模擬電路網絡課件 第二十二節:功率放大電路的一般問題

5.1 功率放大電路的一般問題

一、功率放大電路的定義

功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。它一般直接驅動負載，帶載能力要強。

前面已經介紹了一些電子電路，經過這些電路處理后的信號，往往要送到負載，去驅動一定的裝置。例如，這些裝置有收音機中揚聲器的音圈、電動機控制繞組、計算機監視器或電視機的掃描偏轉線圈等。這時我們要考慮的不僅僅是輸出的電壓或電流的大小，而是要有一定的功率輸出，才能使這些負載正常工作。這類主要用于向負載提供功率的放大電路常稱為功率放大電路。

功率放大電路的性能指標主要有：最大輸出功率、效率等。

二、功率放大電路與電壓放大電路的區別

前面各章所討論的放大電路主要用于增強電壓幅度或電流幅度，因而相應地稱為電壓放大電路或電流放大電路。但無論哪種放大電路，在負載上都同時存在輸出電壓、電流和功率，從能量控制的觀點來看，放大電路實質上都是能量轉換電路，功率放大電路和電壓放大電路沒有本質的區別。上述稱呼上的區別只不過是強調的輸出量不同而已。

但是，功率放大電路和電壓放大電路所要完成的任務是不同的。對電壓放大電路的主要要求是使負載得到不失真的電壓信號，討論的主要指標是電壓增益、輸入和輸出阻抗等，輸出的功率并不一定大。而功率放大電路則不同，它主要要求獲得一定的不失真（或失真較小）的輸出功率，通常是在大信號狀態下工作，因此，功率放大電路包含著一系列在電壓放大電路中沒有出現過的特殊問題。

三、功率放大電路的特殊問題

（1）要求輸出功率盡可能大：為了獲得大的功率輸出，要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度，因此管子往往在接近極限運用狀態下工作。

（2）效率要高：由于輸出功率大，因此直流電源消耗的功率也大，這就存在一個效率問題。所謂效率就是負載得到的有用信號功率和電源供給的直流功率的比值。這個比值越大，意味著效率越高。

（3）非線性失真要小：功率放大電路是在大信號下工作，所以不可避免地會產生非線性失真，而且同一功放管輸出功率越大，非線性失真往往越嚴重，這就使輸出功率和非線性失真成為一對主要矛盾。但是，在不同場合下，對非線性失真的要求不同，例如，在測量系統和電聲設備中，這個問題顯得重要，而在工業控制系統等場合中，則以輸出功率為主要目的，對非線性失真的要求就降為次要問題了。

（4）BJT的散熱問題：在功率放大電路中，有相當大的功率消耗在管子的集電結上，使結溫和管殼溫度升高。為了充分利用允許的管耗而使管子輸出足夠大的功率，放大器件的散熱就成為一個重要問題。

（5）功率管的參數選擇與保護：在功率放大電路中，為了輸出較大的信號功率，管子承受的電壓要高，通過的電流要大，功率管損壞的可能性也就比較大，所以功率管的參數選擇與保護問題也不容忽視。

（6）功率放大電路的分析任務是：最大輸出功率、最高效率及功率三極管的安全工作參數。在分析方法上，由于管子處于大信號下工作，故通常采用圖解法。

四、放大電路的工作狀態

根據放大電路中三極管在輸入正弦信號的一個周期內的導通情況，可將放大電路分為下列三種工作狀態：

（1）甲類放大

在輸入正弦信號的一個周期內，都有電流流過三極管，這種工作方式通常稱為甲類放大。

甲類放大的典型工作狀態如圖1所示，此時整個周期都有iC > 0 ，稱功率管的導電角q = 2p 。　

（2）甲乙類放大

在輸入正弦信號的一個周期內，有半個周期以上，三極管的iC > 0 ，稱為甲乙類放大。其典型工作狀態如圖1所示（按照圖中操作說明操作），此時功率管的導電角q 滿足：p < q < 2p 。

（3）乙類放大

在輸入正弦信號的一個周期內，只有半個周期，三極管的iC > 0 ，稱為乙類放大。其典型工作狀態如圖1所示，此時功率管的導電角q = p 。

五、提高效率的途徑

效率h是負載得到的有用信號功率（即輸出功率Po）和電源供給的直流功率（PV）的比值。要提高效率，就應將電源供給的功率大部分轉化為有用的信號輸出功率。

在甲類放大電路中，為使信號不失真，需設置合適的靜態工作點，保證在輸入正弦信號的一個周期內，都有電流流過三極管。因此當有信號輸入時，電源供給的功率一部分轉化為有用的輸出功率，另一部分則消耗在管子（和電阻）上，并轉化為熱量的形式耗散出去，稱為管耗。而在沒有信號輸入時，這些功率全部消耗在管子（和電阻）上。甲類放大電路的效率是較低的，可以證明，即使在理想情況下，甲類放大電路的效率最高也只能達到50%。

顯然，若能減少管耗，就可以提高效率。靜態電流是造成管耗的主要因素，因此如果把靜態工作點Q 向下移動，使信號等于零時電源輸出的功率也等于零（或很小），信號增大時電源供給的功率也隨之增大，這樣電源供給功率及管耗都隨著輸出功率的大小而變，也就改變了甲類放大時效率低的狀況。實現上述設想的電路有乙類和甲乙類放大。

乙類和甲乙類放大主要用于功率放大電路中。雖然減小了靜態功耗，提高了效率，但都出現了嚴重的波形失真，因此，既要保持靜態時管耗小，又要使失真不太嚴重，這就需要在電路結構上采取措施。