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功率放大器基礎知識詳解
功率放大器基礎知識詳解

功率放大器的特點及分類

一個實用的電子放大系統都是一個多級的放大電路，在實際應用中，要求這種多級放大電路的輸出級能帶動一定的負載，如使揚聲器發出聲音；推動電動機旋轉；使電視機中熒光屏上的光點隨信號偏轉；使蜂窩移動系統中的基站發射機中的天線有較大的輻射功率等等。這就要求多級放大電路的輸出級能夠給負載提供足夠大的信號功率，我們一般將這樣的輸出級稱為功率放大器，簡稱功放。

雖然功放與電壓放大電路沒有本質的區別，但應注意到，它們所要完成的任務是不同的。電壓放大電路的目標是使負載得到較大的不失真的電壓信號，它是“小信號”放大，以微變等效電路分析方法為主。而功放的目標是向負載提供足夠大的功率，它工作于“大信號”狀態，通常采用圖解法來分析。

6.1.1 功率放大器的特點

1.輸出功率要大

功率放大器的主要任務是在允許的非線性失真范圍內，盡可能大的輸出交流功率以推動負載工作。為此，功放管一般工作在大信號狀態，以不超過管子的極限參數（ICM、

U（BR）CEO、PCM）為限度，因此功放管安全工作就成為功放的重要問題。

2.效率η要高

功率放大器的輸出功率是由直流電源功率轉換而來的。在轉換過程中，一部分轉換為負載的有用功率，即輸出功率；另一部分則成為晶體管的損耗，使集電結發熱。通常把這種轉換稱為功率放大器的效率，用η表示。

η=Po/Pe*100﹪ (6.1)

式中，Po為放大器向負載提供的交流輸出功率；

PE為直流電源提供的直流功率。

功放要求高效率地工作，一方面是為了提高輸出功率，另一方面是為了降低管耗

Pc=Pe-Po (6.2)



管耗過大將使功放管發熱損壞。所以對于功放提高功率也是一個重要問題。



3.非線性失真要小

功率放大電路是在大信號下工作的，信號的作用范圍接近晶體管的截止區和飽和區，將使功率放大器不可以避免地產生較大的非線性失真。而且同一功率管輸出功率越大，非線性失真往往越嚴重。因此，功率放大器的輸出功率，就是在規定的非線性失真范圍內的最大輸出功率。

4.功率管的散熱和保護

(1) 功率管的散熱

在功放中，晶體管的集電結消耗較大的功率使結溫和管殼溫度升高。當溫度超過手冊中規定的允許結溫時，管子就會因過熱而不能正常工作，甚至損壞。要充分發揮管子的潛力，就要創造一個良好的散熱條件，使熱阻減小，最常用的是加裝散熱片。散熱片是由導熱性能良好的金屬鋁制成的，其散熱能力與散熱片的面積、厚度、形狀、放置方式、環境溫度有關。此外，為了得到較好的散熱效果，必須保證散熱片與管殼有良好的接觸，有效的接觸面積盡可能大，散熱片應涂成黑色，以易于吸熱、散熱。

(2) 功放管的保護電路

在功放電路中，為了輸出較大的信號功率，功放管往往工作在大電流和高電壓的情況下，功放管損壞的幾率比較大，采取措施保護功放管也是功放電路要考慮的問題。限制管耗的常用方法是限制流過功放管的輸出電流I0，針對這一思路，我們有相應的保護電路，這里舉一個常見的二極管輸出限流保護電路為例。

如圖6.2所示電路中采用二極管輸出限流保護電路。D3、D4是附加的限流二極管。正常情況下， D3、D4不起作用。如果正向電流過大，則RE2上的壓降增大，使D3正向偏置，由截止變為導通，從而分去T2的一部分基極電流，使輸出電流減小。最大輸出電流約為

IcMax=Ud2/Re2 (6.3)

如果設UD3≈0.6V，RE2=10V，則IOMAX≈60MA。由于D3≈16V，具有負的溫度系數，因此當環境溫度升高時，二極管的正向電壓降低，從而使輸出電流的最大值也相應減小，這也有利于控制功放管的結溫不致于升高。如果負向電流過大，則D4導通，其保護原理不再贅述。

6.1.2 功率放大器的分類

如按放大信號的工作頻段劃分，可分為低頻功率放大器及高頻功率放大器。低頻功放用

于放大音頻范圍（幾十赫～幾十千赫）的信號；高頻功率放大器是用來放大幾百千赫～幾千兆赫的高頻信號。如按工作頻帶的寬窄劃分，又可分為窄帶功率放大器和寬帶功率放大器。前者由于使用選頻網絡作為輸出回路，所以又稱為諧振功率放大器，而寬帶功放的輸出回路則是非調諧的負載如電阻或變壓器等。如按晶體管的工作狀態劃分，功率放大器可分為甲類、乙類、甲乙類和丙類四種工作狀態。

(1) 甲類工作狀態

在甲類工作狀態下，功率放大器的靜態工作點Q選在晶體管的放大區，且信號的作用范圍也限制在放大區內，如圖6.3(a)所示。此時在輸入信號的整個周期內，放大器均有集電極電流。

(2) 乙類工作狀態

在乙類工作狀態下，功率放大器的靜態工作點Q選在晶體管的截止區邊緣，信號的作用范圍一半在放大區，另一半在截止區，如圖6.3(b)所示。此時只有輸入信號的半個周期內，放大器有集電極電流。



(3) 甲乙類工作狀態

甲乙類工作狀態是介于甲類和乙類之間的工作狀態。其靜態工作點選在靠近截止區的位置，信號的作用范圍大部分在放大區，少部分在截止區，如圖6.3(c)所示。此時僅在輸入信號的多半個周期內，放大器有集電極電流。

(4) 丙類工作狀態

丙類工作狀態，功率放大器的靜態工作點Q選在晶體管的截止區內，信號的作用范圍大部分在截止區，少部分在放大區，如圖6.3(d)所示。此時僅在輸入信號的少半個周期內，放大器有集電極電流。



?由圖6.3可以看出，在相同激勵信號作用下，丙類功放集電極電流的流通時間最短，一個周其平均功耗最低，而甲類功放的功耗最高。分析表明，相同輸入信號下如果維持輸出功率不變，4類功放的效率滿足：η甲<η甲乙<η乙<η丙。理想情況下，甲類功放的最高效率為50﹪，乙類功放的最高效率為78.5﹪，丙類功放的最高效率可達85﹪～90﹪。但丙類功放要求特殊形式的負載，不適用于低頻。低頻功率放大器只使用前3種工作狀態。

6.2 低頻功率放大器

工作在甲類的功放雖然非線性失真小，但效率太低。所以除了作末級功放的推動級外，很少用作末級功放。乙類和甲乙類放大電路的功率轉換效率較高，但都存在著波形失真的問題，解決失真問題的方法是：用兩個工作在乙類狀態下的放大器，分別放大輸入的正、負半周信號，同時采取措施，使放大后的正、負半周信號能加在負載上面，在負載上獲得一個完整的波形。利用這種方式工作的功放電路稱為乙類互補對稱電路，也稱為推挽功率放大電路。

推挽功率放大電路有單電源和雙電源兩種類型。單電源的電路通常稱為OTL(無輸出變壓器)功率放大器，雙電源的電路通常稱為OCL(無輸出電容)功率放大器

6.2.1 乙類互補對稱功率放大器（OCL電路）

1.OCL電路組成及工作原理

乙類互補對稱功放是由兩個射極輸出器，如圖6.4所示。由于管子T1和T2發射結都未加偏置，故當輸入信號ui=0時，兩個管子都截止，即工作于乙類狀態。



很明顯，當輸入信號為正半周時，T1導通T2截止，輸出電流ie通過負載RL；而在負半周時，T2導通T1截止，輸出電流 通過負載RL，波形如圖所示，可見，利用兩只特性對稱的反型管子（一個為NPN型，另一個為PNP型），把它們的基極相連作為輸入，射極相連作為輸出。在輸入信號的作用下，T1和T2輪流導通，每管各承擔半個周期的放大任務，就像兩個人拉鋸似的，你推我拉（挽），所以把這種工作方式稱為推挽方式。

在電路中，由于T1、T2互相對稱，交替工作，相互補充，共同完成放大功能，所以稱該電路為乙類互補對稱功率放大電路。這種電路又稱為無輸出電容的功率放大電路，即OCL（Output Capacitor Less）電路。

2.OCL電路性能分析

功率放大器在工作時，信號的作用范圍將進入晶體管的非線性區，甚至工作于強非線性區內。所以晶體管不能近似等效為一個線性器件了，因此，通常都采用圖解法來分析。

為了便于分析，假設T1與T2管的特性完全相同，且將T2管的特性曲線倒置在T1管的右下方，并令二者在Q點，即uce=Ucc處重合，形成T1和T2管的合成曲線，如圖6.5所示。





(2) 電源供給功率(PE)

在乙類互補對稱功放中，當無信號輸入時,兩管集電極電流ICQ均為零，電源不提供功率，此時PE=0。在有信號輸入時，兩管交替工作，這時電源將提供功率，而且隨輸入信號的增強，集電極電流iC1及iC2幅度的增長，電源提供的功率要增加，欲計算電源供給功率，就必須求出通過單電源的電流平均值（即直流分量）。如輸入信號為正弦波，則

(3) 管耗（PC）

電源供給功率一部分轉換成有用功率輸出了，而另一部分則以發熱的形式消耗在晶體管上。因此，電源供給功率與輸出功率之差，就是集電極管耗，又稱管耗，用PC表示。兩個管子的總管耗為

PC = PE－Po (6.8)

每只功率管的管耗為

PC1 = PC2 =1/2(PE－Po) (6.9)

必須指出，乙類互補對稱功放，在輸出最大功率時，管耗并不是最大。也就是說，集電極最大管耗不是出現在輸出最大功率時，這是因為當輸入信號的大小變化時，輸出功率和電源供給功率都在變化，所以它們的差值，即管耗亦在隨輸入信號變化，其規律為





(4) 效率（ η ）

輸出功率Po與電源供給功率PE的比值稱為晶體管集電極的轉換效率，用表示。

η=Po/Pe (6.13)

當晶體管輸出最大功率時，由于Ucem≈Ucc, 所以這時的轉換效率也最高

ηmax=∏/4=75% (6.14)

實際上，在考慮飽和壓降與穿透電流等因素后，晶體管的轉換效率會有所降低，通常為60﹪左右，但總比甲類功放要高得多。

(5) 功率管的耐壓

在有激勵信號且乙類推挽放大器其中一管處于截止狀態時，功放管集電極與發射極之間承受的反向電壓較大，它等于電源電壓和輸出電壓幅度之和。當Ucem≈Ucc時，反向電壓最大，即



6.2.2 交越失真及甲乙類互補對稱功率放大電路

1.交越失真

在乙類互補對稱功放中，由于工作點設置在截止區邊緣，在無信號輸入時，IBQ及ICQ均等于零。這樣在當有信號輸入時，由于進入了輸入特性曲線的彎曲部分（起始區），會使T1和T2管的基極電流ib1和ib2的底部產生失真，如圖6.6所示。為了便于分析，把兩管的輸入特性曲線畫在了一起，橫軸上部為T1管的輸入特性曲線；橫軸下部為T2管的輸入特性曲線。可清楚的看出，在輸入正弦波時基極電流失真的情況。不難想象，經放大后的集電極電流波形也會出現同樣的失真。通常把輸出電流ic在交接處產生的失真稱為交越失真。這是乙類功放所特有的。為了消除交越失真，我們引入了甲乙類互補對稱功放。



2.甲乙類互補對稱功率放大電路

電路如圖6.7所示。通常在兩基極間加入二極管(或電阻，或二極管和電阻結合)，以供給T1和T2兩管一定的正向偏壓（對于鍺管約為0.2V，硅管約為0.7V），避開輸入特性的彎曲部分，使兩管在靜態時都處于微導通狀態，嚴格的講這時已不是乙類狀態，而是甲乙類工作狀態。此時，該電路的UBE=UBEQ，使電路處于微導通狀態，從而消除了交越失真。

甲乙類功放的工作與乙類狀態差別不大，因此上面乙類互補對稱功放的分析和計算在ICQ很小的甲乙類電路中仍可適用。



6.2.3 單電源互補對稱功率放大電路（OTL）

1.OTL電路的組成及工作原理

單電源互補對稱功放原理電路，如圖6.8所示。它與圖6.4的OCL電路區別是在輸出電路中串接了電容C，從而省掉了一組負電源，只用一個電源Ucc。由于這種電路的輸出通過電容C與負載RL耦合，而不用變壓器，所以稱這種電路為OTL電路。



圖中T1、T2的特性一致，即是互補對稱的。對直流電源Ucc而言，T1與T2是串聯的，因此， 串接點A的直流電位為1/2Ucc，電容C也被充電到1/2Ucc ，由于C的容量足夠大（通常選時間常數RLC遠大于工作信號的周期），因此可認為在信號作用過程中，C上充有的電壓1/2Ucc近似不變，并用它作為T2的直流供電電壓。T1的直流供電電壓為Ucc與Uc之差，也是1/2Ucc 。

這樣用單電源1/2Ucc和大電容C就起到雙電源的作用，其性能分析、能量關系等均與雙電源OCL電路基本相同。但要注意，由于單電源OTL電路，每管的等效電源電壓為，故應將雙電源OCL電路的能量關系中的Ucc改為1/2Ucc 。

2.實用的單電源互補對稱放大電路

圖6.9是實用的單電源互補對稱電路，圖中三極管T1組成典型的甲類電壓放大電路，用作推動級，它給輸出級提供足夠大的信號電壓和信號電流。三極管T2和T3組成互補對稱電壓的輸出級。靜態時，調節電位器RP1的大小，可以使Ic1、UB2、 UB3適當變化，從而達到K點UK＝?UCC (因而K點稱為中點)；此外，RP1還具有穩定K點電位的作用。例如，由于溫度變化使UK升高，通過RP1和R1分壓，使T1基極

電位升高， Ic1增加，T2、T3基極電位下降，引起UK下降。

顯然RP1不但對K點直流電位具有穩定作用，對K點的交流電位也具有穩定作用，可以改善放大電路的動態性能。RP1實際上是引入了電壓并聯負反饋。調整電位器RP2，可使推動級T1的靜態電流Ic1 在RP2、D1、D2上產生的壓降，為T2、T3提供適當的偏置，保證T2、T3的工作方式為甲乙類放大；同時D1、D2具有溫度補償作用，利用它們管壓降的負溫度系數去補償T2、T3管UBE的負溫度系數，從而使T2、T3的靜態電流不隨溫度而變。

圖6.9的電路中R3和C2的接入可以提高互補對稱電路的正向輸出電壓幅度，使輸出電壓變化范圍接近?UCC，此時，T2、T3應輪流工作在接近飽和的狀態。如果不接R3和C2，即將R3短路，當ui為負半周，T1的輸出電壓處于下半周并增大時，T1的集電極電位及T2的基極電位上升，負載上得到的輸出信號電壓也在增大，但此時T2的基極電流也增加，由于R2和UBE2的存在，又由于A點的電位不變，當K點電位向＋UCC接近時，T2的基極電位和基極電流的進一步上升將受到限制，T2管因而無法進入飽和狀態，故最大輸出電壓幅值將小于?UCC。解決這個問題的關鍵是設法使A點的電位隨K點的電位升高而升高，圖6.9所示的實用電路就是根據上面的設想而增加了R3和C2這兩個元件的。

靜態時，UA≈UCC－ Ic1 ，而UK＝?UCC，因此電容C2兩端電壓Uc2＝UA－UK＝ ?UCC － Ic1 R3≈ ?UCC 。如果R3 、C2遠大于工作信號周期，則C2兩端電壓UC2將不隨輸入信號ui變化而變化，基本保持為常數。當輸入信號ui為負半周時，T2導通，uK將由靜態時的?UCC向更正方向變化，而A點電位uA＝＋uK，uK增加，uA也隨著增加，即A點的電位隨著K點的電位升高而自動升高。這樣就有足夠的電流流過T2基極，保證T2達到飽和狀態。這樣可使最大輸出電壓幅值接近?UCC。這種工作方式稱為自舉，所謂自舉就是靠電路本身把A點的電位提高了，故電路稱為自舉電路。當uK大于?UCC時，uA還可大于UCC。電路中接入R3是必要的，若R3＝0，則uA＝UCC，不可能大于UCC。

由于推動級和功率放大級采用直接耦合，兩級之間存著互相聯系和影響，因此不能分級調整，從而調整比較困難。一般先將RP2調到最小位置，然后調整RP1使UK＝?UCC，再調整RP2使T2、T3工作在甲乙類，建立合適的和值，最后加入交流信號調節RP2使輸出波形剛好沒有交越失真為止。由于兩級間的工作點互相牽連，故調整靜態電流和時將影響K點電位，調K點電位時又影響靜態電流，因此需要反復耐心地調整到滿意為止。調試中千萬不能將RP2斷開，否則b2點電位升高，b3點電位變低，將使T2、T3電流變大而導致損壞。

6.2.5 準互補推挽功率放大電路

1.復合管的構成

圖6.11為復合管的兩種形式。圖(a)為兩只NPN管等效一只NPN管，這種復合接法稱為達林頓接法；圖(b)中T1為PNP管，T2為NPN管，二者等效一只PNP管。可見，復合管的類型取決于第一個晶體管的類型。在構成復合管時應保證兩管的基極電流能流通，而且第一管的集電極不能和第二管的發射極接在一起，以免集電極電壓受發射極電壓的鉗制。

6.4.3 丙類放大器的工作狀態

人們根據是否進入器件的截止區，以及進入截止區的深入程度，把放大電路分為甲類、乙類、甲乙類和丙類四種工作狀態。在丙類放大器中，有時需要進入晶體管的飽和區，以獲得人們期望的某種結果。因此，又根據是否進入器件的飽和區，以及進入飽和區的深入程度，把丙類放大器分為欠壓、臨界和過壓三種工作狀態。

由分析得知，丙類放大器的器件是否進入飽和區與電源電壓UCC、基極偏置UBB、輸入信號幅度Uim以及負載電阻R有關，當它們取不同數值時，可使丙類放大器工作于不同狀態。為說明問題，現假定UCC、UBB及R不變，僅輸入信號的幅度Uim變化（由小到大），丙類放大器的工作狀態將歷經怎樣的過程呢？

丙類放大器的器件，其轉移特性曲線如圖6.22(a)所示。在考慮到飽和區后，其折線由三段構成。當輸入信號的幅度由小到大變化時，如圖(b)所示。



經作圖得到所對應的集電極電流波形，如圖(c)所示。可見，當輸入信號幅度Uim 較小時，信號的動態范圍局限在截止區與放大區內，集電極電流為較小的尖頂余弦脈沖，通常稱這種工作狀態為欠壓狀態。隨著Uim的增大，尖頂余弦脈沖的幅度Im也在增加，當Uim增大到飽和區邊緣時，尖頂余弦脈沖的幅度達到最大值，稱這時丙類放大器工作于臨界狀態，如圖(c)所示。如果繼續增大Uim，將使信號的動態范圍進入飽和區，經作圖可以看出，此時得到的集電極電流的波形，將出現下凹，產生嚴重失真，這是由于輸入信號幅度過大引起的，在飽和乃至深飽和情況下，基極電流變大，基極注入的空穴與發射極進入基區的電子大量復合，使集電極收集到的電子減少，于是ic下降，所以稱這種狀態為過壓狀態。

可見，丙類放大器隨輸入信號幅度由小到大的變化，工作狀態由欠壓經臨界而進入過壓。同理，當UCC、UBB、Uim不變，僅改變負載電阻R，也將經歷這三種工作狀態。

顯而易見，從輸出功率和效率的觀點來觀察時，丙類放大器多工作于臨界狀態，這樣既可獲得最大功率輸出，又能達到較高的效率。欠壓狀態由于Im較小，其輸出功率和效率不高，很少采用；而過壓狀態由于集電極電流產生嚴重的非線性失真，亦很少采用，即使應用也大部工作于弱過壓狀態，即剛剛進入飽和區。