增益保持0dB不變,因此音頻控制電路可由低通濾波器與高通濾波器組成，下面以實例進行簡要分析;

設電容C1=C2≥C3，在中低頻區，C3可視為開路，在中，高頻區，C1,C2可視為短路。

①當f＜fo(低頻區)，由于C3相當于開路，所以電路可以等效為2個電路，低頻提升和低頻衰減。

左圖中，增益表達式為;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.

右圖中，增益表達式為;

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

②當f>fo(高頻區)，由于C1,C2相當于短路，所以可以將電路等效為如下電路，此時R4,R1,R2組成星形連接，將其轉換成三角形連接，其電阻轉換關系式為Ra=R1+R4+R1*R4/R2,Rb=R4+R2+R2*R4/R1,Rc=R1+R2+R1R2/R4

若取;R1=R2=R4,則;Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4

左圖中增益表達式為;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

#高低音音調控制電路應用實例;

①原理;在低音區，C1,C2,C3可視為開路，此時電位器RP2基本不起作用，當RP1滑向最左邊時，放大器的輸入電阻減小，反饋電阻增大，放大器的閉環增益增大，低音得到提升，當RP1滑向最右邊時，放大器的輸入電阻增大，反饋電子減小，放大器的閉環增益減小，低音得到衰減。

在高音區C1,C2,C3可視為短路，此時RP1被C1,C2交流短路，調節RP1對高頻信號基本不起作用，當RP2滑向最左邊時，放大器的輸入電阻減小，反饋電阻增大，高音得到提升，當RP2滑向最右邊時，放大器的輸入電阻增大，反饋電阻減小，高音得到衰減。

在中音區，由于C1，C2大于C3，對于中頻信號來說C2,C1相當于短路，C3相當于開路，所以RP1，RP2對中頻信號均不起作用。

#高低音音調控制電路應用實例;

②簡要原理;Ui送入音頻信號，經C1耦合到由V1組成的射極跟隨進行電壓跟隨和阻抗變換，V1的發射極輸出信號經高低音調控制電路提升或衰減之后，由C5耦合到V2進行電壓放大，最終經C耦合RP4音量調節輸出音頻信號。在高低音調控制電路中C4,C6具有通高阻低作用，所以RP2是高音控制電位器，相反在低音區C7,C8,C4,C6相當于開路，所以RP1是低音控制電位器。

#高低音音調控制電路應用實例;

③#簡要原理分析;在低音區，C1,C2,C3,C4可視為開路，此時電位器RP2不起作用，當RP1滑至最上端時，分得的電壓最大，Uo1輸出幅度最大，當RP1滑至最下端時，分得的電壓最小，Uo1輸出幅度最小。

在高音區，C1,C2,C3,C4可視為短路，此時調節電位器RP1對高音不起作用，當RP2滑向最右邊時，分壓最大Uo1輸出幅度最大，當RP2滑向最右邊時，分壓最小，Uo1輸出幅度最小。

在中音區，由于C1,C2, ≥C3,C4,對于中頻信號來說C1,C2相當于短路,C3,C4相當于開路，RP1,RP2均不起作用。

2、消除交越失真的互補輸出級;

在互補對稱無變壓器輸出(OTL)功放電路中，由于靜態時兩管均處于截止狀態，在輸出正負半周的交界處會存在交越失真，消除交越失真的方法是設置合適的靜態工作點，且只能使三極管靜態時處于臨界導通或微導通，以提高效率。

在左圖中，靜態時，電源+VCC經R1,D1,D2,R2到-VCC形成一個直流電流，使V1,V2三極管的兩個基極產生一個電壓UB1B2=UD1+UD2，若二極管與三極管的材料相同，則T1,T2處于微導通狀態。由于二極管的動態電阻很小，可以認為V1,V2的基極動態電位接近相等，且均為Ui,即Ub≈Ub2≈Ui.

為更好消除交越失真，實現溫度補償可采用UBE倍增電路，在左圖中，I4≥IB 即I3≈I4所以;UB1B2≈UCE≈(R3+R4)/R4*UBE=(1+R3/R4)*UBE。

合理選擇R3，R4可以得到UBE任意倍數的值流電壓，故稱為UBE倍增電路，當然在最后級的V1,V2常采用復合管互補輸出，以減小前級驅動電流，也加大驅動能力。

3、語音放大器與混合前置放大器;

#簡要原理分析;如上圖所示由話筒放大與混合前置放大兩級電路組成，其中A1組成同相比例運算放大器，具有較高的輸入阻抗，能與高阻話筒配接作為話筒放大電路，其放大倍數為Au1=1+R2/R1，混合前置級放大器的電路由運放A2組成，這是一個相加法比例放大電路，其Uo的表達式為;

Uo= -[(R3/R4)*Uo1+(R3/R5)*Ui2]。

4、自舉電路;

①當Ui=0時，UD≈VCC-IC3*R5，而A點電壓UA=1/2VCC,電容C5兩端的電壓被充到Uc5=1/2VCC-IC3*R5.

②當Ui為負半周時，V1導通，VA由1/2VCC向大于1/2VCC的方向變化，根據UD=Uc5+VA，所以當VA上升時，UD也升高。

③當Ui足夠大，且在負半周的最大值時，V1飽和導通，UCE≈0，則VA上升到≈VCC,UD=Uc5+VA= Uc5+VCC,所以D點的電位在瞬時時刻比電源電壓還高，故稱為自舉電路。

④在Ui為正半周時，U1截止，D點電壓通過R3,R4給V2基極提供足夠的電壓，使輸出電壓正半周最大幅值達到1/2VCC。

結論;在功率電路中引入自舉電路的目的就是，抬高D點電位，使輸出電壓在正半周和負半周的最大幅值都能達到1/2VCC，以提高電路效率和失真。

九、功放電路實用實例;

1、有變壓器輸出耦合甲乙類功率放大器;

2、復合管OTL甲乙類功率放大器;

V5;前置放大器，工作于甲類狀態;

RP1;調節中點電位=1/2VCC;

*RP2;調節V1,V2,V3,V4的靜態電流，注意電流大小變化，容易燒壞V3~V4,R2,C2自舉電容，抬高B點電位，以減小大信號時的頂部失真，V1,V2組成NPN復合管，V3，V4組成PNP復合管。

3、集成運放與晶體管組成的OCL功率放大器;

①電路工作原理;

V1,V2組成復合NPN管，V3,V4組成復合PNP管，R4,RP2,D1,D2,R5是給復合管提供合適的基極偏置電壓，靜態電流Io=(2VCC-2VD)/(R4+R5+RP2)，為了滿足小靜態功耗和克服交越失真，靜態時V1,V3應工作在微導通狀態，即滿足關系式;VAB=VD1+VD2≈VBE1+VBE3.一般RP1取值為幾百歐或1K精密電位器，R8,R9，為反饋電阻，R10,R11為平衡電阻，R12,C3為消振網絡，可改善負載的高頻特性，Io一般取值為1~3mA以使V2,V3工作于甲乙類狀態，電路的電壓放大倍數Au≈1+(RP1+R3)/R2。

②靜態工作點設置;

電路的靜態工作點主要由Io決定，Io過小會使V2，V4工作于乙類狀態，出現交越失真，Io過大會使靜態功耗增大而效率降低，Io一般對于數瓦的功放取值為1~5mA，以便V2,V4工作于甲乙類狀態。

4、橋式推挽功率放大電路BTL;