模拟电路网络课件 第二十三节:乙类双电源互补对称功率放大电路

模拟电路网络课件 第二十三节:乙类双电源互补对称功率放大电路

5.2.1 电路的组成

详细说明:

工作在乙类的放大电路，虽然管耗小，有利于提高效率，但存在严重的失真，使得输入信号的半个波形被消掉了。怎样解决上述矛盾呢？

图1

下面来研究一下图1所示的互补对称电路。T1和T2分别为NPN型管和PNP型管，两管的基极和发射极相互连接在一起，信号从基极输入，从射极输出，RL为负载。由于该电路无基极偏置，所以vBE1 = vBE1 = vi 。当vi =0时，T1、T2均处于截止状态，所以该电路为乙类放大电路。

考虑到BJT发射结处于正向偏置时才导电，因此当信号处于正半周时，vBE1 = vBE2 >0 ，则T2截止，T1承担放大任务，有电流通过负载RL；

而当信号处于负半周时，vBE1 = vBE2 < 0 ，则T1截止，T2承担放大任务，仍有电流通过负载RL；这样，一个在正半周工作，而另一个在负半周工作，两个管子互补对方的不足，从而在负载上得到一个完整的波形，称为互补电路。

这个电路可以看成是两个射极输出器结合而成。

互补电路解决了乙类放大电路中效率与失真的矛盾。为了使负载上得到的波形正、负半周大小相同，还要求两个管子的特性必须完全一致，即工作性能对称。所以图1所示电路通常称为乙类互补对称电路。

双电源乙类互补对称电路又称为OCL电路。

5.2.2 分析计算

一、图解法分析电路的原理

功率放大电路的分析任务是求解最大输出功率、最高效率及功率三极管的安全工作参数等性能参数。分析的关键是vo的变化范围。在分析方法上，通常采用图解法，这是因为BJT处于大信号下工作，且乙类互补对称电路的BJT只有半个周期导通。

图1

图2表示图1电路在vi为正半周时T1的工作情况（点击播放按钮播放）。假定，只要vBE1= vi >0，T1就开始导电，则在一周期内T1导电时间约为半周期。随着vi的增大，工作点沿着负载线上移，则io = iC1增大，vo 也增大，当工作点上移到图中A点时，vCE1 =VCES ，已到输出特性的饱和区，此时输出电压达到最大不失真幅值。

根据上述图解分析，可得输出电压的幅值为Vom = IomRL = VCC - VCE1 ，其最大值为Vommax= VCC - VCES 。

图1中T2的工作情况和T1相似，只是在信号的负半周导电。为了便于分析，将T2的特性曲线倒置在T1的右下方，并令二者在Q 点，即vCE = VCC处重合，形成T1和T2的所谓合成曲线，如图2所示。这时负载线通过VCC点形成一条斜线，其斜率为 -1/RL。显然，允许的io的最大变化范围为2Iom，vo的变化范围为2Vom=2IomRL=2（VCC-VCES）。若忽略管子的饱和压降VCES ，则Vommax » VCC 。

图2

根据以上分析，不难求出工作在乙类的互补对称电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率和效率。

　

二、输出功率

输出功率是输出电压有效值Vo和输出电流有效值Io的乘积（也常用管子中变化电压、变化电流有效值的乘积表示）。所以

乙类互补对称电路中的T1、T2可以看成共集状态（射极输出器），即AV »1。所以当输入信号足够大，使Vim = Vommax = VCC- VCES » VCC时，可获得最大输出功率，即

三、管耗

考虑到T1和T2在一个信号周期内各导电约180°，且通过两管的电流和两管两端的电压vCE在数值上都分别相等（只是在时间上错开了半个周期）。因此，为求出总管耗，只需先求出单管的损耗就行了。设输出电压为vo = Vomsinwt ，则T1的管耗为

而两管的管耗为

四、效率

效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。为了计算效率，必须先分析直流电源供给的功率PV ，它包括负载得到的信号功率和T1、T2消耗的功率两部分，即

 

当输出电压幅值达到最大，即Vom = VCC时，则得电源供给的最大功率为

所以，一般情况下效率为

当Vom » VCC时，则

这个结论是假定互补对称电路工作在乙类、负载电阻为理想值，忽略管子的饱和压降VCES和输入信号足够大（Vim »Vom » VCC）情况下得来的，实际效率比这个数值要低些。

五、最大管耗与最大功率的关系

工作在乙类的基本互补对称电路，在静态时，管子几乎不取电流，管耗接近于零，因此，当输入信号较小时，输出功率较小，管耗也小，这是容易理解的；但能否认为，当输入信号愈大，输出功率也愈大，管耗就愈大呢？答案是否定的。那么，最大管耗发生在什么情况下呢？

由管耗表达式      

可知管耗PT1是输出电压幅值Vom的函数，因此，可以用求极值的方法来求解。

有:               

令，则

故                 Vom = 2VCC /p  » 0.6 VCC

此时最大管耗为

为了便于选择功放管，常将最大管耗与功放电路的最大输出功率联系起来。

由最大输出功率表达式

可得每管的最大管耗和最大输出功率之间具有如下的关系

                   

上式常用来作为乙类互补对称电路选择管子的依据，它说明，如果要求输出功率为10W，则只要用两个额定管耗大于2W的管子就可以了。当然，在实际选管子时，还应留有充分的安全余量，因为上面的计算是在理想情况下进行的。

为了加深印象，可以通过Po、PT1和PV与Vom/VCC的关系曲线（如图1所示）观察它们的变化规律。图中用Vom / VCC表示的自变量作为横坐标，纵坐标分别用相对值表示。

图1

六、功率BJT的选择

在功率放大电路中，为了输出较大的信号功率，管子承受的电压要高，通过的电流要大，功率管损坏的可能性也就比较大，所以功率管的参数选择不容忽视。选择时一般应考虑BJT的三个极限参数，即集电极最大允许功率损耗PCM ，集电极最大允许电流ICM和集电极-发射极间的反向击穿电压V(BR)CEO 。

由前面知识点的分析可知，若想得到最大输出功率，又要使功率BJT安全工作，BJT的参数必须满足下列条件：

（1）每只BJT的最大管耗PT1max »0.2 Pomax 必须小于BJT的最大允许管耗PCM ；

（2）通过BJT的最大集电极电流为iC1max =Vommax / RL » VCC / RL，所选BJT的ICM一般不应低于此值。

（3）考虑到当T2导通且输出电压达到负向最大值时，-vCE2 =VCES » 0 ，此时vCE1具有最大值，且等于2VCC ，因此，应选用反向击穿电压| V(BR)CEO | > 2VCC的管子。

注意，在实际选择管子时，其极限参数还要留有充分的余地。