【任务描述】

（1）学习功率放大器的基本知识，掌握功率放大电路的技术指标。

（2）掌握OCL互补对称功率放大电路的分析方法。

【知识学习】

一、功率放大电路的特点和分类

前面讨论的各种放大电路的主要任务是使负载上获得尽可能大的不失真电压信号，它们的主要指标是电压放大倍数。而功率放大电路的主要任务则是，在允许的失真限度内，尽可能高效率地向负载提供足够大的功率。因此，功率放大电路的电路形式、工作状态、分析方法等都与小信号放大电路有所不同。对功率放大电路的基本要求是：

（1）输出功率要大。输出功率Po=Uo Io，要获得大的输出功率，不仅要求输出电压高，而且要求输出电流大。因此，晶体管工作在大信号最大限度应用状态下，应用时要考虑晶体管的极限参数，注意晶体管的安全。

（2）效率要高。放大信号的过程就是晶体管按照输入信号的变化规律，将直流电源提供的能量转换为交流能量的过程。其转换效率为负载上获得的信号功率与电源供给的功率之比值，即：

式中，Po为负载上获得的信号功率，PE为电源供给的功率。

（3）合理的设置功放电路的工作状态。功放电路的工作状态有甲类、乙类、甲乙类及丙类。它们的定义如图3.1.1所示。

图3.1.1　功率放大电路的工作状态

由于在能量转换过程中，晶体管要消耗一定的能量，从而造成了η下降。显然，要提高η，就要设法减小晶体管的损耗。而晶体管的损耗与静态工作点密切相关。图3.1.1给出了晶体管的几种工作状态及对应的输出波形。由图可见，甲类工作状态：三极管导通角为2π，工作的整个周期iC始终存在，没有信号输入时，直流电源供给的能量全部消耗在晶体管上，这种状态的效率很低。乙类工作状态：三极管导通角为π，工作的半个周期iC始终存在，另半个周期处于截止状态，在没有信号输入时，iC=0，晶体管不消耗能量，这种状态的效率较高。甲乙类效率介于甲类和乙类之间，三极管导通角大于π小于2π。所以提高效率的途径是降低静态工作点。

（4）失真要小。甲类功放通过合理设置静态工作点，非线性失真可以很小，但其效率较低。乙类状态虽然效率高，但输出波形却出现了严重失真。为了保存乙类状态高效率的优点，可以设想让两个晶体管轮流工作在输入信号的正半周和负半周中，并使负载上得到完整的输出波形，这样既减小了失真，又提高了效率，还扩大了电路的动态范围，因而在实际中得到广泛应用。

由于功率放大电路工作在大信号状态下，所以对功放电路的分析多采用图解法。要确定的主要性能指标是输出功率Po、电源功率PE、损耗PT和效率η。

二、甲类单管功率放大电路

由图3.1.2所示，甲类功率放大电路的优点是波形失真小，但由于静态工作点电流大，故管耗大、电路效率低，所以主要应用于小功率放大电路中。前面讨论的放大电路主要用于增大电压幅度，一般输入输出信号比较小，故均采用甲类放大电路。图中Rb1和Rb2组成偏置电路；Cb、Ce为交流旁路电容；电路中往往还带有输入、输出变压器，输出变压器初级接晶体管的集电极，次级接负载RL，它的作用是进行阻抗变换，使放大电路获得最佳负载，从而提高输出效率。

图3.1.2　单管甲类功率放大电路及图解分析

由于功率管处于极限运用状态下，当忽略UCES和ICBO时，由图可见，集电极电压变化的幅值Ucm≈EC，电流的幅值Icm=IC，故功率管的最大交流输出功率为：

直流电源供给的功率为：

晶体管的集电极最大效率为：

上式表明甲类单管放大电路在理想情况下的效率为50%。在实际应用时，为了避免输出信号失真过大，交流动态范围不能太大，应留有充分的余地，再把变压器的损耗考虑在内，实际的效率只有25～35%。

三、OCL乙类互补放大电路

OCL是无输出电容器（output capacitor less）的英文缩写。(www.daowen.com)

图3.1.3（a）所示电路由两个对称的工作在乙类状态下的射极输出器组合而成。T1（NPN型）和T2（PNP型）是两个特性一致的互补晶体管；电路采用双电源供电，负载直接接到T1、T2的发射极上。因电路没有输出电容和变压器，故称为无输出电容电路，简称OCL路。

设ui为正弦波，当ui处于正半周时，T1导通，T2截止，输出电流iL=iC1流过RL，形成输出正弦波的正半周。当ui处于负半周时，T1截止，T2导通，输出电流iL=-iC2流过RL，其方向与iC1相反，形成输出正弦波的负半周。因此，在信号的一个周期内，输出电流基本上是正弦波电流。由此可见，该电路实现了在静态时晶体管无电流通过，而有信号时，T1、T2轮流导通，组成所谓推挽电路。由于电路结构和两管特性对称，工作时两管互相补充，称“互补对称”电路。

图3.1.3　OCL乙类互补功率放大电路及ui为正时T1的波形

OCL乙类互补放大电路的输出功率、直流电源供给的功率、效率及管耗的计算如下。

1.输出功率

在EC和RL为定值时，乙类互补电路的最大输出功率为

2.直流电源供给的功率

由于Icm1=Icm2=Icm所以在输出最大功率时，两个电源供给的总直流功率为：

即

3.效率

放大电路在最大输出功率时的效率为

此结果是在输入信号足够大和忽略管予的饱和压降UCES情况下得来的，实际效率比这个数值要低些，大概60%，即使如此，也比甲类工作的效率高得多。

4.管耗

互补对称放大电路在输出功率最大的情况下，两管的管耗为

四、OCL甲乙类互补对称电路

图3.1.4所示电路的缺点是当输入信号ui的瞬时值小于T1、T2的死区电压时，三极管不导通，只有当ui的瞬时值越过死区电压以后，管子才导通。因此两管轮流工作衔接不好，出现了一段死区，产生了所谓的“交越失真”，如图3.1.4所示。

为了避免交越失真，通常在每个管子的发射结加上一定的正向偏压，使两管在静态时都处于微导通状态，这样，当有信号时，就可使iC和uBE基本上成线性关系，消除了交越失真，如图3.1.5所示。此时，电路便工作在甲乙类状态。应当指出，为了提高工作效率，在设置偏压时，应尽可能接近乙类状态。

图3.1.5为OCL甲乙类放大电路。T1为前置级，二极管D接在输出级的基极回路内，静态时的D两端有一定的正向压降，给T2、T3提供一个适当的正向偏压，产生相应的偏流，从而避免了交越失真。OCL功放电路的缺点是必须采用双电源供电。

图3.1.4　OCL乙类互补电路的交越失真

图3.1.5　OCL甲乙类放大电路