（二十四）【模电】（第八章 功率放大电路）

A 概述

A.a 功率放大电路研究的问题

1 性能指标：
最大输出功率和转换效率。
若已知$U_{om}$，则可得$P_{om}$,$$P_{om}=\frac{U_{om}^2}{R_L}$$
$U_{om}$称为最大不失真输出电压有效值。
最大输出功率与电源损耗的平均功率之比为效率。
转换效率eta：
$$\eta =\frac{P_{om}}{P_V}\times 100\%$$

$P_V$为直流功率

2 分析方法：因大信号作用，故应采用图解法。
3 晶体管选用：根据极限参数选择晶体管。
在功放中，晶体管集电极或发射极电流最大值接近最大集电极电流$I_{CM}$，管压降的最大值接近c-e反向击穿电压$U_{(BR)CEO}$，集电极消耗功率的最大值接近集电极最大耗散功率$P_{CM}$。称为工作在尽限状态。

A.b 对功率放大电路的要求

1 输出功率尽可能大：即在电源电压一定的情况下，最大不失真输出电压$U_{om}$（有效值）最大。
2 效率尽可能高：即电路损耗的直流功率尽可能小，静态时功放管的集电极电流近似为0。

A.c 晶体管的工作方式

1 甲类方式：晶体管在信号的整个周期内均处于导通状态。$\theta =2\pi$
2 乙类方式：晶体管仅在信号的半个周期处于导通状态 $\theta =\pi$
3 甲乙类方式：晶体管在信号的多半个周期处于导通状态。

A.d 功率放大电路的种类

A.d.a 变压器耦合功率放大电路

静态下：
$I_{BQ}=\frac{U_{CC-U_{BEQ}}}{R_b}$

$I_{CQ}=\beta I_{BQ}$

$U_{CEQ}=V_{CC}$

动态下：
$R_L^{\prime }=(\frac{N_1}{N_2}{)}^2{R}_L$
$U_{CE}=-i_C{R}_L^{\prime }$

管压降是静态电压和动态电压叠加，所以会大于电源电压。
$2V_{CC}$：交流电压最大值大于$V_{C}C$那么图中左边就会失真。

• 输入信号增大，输出功率将增大
• 输入信号增大，管子的平均电流不变，等于$I_{CQ}$（交流部分平均为0）。
• 输入信号增大，电源提供的功率不变($P_V=V_{CC}{I}_{CQ}$)，效率增大($P_{om}$增大)。

输入信号为零时，效率为0，但是电源提供的功率不为零。

结构：

• （1）$T_1、T_2$的管型，输入输出特性完全相同。
• （2）采用共射输出方式。
• （3）一个直流电源，采用单电源供电。
• （4）与负载的耦合方式：变压器耦合。

静态：

• $U_B=U_E=0$，管子处于截止状态。

动态

• 信号的正半周$T_1$导通、$T_2$截止（故为乙类）；负半周$T_2$导通、$T_1$截止。两只管子交替工作，称为“推挽”。设$\beta$为常量，则负载上可获得正弦波。输入信号越大，电源提供的功率也越大。
  

A.d.b 2 OTL（无输出变压器）电路

因变压器耦合功放笨重、自身损耗大，故选用OTL电路。

• （1）看管子：$T_1$采用NPN型；$T_2$采用PNP型。
• （2）看输出方式：共集输出
• （3）看供电：单电源供电
• （4）静态：$u_I=U_B=U_E=+\frac{V_{CC}}{2}$
  输入电压的正半周：$+V_{CC}\to T_1\to C\to R_L\to 地$。此时C充电。
  输入电压负半周：$C的“+”\to T_2\to 地\to R_L\to C的“-”$。此时C放电。
  
  $V_{CC}=U_{CE}+\frac{1}{2}{V}_{CC}+U_o$

$U_{om}=\frac{\frac{1}{2}{V}_{CC}-U_{CES}}{\sqrt{2}}$

$P_{om}=\frac{U_{om}^2}{R_L}$

C要足够大才能认为其对交流信号相当于短路。
OTL电路低频特性差。

A.d.c OCL（无输出电容）电路

直接耦合

静态时，$U_{E}Q=U_{BQ}=0$。
输入电压的正半周：$+V_{CC}\to T_1\to R_L\to 地$
输入电压的负半周：$地\to R_L\to T_2\to -V_{CC}$

$U_{om}=\frac{V_{CC}-U_{CES}}{\sqrt{2}}$
$P_{omax}=\frac{U_{om}^2}{R_L}$
两只管子交替导通，两路电源交替供电，双向跟随。

A.d.d BTL电路

特点：

• 双端输入、双端输出形式，输入信号、负载电阻均无接地点。
• 管子多，损耗大，使效率低。

输入电压的正半周：$+V_{CC}\to T_1\to R_L\to T_4\to 地$
输入电压的负半周：$+V_{CC}\to T_2\to R_L\to T_3\to 地$

$U_{om}=\frac{V_{CC}-2U_{CES}}{\sqrt{2}}$

$P_{om}=\frac{U_{om}^2}{R_L}$

几种电路的比较
变压器耦合乙类推挽：单电源供电，笨重，效率低，低频特性差。
OTL电路：单电源供电，低频特性差。
OCL电路：双电源供电，效率高，低频特性好。
BTL电路：单电源供电，低频特性好；双端输入双端输出。

B 互补输出级的分析计算

以OCL电路为例
求解输出功率和效率的方法
在已知$R_L$的情况下，先求出$U_{om}$，则$P_{om}=\frac{U_{om}^2}{R_L}$
然后求出电源的平均功率，$P_V=I_{C(AV)}\cdot V_{CC}$
效率$\eta =P_{om}/P_V$

乙类：交越失真。


输出功率
$U_{om}=\frac{V_{CC}-U_{CES}}{\sqrt{2}}$
大功率管的$U_{CES}$常为2~3V。

$P_{om}=\frac{(V_{CC}-U_{CES}{)}^2}{2R_l}$

效率

$$\eta \le 78.5\%$$

晶体管的极限参数

在输出功率最大时，因管压降最小，故管子损耗不大；输出功率最小时，因集电极电流最小，故管子损耗也不大。
管子功耗与输出电压峰值关系为：

$P_T$对$U_{om}$求导，并令其为0，可得

因此，选择晶体管时，其极限参数满足：

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