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当前位置：功率放大电路
到目前为止，我们学习的放大电路，是以对话筒和放音机等低频微小电压进行放大为目的的，然而，要使扬声器鸣响，电动机转动，必须要有与信号成比例的功率，用于这一目的的放大电路称为功率放大电路。
这里，首先对用于功率放大的功率晶体三极管、散热器、输出变压器等的种类和作用进行学习。
其次对甲类功率放大电路的结构和工作原理进行学习，它具有失真小的优点而适用于小功率放大，但存在效率不高的缺点。
进一步对效率高、可获得大的输出但需两个晶体三极管的乙类推挽功率放大电路，同时对
OTL的代表SEPP功率放大电路等的结构和工作原理进行学习。5.1
功率放大电路的基本事项5.1.1
功率晶体三极管和散热器在放大大信号的功率放大电路中，使用着如图
5.1所示的、输出在数瓦以上的各种各样称为功率晶体三极管的功率放大用晶体三极管。因为集电极流过很大的电流，功率晶体三极管使集电极功耗增加，所以，存在由晶体三极管内部的发热而导致的晶体三极管毁坏的现象。因此，功率晶体三极管，正如在
2.3节的2.3.1的(e)中所叙述过的那样，对应晶体三极管的外部形状，安装上如图5.2所示的散热板，使晶体三极管产生的热散发出去。图5.4所示的是集电极功耗随散热板的大小及环境温度而变化的例子。根据图5.4，当环境温度为25○C时，当散热板的面积为无限大时集电极功耗允许到15W，面积为200cm2时允许到10W，无散热板时，下降到3W。因此，因为功率晶体三极管的最集电极功耗是在环境温度25○C，采用最的散热板，热的发散可理想地进行的前提条件下给出的，所以，实际使用时有必要十分注意。图
5.5所示的是在以利用空气的对流来使散热变得更好而制成的散热板上，晶体三极管的安装方法。5.1.2
输出变压器图
5.6所示的是在集电极回路中作为负载的扬声器直接接入的情况，提供给扬声器的功率变为0.8mW，音量小。可是，如图5.7那样，在晶体三极管和扬声器之间接入称为输出变压器的变换器，当有与图5.6的情况相同的集电极电流流过是提供给扬声器的功率变为120mW，音量变大。那么，让我们对有关输出变压器的作用进行详细的研究。图
5.8是图5.7的原理图表示。为让扬声器鸣响，有必要在称为音频输出线圈的扬声器线圈中施加电信号。这一音频输出线圈的输入阻抗在
4～?Ω的范围内，值较不。在晶体三极管功率放大电路中，下节将要学习由电源电压、集电极直流电流等决定可获得最大功率的负载的最佳值。因此，扬声器的输入阻抗从外表看变大，为使其成为最佳负载，故在晶体三极管和扬声器间接入输出变压器。
图
5.10所示的是输出变压器的初级端加上v1，次级端接入负载Z2的电路。根据图5.10，得Z1和Z2满足下式：
这里，
Z1称为输入阻抗，Z2称为输出阻抗，在扬声器的情况下相当于音频线圈的输入阻抗，另外n1/n2称为匝比。例如，设初级线圈匝数为
1000匝，次级线圈匝数为200匝，音频线圈的阻抗为，则输入阻抗8Ω如下所示：
因此，由于使用了输出变压器，仅有
8Ω的音频线圈的阻抗也可以变换为200Ω的阻抗。5.2
甲类功率放大电路5.2.1
什么是甲类功率放大电路所谓甲类如在
3.6节中所述，是指根据工作点的设定对放大电路的分类。即在集电极中无信号时也有直流集电极电流流过，一旦加入输入信号，则集电极电流ic在以Ic为中心与输入信号成比例变化的放大电路，有Ic>ic。甲类功率放大电路，电路简单，失真小，适用于小输出的功率放大（参照图5.11）。5.2.2
交流负载线和工作点图
5.12所示的是用扬声器作为负载的甲类功率放大电路。通常，为处理大信号，功率放大电路的工作范围变宽，因而使用由小信号变化获得的h参数进行计算，其误差变大，所以采用使用特性曲线的作图方法。图
5.13所示的是对图5.12的电路按下面的顺序确定的工作点。只是，假设输出变压器的初级端的阻抗200Ω为，直流电阻为11.2Ω。⑴直流负载线
(
ⅰ)根据IC1=VCC/（直流负载电阻+发射极电阻），求解IC1，这个值在图上取纵轴上的D点来表示（IC1=6/(11.2+5)=0.37A:D点）。(
ⅱ)连接D点和VCC(0.37A,6V)。⑵平行负载线
(
ⅰ)根据IC2=VCC/（交流负载阻抗），求解IC2，这个值在图上取纵轴上的A点来表示（IC2=6/200=0.03A:A点）。(
ⅱ)连接A点和VCC(0.03A,6V)。⑶交流负载线
将平行负载线平行移动，这一线段与直流负载线相比，在满足P1P=PP2，即被二等分的点处，画出交流负载线。⑷工作点
P 直流负载线和交流负载线的交点P成为工作点。5.2.3
输出功率现在，一旦对图
5.12的电路加上5mV的输入电压，就仅在图5.13的交流负载线部分呈现出放大了的如图5.14所示的以工作点P为中心的输出电压、输出电流。这里，因为输出电压的有效值为1.27V，输出电流的有效值为5.7mA，所以输出功率约为7.3mW。5.2.4
最大输出功率和电源效率(a)
最大输出功率为了最大限度地利用晶体三极管，获得最大的输出，如图
5.15所示，在理想状态下输出电压的最大值成为VCC，输出电流的最大值成为ICm。根据图
5.15得最大输出功率Pom如下表示：
因此，最大输出功率由电源电压
VCC和交流负载RL决定，在图5.12的电路中有Pom=90mW。还有，在设计功率放大电路之际，首先根据所要求的输出功率决定
VCC、RL，进而设晶体三极管的允许电压大于2VCC，允许电流大于5～10IC，允许功率大于2VCEIC，在图5.13中以虚线表示的集电极功耗线内，留有足够的冗余来选择工作点。(b)
电源效率从负载获得的最大输出功率
Pom和电源所提供的直流功率PDC之比，称为电源效率η，表示提供功率利用的比率，η如下所示（参照图5.16）：η
=Pom/PDC在甲类功率放大电路的情况下，从电源提供的集电极电流如图
5.17成为ICm电源效率ηA如下所示：
因此，即使是在最大输出时，电源效率也只有
50％，实际上由于电路的损耗等，效率只达30％～40％的程度。5.3
乙类推挽功率放大电路5.3.1
什么是乙类所谓乙类是指无信号时集电极无电流，而施加信号电压时集电极电流流通的放大电路。因此，输出只是对输入的一半进行了放大，失真严重，就那样不能使用（参照图
5.18）。在这里，使用两组乙类放大电路，在输入信号的每半个周期中，分别由上下两个放大电路工作，再将其输出进行合成。这称为乙类推挽放大电路。在乙类推挽放大电路中，根据是否使用变压器有如图
5.19所示的种类。5.3.2
使用输出变压器的乙类推挽功率放大电路图
5.20所示的是通常被广泛应用的使用输出变压器的乙类推挽功率放大电路，因为对基准点（地）而言有两个输出端，故也称为DEPP（Double Ended Push-Pull）电路。选择特性相一致的两个晶体三极管，上下对称地组成电路，其工作原理如图5.21所示。（
a）工作原理若输入信号施加在带有中间争接头的输入变压器的初级，则在次级，以中间分接头作为公共端，产生相位差
180○的不同电压，同时地施加在两个晶体三极管上。在输入信号
vi的正半周期，对Tr1的基极加上了正的信号电压，在基极-发射极间加上正向偏置，Tr1的集电极电流ic1流通。这时，因为对Tr2的基极施加了负的信号电压，所以对Tr2成为反向偏置，集电极无电流通过。在输入信号
vi的负半周期，因对Tr1的基极施加了负的信号电压，所以Tr1中无集电极电流流过。这时，因对Tr2的基极加上了正的信号电压，所以Tr2中集电极电流ic2流通。如此，当输入信号为正半周期时
Tr1工作，而当输入信号为负半周期时Tr2工作。因此，遍布地输入信号的整个周期，可获取放大了的输出信号。（
b）最大输出功率根据图
5.22，最大的输出功率如下式所示：
式中，
RL=VCC/IC。另外，根据图
5.23，因为Tr1、Tr2的集电极C和中央端点间的负载RL变为Zi=4RL，所以有
因此，图
5.20电路的理想状态下的最大输出功率如下所示：
（
c）电源效率电源中流过如图
5.24（a）、（b）所示的ic1和ic2之和icc。这里icc的平均值IDC为2IC/π（参照图5.24（c））。由此，得电源的平均功率
PDC如下表示：
因此，最大输出时的电源效率η为
由此可见，与甲类时的
50％效率相比，效率相当的好。5.3.3 OTL
中典型的SEPP功率放大电路由于推挽放大电路中使用的输出变压器，成为频率特性变坏及产生失真等的原因，所以如果扬声器的音频线圈阻抗与晶体三极管电路的阻抗相匹配，则不需要有输出变压器。
于是，就有不使用输出变压器，使负载可直接驱动的
OTL（Output Transformerless）电路。作为OTL电路的代表，现在被应用得最多的是输出端对基准点（地）为1个的SEPP（Single Ended Push-Pull）电路。图
5.25所示的是由npn型和pnp型的晶体三极管组合而成的互补SEPP电路（Complementary：互补）的基本电路。图
5.25中，在输入信号的正半周期npn型和Tr1管工作，集电极电流ic1流通。这时的电源为VCC，当ic1流过时，大容量的电容器C按图示极性充电。接着，在输入信号的负半周期
pnp型的Tr2管工作，电容C上被充好的电压当作电源使用，集电极电流ic2流通。因此，扬声器随输入信号振动。还有，电容C的静电电容通常为100～300μF，在Hi-Fi放大器中需要1000μF程度的电容。这一电路的最大输出功率
Pom，因集电极电流的最大值Icm=(VCC/2)/RL=VCC/(2RL)，输出电压的最大值为VCC/2，故如下所示：
本章小结
散热板
因为功率晶体三极管通常在使用时流过大的集电极电流，所以集电极功耗增加，使管子发热。为此，安装适合三极管形状的散热板进行散热。
输出变压器
接在晶体三极管与负载之间，使从外向内看去负载的阻抗增大，变为晶体三极管输出电路的最佳负载。
假设输出变压器的初级端线圈的匝数为
n1，次级端线圈的匝数为n2，则输出变压器的输入阻抗和负载阻抗之间有如下关系。
甲类功率放大电路
工作点取在负载线的中央，失真小，电路简单，适用于不功率放大。
乙类推挽功率放大电路
使用特性一致的
2个晶体三极管，交替地进行乙类的工作，并以合成的波形作为输出。功率利用率高，适用于大功率放大
最大输出功率
Pom由电源电压
VCC和交流负载RL决定。甲类的情况：
Pom=VCC2/RL乙类推挽的情况：
只是，输出变压器的交流负载如图
5.26(a)、(b)所示。电源效率η
是从负载可获取的最大输出功率
Pom与电源所提供的直流功率PDC之比，表示直流功率的利用率，如下表示：η
=Pom/PDC最大输出时，甲类为
50％，乙类推挽为78％，乙类推挽的效率高。互补
SEPP功率放大电路是不使用输出变压器负载，直接接入晶体三极管输出回路的
OTL电路中的一种代表电路，通过npn型和pnp型的晶体三极管互相组合，分别对在正、负半周期中接收的功率进行放大。最大输出如下所示：P
om=VCC2/8RL式中，
RL是负载为扬声器的情况下音频输出变压器的阻抗。上一篇：场效应晶体管（FET）放大器的设计 2025-12-31
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