2.3 功率放大电路

2.3.1 功率放大电路概述

1. 功率放大电路的特点和要求

（1）具有足够大的输出功率

功率放大电路的主要任务是在允许的非线性失真范围内，尽可能大的输出交流功率以推动负载工作。为了得到足够大的输出功率，晶体管工作时的电压和电流应尽可能接近极限参数。

（2）效率高

功率放大电路的效率是指负载上得到的信号功率与电源供给的直流功率之比，用η表示

其中PO为放大电路的交流输出功率；PE为直流电源提供的直流功率。η值越大，功率放大电路的转换效率越高。

（3）非线性失真要小

功率放大电路是在大信号下工作的，信号的作用范围接近晶体管的截止区和饱和区，使得功率放大器产生较大的非线性失真。因此把非线性失真限制在允许的范围内，是设计功率放大电路时必须考虑的问题。

（4）散热性能好

在功率放大电路中，晶体管的集电结因消耗功率使得结温和管壳温度升高。当温度超过晶体管规定的允许结温时，晶体管就会因受热而不能正常工作，甚至损坏。最常用的方法就是加装散热片保护功率管。

2. 功率放大电路的分类

功率放大电路一般是根据功率放大管工作点选择的不同进行分类的。有甲类、乙类及甲乙类功率放大电路，如图2-28所示。

甲类功率放大电路的工作点设置在放大区的中间，如图2-28a所示。这种电路的优点是在输入信号的整个周期内晶体管都处于导通状态，输出信号失真较小；缺点是晶体管静态电流ICQ较大、管耗PC大、电路能量转换效率低。

乙类功率放大电路的工作点设置在截止区，如图2-28b所示。由于晶体管的静态电流ICQ=0，只能对半个周期的输入信号进行放大，需要使用两个功率放大管组合起来交替工作，合成出一个完整的信号。具有转换效率高，但失真大等特点。

甲乙类功率放大电路的工作点设在放大区但接近截止区，如图2-27c所示，即晶体管处于微导通状态，可以有效克服乙类放大电路的失真问题，且能量转换效率也较高，是应用非常广泛的一种类型。

2.3.2 乙类互补对称功率放大电路（OCL电路）

1. 电路组成

乙类双电源互补对称功率放大电路，又称为无输出电容的功率放大电路，简称为OCL电路。在图2-29中，VT1为NPN管、VT2为PNP管，要求两管特性参数一致。两管的基极连在一起作为信号的输入端，发射极连在一起作为信号的输出端，RL作为负载输出。从电路上看，每个管子都组成共集组态放大电路，即射极跟随器，乙类互补对称功率放大电路如图2-29所示。

2. 工作原理

（1）静态分析

由于电路对称，此电路又无偏置电压，故两管的静态参数IBQ、ICQ、UBEQ均为零，即管子工作在截止区，电路属于乙类工作状态，负载上无电流通过，输出电压uo=0。

（2）动态分析

设输入信号为正弦电压ui，如图2-29所示。在正半周时，VT1的发射结正偏导通，VT2发射结反偏截止。信号从VT1的发射极输出（电流ie1经+UCC自上而下流过负载），在负载RL上获得正半周信号电压，有uo≈ui；在ui的负半周，VT1发射结截止，VT2发射结导通，信号从VT2的发射极输出（电流ie2经-UCC自上而下流过负载），在负载RL上获得负半周信号电压，有uo≈ui。在输入信号ui的一个周期内，VT1、VT2管轮流导通，且ie1、ie2流过负载的方向相反，从而形成完整的正弦波。

这种电路的结构对称，且两管在信号的两个半周内轮流导通，它们交替工作，一个“推”，一个“挽”，互相补充，故称为互补对称推挽电路，简称为互补对称式功率放大电路。

3. 功率和效率的估算

（1）输出功率Po

在输入正弦信号作用下，忽略电路失真时，在输出端获得的电压和电流均为正弦信号，由功率定义得

当晶体管进入临界饱和时，输出电压Uom最大，其大小为

Uom（max）=UCC-UCES

若忽略UCES，则

Uom（max）≈UCC

则乙类互补对称功率放大电路（OCL电路）最大不失真输出功率为

（2）直流电流提供的功率PDC

两个电源提供的功率为

输出功率最大时，电源提供的功率也最大，在忽略UCES时

（3）效率η

输出功率与电源提供的功率之比称为电路的效率。在理想情况下，电路的最大效率为

（4）最大管耗PVM

通过分析推导可知每个管子的最大功耗为

PVM1=PVM2≈0.2Po（max）（2-43）

4. 交越失真及其消除

乙类互补对称功率放大电路，在静态时，由于VT1和VT2均为零偏。在输入信号电压过零点的附近，总会有一段信号的幅值低于VT1和VT2的死区电压，两管处于截止状态，输出电压为零，出现了失真，交越失真波形如图2-30所示。由于此失真发生在信号正负交替变化处，故称为交越失真。为了消除交越失真，只需给VT1和VT2提供一个合适的静态偏置，使两管在静态时有一个大小相等的微小电流，使管子处于微导通状态。

5. 甲乙类互补对称功率放大电路

甲乙类互补对称功率放大电路如图2-31所示。图中，R2、VD1、VD2为功率放大管VT1、VT2提供正向偏置电压，适当选择R2，使UB1B2=UR2+UVD1+UVD2值略大于VT1和VT2死区电压之和。由于上、下电路对称，两管静态集电极电流相等，所以中点静态电位UA=0，负载电流等于零。

当输入信号为正半周时，VT1导通，VT2截止，RL上得到正半周信号。当输入信号为负半周时，VT2导通，VT1截止，RL上得到负半周信号。这样在信号一个周期内，电路均有输出，没有死区问题，消除了交越失真。

2.3.3 单电源互补对称功率放大电路（OTL电路）

图2-31所示互补对称功率放大电路中需要正、负两个电源。但在实际电路中，如扩音机电路中，为了简便，常采用单电源供电。为此，可采用图2-32所示单电源供电的互补对称功率放大电路。这种形式的电路无输出变压器，而有输出耦合电容，简称为OTL电路。

在图2-32中，VT1、VT2两管特性相同，电路上下对称。静态时，两管发射极电位为电源电压的一半，即，电容C上的充电电压，负载中没有电流。在输入信号正半周时，VT1导通，VT2截止，VT1以射极输出的方式向负载RL提供电流io=iC1，使负载RL上得到正半周输出电压，同时对电容C充电。在输入信号负半周，VT1截止，VT2导通，电容C通过VT2、RL放电，VT2也以射极输出的方式向RL提供电流io=iC2，在负载RL上得到负半周输出电压。因而在负载RL上得到完整的输出波形。电容C有隔直耦合作用，当电容C足够大时，可认为电容上的电压基本不变，在负半周又起到电源的作用。

通过分析推导得OTL电路输出最大功率为

2.3.4 集成功率放大器

本节以TDA2030音频功率放大器为例加以介绍。

1. TDA2030音频功率放大器

TDA2030是目前性价比较高的功率放大器集成块之一，内部有完善的过载及过热保护，广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。TDA2030A的工作电压范围较广，从±6～±22V都可以正常工作。

TDA2030外形引脚排列如图2-33所示。

2. TDA2030功放的典型应用

（1）双电源（OCL）应用电路

图2-34所示电路是双电源时TDA2030的典型应用电路。R1、R2为电压串联负反馈电阻，与C2构成交流电压串联负反馈电路；VD1、VD2起保护作用，用来泄放RL产生的感生电压，将输出端的最大电压钳位在±（UCC+0.7V）上。C3、C4为去耦电容，用于减少电源内阻对交流信号的影响。C1为耦合电容。

由集成运算放大器知识可知，闭环电压放大倍数为

（2）单电源（OTL）应用电路

图2-35为由TDA2030构成的单电源OTL的应用电路，常用在仅有一组电源的中、小型音响系统中。由于采用单电源供电，故同相输入端用阻值相同的R1、R2组成分压电路，使R2上的电压为UCC/2，经R3加至同相输入端。在静态时，同相输入端、反相输入端和输出端的电压皆为UCC/2。其他元件作用与双电源电路相同。C6是耦合电容，有两个作用：把放大后信号输送给负载；在放大负半周信号时起到电源的作用，静态时其上的电压为UCC/2。