2.3 功率放大電路

2.3.1 功率放大電路概述

1. 功率放大電路的特點和要求

（1）具有足夠大的輸出功率

功率放大電路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。為了得到足夠大的輸出功率，晶體管工作時的電壓和電流應盡可能接近極限參數。

（2）效率高

功率放大電路的效率是指負載上得到的信號功率與電源供給的直流功率之比，用η表示

其中PO為放大電路的交流輸出功率；PE為直流電源提供的直流功率。η值越大，功率放大電路的轉換效率越高。

（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，使得功率放大器產生較大的非線性失真。因此把非線性失真限制在允許的范圍內，是設計功率放大電路時必須考慮的問題。

（4）散熱性能好

在功率放大電路中，晶體管的集電結因消耗功率使得結溫和管殼溫度升高。當溫度超過晶體管規定的允許結溫時，晶體管就會因受熱而不能正常工作，甚至損壞。最常用的方法就是加裝散熱片保護功率管。

2. 功率放大電路的分類

功率放大電路一般是根據功率放大管工作點選擇的不同進行分類的。有甲類、乙類及甲乙類功率放大電路，如圖2-28所示。

甲類功率放大電路的工作點設置在放大區的中間，如圖2-28a所示。這種電路的優點是在輸入信號的整個周期內晶體管都處于導通狀態，輸出信號失真較?。蝗秉c是晶體管靜態電流ICQ較大、管耗PC大、電路能量轉換效率低。

乙類功率放大電路的工作點設置在截止區，如圖2-28b所示。由于晶體管的靜態電流ICQ=0，只能對半個周期的輸入信號進行放大，需要使用兩個功率放大管組合起來交替工作，合成出一個完整的信號。具有轉換效率高，但失真大等特點。

甲乙類功率放大電路的工作點設在放大區但接近截止區，如圖2-27c所示，即晶體管處于微導通狀態，可以有效克服乙類放大電路的失真問題，且能量轉換效率也較高，是應用非常廣泛的一種類型。

2.3.2 乙類互補對稱功率放大電路（OCL電路）

1. 電路組成

乙類雙電源互補對稱功率放大電路，又稱為無輸出電容的功率放大電路，簡稱為OCL電路。在圖2-29中，VT1為NPN管、VT2為PNP管，要求兩管特性參數一致。兩管的基極連在一起作為信號的輸入端，發射極連在一起作為信號的輸出端，RL作為負載輸出。從電路上看，每個管子都組成共集組態放大電路，即射極跟隨器，乙類互補對稱功率放大電路如圖2-29所示。

2. 工作原理

（1）靜態分析

由于電路對稱，此電路又無偏置電壓，故兩管的靜態參數IBQ、ICQ、UBEQ均為零，即管子工作在截止區，電路屬于乙類工作狀態，負載上無電流通過，輸出電壓uo=0。

（2）動態分析

設輸入信號為正弦電壓ui，如圖2-29所示。在正半周時，VT1的發射結正偏導通，VT2發射結反偏截止。信號從VT1的發射極輸出（電流ie1經+UCC自上而下流過負載），在負載RL上獲得正半周信號電壓，有uo≈ui；在ui的負半周，VT1發射結截止，VT2發射結導通，信號從VT2的發射極輸出（電流ie2經-UCC自上而下流過負載），在負載RL上獲得負半周信號電壓，有uo≈ui。在輸入信號ui的一個周期內，VT1、VT2管輪流導通，且ie1、ie2流過負載的方向相反，從而形成完整的正弦波。

這種電路的結構對稱，且兩管在信號的兩個半周內輪流導通，它們交替工作，一個“推”，一個“挽”，互相補充，故稱為互補對稱推挽電路，簡稱為互補對稱式功率放大電路。

3. 功率和效率的估算

（1）輸出功率Po

在輸入正弦信號作用下，忽略電路失真時，在輸出端獲得的電壓和電流均為正弦信號，由功率定義得

當晶體管進入臨界飽和時，輸出電壓Uom最大，其大小為

Uom（max）=UCC-UCES

若忽略UCES，則

Uom（max）≈UCC

則乙類互補對稱功率放大電路（OCL電路）最大不失真輸出功率為

（2）直流電流提供的功率PDC

兩個電源提供的功率為

輸出功率最大時，電源提供的功率也最大，在忽略UCES時

（3）效率η

輸出功率與電源提供的功率之比稱為電路的效率。在理想情況下，電路的最大效率為

（4）最大管耗PVM

通過分析推導可知每個管子的最大功耗為

PVM1=PVM2≈0.2Po（max）（2-43）

4. 交越失真及其消除

乙類互補對稱功率放大電路，在靜態時，由于VT1和VT2均為零偏。在輸入信號電壓過零點的附近，總會有一段信號的幅值低于VT1和VT2的死區電壓，兩管處于截止狀態，輸出電壓為零，出現了失真，交越失真波形如圖2-30所示。由于此失真發生在信號正負交替變化處，故稱為交越失真。為了消除交越失真，只需給VT1和VT2提供一個合適的靜態偏置，使兩管在靜態時有一個大小相等的微小電流，使管子處于微導通狀態。

5. 甲乙類互補對稱功率放大電路

甲乙類互補對稱功率放大電路如圖2-31所示。圖中，R2、VD1、VD2為功率放大管VT1、VT2提供正向偏置電壓，適當選擇R2，使UB1B2=UR2+UVD1+UVD2值略大于VT1和VT2死區電壓之和。由于上、下電路對稱，兩管靜態集電極電流相等，所以中點靜態電位UA=0，負載電流等于零。

當輸入信號為正半周時，VT1導通，VT2截止，RL上得到正半周信號。當輸入信號為負半周時，VT2導通，VT1截止，RL上得到負半周信號。這樣在信號一個周期內，電路均有輸出，沒有死區問題，消除了交越失真。

2.3.3 單電源互補對稱功率放大電路（OTL電路）

圖2-31所示互補對稱功率放大電路中需要正、負兩個電源。但在實際電路中，如擴音機電路中，為了簡便，常采用單電源供電。為此，可采用圖2-32所示單電源供電的互補對稱功率放大電路。這種形式的電路無輸出變壓器，而有輸出耦合電容，簡稱為OTL電路。

在圖2-32中，VT1、VT2兩管特性相同，電路上下對稱。靜態時，兩管發射極電位為電源電壓的一半，即，電容C上的充電電壓，負載中沒有電流。在輸入信號正半周時，VT1導通，VT2截止，VT1以射極輸出的方式向負載RL提供電流io=iC1，使負載RL上得到正半周輸出電壓，同時對電容C充電。在輸入信號負半周，VT1截止，VT2導通，電容C通過VT2、RL放電，VT2也以射極輸出的方式向RL提供電流io=iC2，在負載RL上得到負半周輸出電壓。因而在負載RL上得到完整的輸出波形。電容C有隔直耦合作用，當電容C足夠大時，可認為電容上的電壓基本不變，在負半周又起到電源的作用。

通過分析推導得OTL電路輸出最大功率為

2.3.4 集成功率放大器

本節以TDA2030音頻功率放大器為例加以介紹。

1. TDA2030音頻功率放大器

TDA2030是目前性價比較高的功率放大器集成塊之一，內部有完善的過載及過熱保護，廣泛應用于汽車立體聲收錄音機、中功率音響設備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點。TDA2030A的工作電壓范圍較廣，從±6～±22V都可以正常工作。

TDA2030外形引腳排列如圖2-33所示。

2. TDA2030功放的典型應用

（1）雙電源（OCL）應用電路

圖2-34所示電路是雙電源時TDA2030的典型應用電路。R1、R2為電壓串聯負反饋電阻，與C2構成交流電壓串聯負反饋電路；VD1、VD2起保護作用，用來泄放RL產生的感生電壓，將輸出端的最大電壓鉗位在±（UCC+0.7V）上。C3、C4為去耦電容，用于減少電源內阻對交流信號的影響。C1為耦合電容。

由集成運算放大器知識可知，閉環電壓放大倍數為

（2）單電源（OTL）應用電路

圖2-35為由TDA2030構成的單電源OTL的應用電路，常用在僅有一組電源的中、小型音響系統中。由于采用單電源供電，故同相輸入端用阻值相同的R1、R2組成分壓電路，使R2上的電壓為UCC/2，經R3加至同相輸入端。在靜態時，同相輸入端、反相輸入端和輸出端的電壓皆為UCC/2。其他元件作用與雙電源電路相同。C6是耦合電容，有兩個作用：把放大后信號輸送給負載；在放大負半周信號時起到電源的作用，靜態時其上的電壓為UCC/2。