低频功率放大电路[小编推荐]

第一篇：低频功率放大电路[小编推荐]

第6章 低频功率放大电路

在实际的放大电路中，无论是分立元件放大器还是集成放大器，其末级都要求输出较大的功率以便驱动如音响放大器中的扬声器、电视机的显像管和计算机监视器等功率型负载。能够为负载提供足够大功率的放大电路称为功率放大电路，简称功放。

功率放大电路按构成放大电路器件的不同可分为分立元件功率放大电路和集成功率放大电路。由分立元件构成的功率放大电路，电路所用元器件较多，对元器件的精度要求也较高。输出功率可以做得比较高。采用单片的集成功率放大电路，主要优点是电路简单，设计生产比较方便，但是其耐电压和耐电流能力较弱，输出功率偏小。

功率放大电路按放大信号的频率，可分为高频功率放大电路和低频功率放大电路。前者用于放大射频范围（几百千赫兹到几十兆赫兹）的信号，后者用于放大音频范围（几十赫兹到几十千赫兹）的信号。本章主要讨论的是低频功率放大电路。

6.1 功率放大器的一般问题

6.1.1功率放大器的特点及主要指标

从能量控制和转换的角度来看，功率放大电路和一般的放大电路没有本质的区别。但功率放大电路上既有较大的输出电压，同时也有较大的输出电流，其负载阻抗一般相对较小，输出功率要求尽可能大。因此从功率放大电路的组成和分析方法，到电路元器件的选择，都与前几章所讨论的小信号放大电路有很大的区别。低频功率放大器的主要指标有以下几项：

1．提供尽可能高的输出功率Po

功率放大器的主要要求之一就是输出功率要大。为了获得较大的输出功率，要求功率放大管（简称功放管）既要输出足够大的电压，同时也要输出足够大的电流，因此管子往往在接近极限运用状态下工作。

所谓最大输出功率，是指在输入正弦信号时，输出波形不超过规定的非线性失真指标时，放大电路最大输出电压和最大输出电流有效值的成积，即：

PoUoIoUom2Iom212UomIom

2．提供尽可能高的功率转换效率

功率放大器实质上是一个能量转换器，它将直流电源提供的功率转换成交流信号的能量提供给负载，但同时还有一部分功率消耗在功率管上并产生热量。

所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源提供的直流总功率的比值，其定义为

PoPV

（6.1）

式中，Po为输出信号功率，PV为直流总功率。显然， 越大越好，但总有0≤ ≤1。设功放管的损耗功率为PVT，则有

PV =Po+PVT

（6.2）

式（6.2）表明，提高效率 可以在保持输出功率Po不变的情况下降低损耗功率PVT。

值得注意的是，效率越低，输出功率就越低，相对的消耗在电路内部的损耗功率也就越124 高，这部分电能使元器件和功率管的温度升高，对电路的工作造成不利。

3．非线性失真要小

功率放大器是在大信号下工作，电压电流摆动幅度很大，所以不可避免地产生非线性失真。而同一功率管的输出功率越大，非线性失真也就越严重。在实际应用中，我们应根据负载的不同要求来选择重点，如在音响和测量设备中应尽量减小非线性失真。而在控制继电器和驱动电机等工业控制场合，允许有一定的非线性失真，而以输出功率为主要目的。

4．功率管的散热要好

在功率放大器中，即使最大限度地提高效率，仍有相当大的功率消耗在功率管上，使其温度升高。为了充分利用允许的管耗，使管子输出的功率足够大，就必须研究功率管的散热问题。为了功率管的工作安全，必须给它加装散热片。功率管装上散热片后，可使其输出功率成倍提高。

6.1.2功率放大电路工作状态的分类

电路测试42 基本放大电路效率的测量

（见9.6）

功率放大电路按放大器中三极管静态工作点设置的不同，可以分为甲类、乙类、甲乙类三种。如图6-1所示。

图6-1 功率放大电路的三种工作状态

a）甲类

b）甲乙类

c）乙类

甲类功率放大电路通常将工作点设置在交流负载线的中点，放大管在整个输入信号周期内都导通，有电流流过。甲类功放的导通角为θ=360°。

在甲类放大器中，当工作点确定之后，不管有无交流信号输入，直流电源提供的功率PV始终是恒定的，且为直流电压VCC与直流电流IC之积，PVVCCIC

因此，由式（6.2）容易理解，当交流输出功率Po越小时，管子及电阻上损耗的功率即无用功

率PVT反而越大，这种损耗功率通常以热量的形式耗散出去。也就是说，在没有信号输出时，放大器的负荷恰恰是最重的，最有可能被热击穿，显然这是极不合理的。

甲类功放的最大缺点是效率低下，可以证明在理想情况下，甲类放大电路的效率最高也只能达到50%。实际的甲类放大器的效率通常在10%以下。如果能做到无信号时，三极管处于截止状态，电源不提供电流，只在有信号时电源才提供电流。把电源提供的能量大部分用到负载上，整体效率就会提高很多。按照此要求设计的放大器就是乙类功率放大器。乙类功率放大电路通常将工作点设置在截至区，放大管在整个输入信号周期内仅有半个周期导通，有电流流过。乙类功放的导通角为θ=180°。

甲乙类功率放大电路通常将工作点设置在放大区内，但很接近截至区，放大管在整个输入信号周期内有大半个周期导通，有电流流过。甲乙类功放的导通角为180°≤θ≤360°。

甲乙类和乙类放大器的效率大大提高，因此甲乙类和乙类放大器主要用于功率放大电路中。

功率放大电路还有丙类，丁类等。丙类放大器一般用在高频发射机的谐振功率放大电路中，其导通角为θ≤180°。丁类放大器工作于开关状态，由于其工作效率高而得到越来越广泛的应用。

6.2 乙类互补对称功率放大电路

6.2.1 OCL电路的组成

乙类放大电路虽然管耗小，有利于提高效率，但存在严重的失真，只有半个周期导通，即输出信号只有半个波形。常用两个对称的乙类放大电路，一个放大正半周信号，而另一个放大负半周信号，从而在负载上得到一个合成的完整波形，这种两管交替工作的方式称为推挽工作方式，这种电路称为乙类互补对称推挽功率放大电路。

电路测试43 基本互补对称电路的测试（见9.6）

功率放大器的基本电路如图6-2a所示，该电路中，VT1和VT2分别为NPN型管和PNP型管，两管的基极和发射极分别相互连接在一起，信号从基极输入，从射极输出，RL为负载。这个电路可以看成是由图6-2b，6-2c两个射极输出器组合而成。

图6-2 两射极输出器组成的基本互补对称电路

a）基本互补对称电路

b）由NPN管组成的射极输出器

c）由PNP管组成的射极输出器

（1）静态分析

当输入信号ui=0时，两个三级管都工作在截至区，此时的静态工作电流为零，负载上无126 电流流过，输出电压为零。输出功率为零。

（2）动态分析

当信号处于正半周时，VT2截止，VT1放大，有电流通过负载RL；而当信号处于负半周时，VT1截止，VT2放大，仍有电流通过负载RL。负载RL上流过的电流是一个完整的正弦波信号。

在电路完全对称的理想情况下，负载电阻上的直流电压为零，因此，不必采用耦合电容来隔直流，所以，该电路称为无输出电容电路（OCL电路）。

6.2.2 OCL电路的性能分析

参见图6-2a，为分析方便起见，设晶体管是理想的，两管完全对称，其导通电压UBE = 0，饱和压降UCES = 0。则放大器的最大输出电压振幅为VCC，最大输出电流振幅为VCCRL，且在输出不失真时始终有ui = uo。

1.输出功率Po

设输出电压的幅值为Uom，有效值为Uo；输出电流的幅值为Iom，有效值为Io。则

PoUoIoUom2Iom2RL12122I2omRLUom2RL

2（6.3）

当输入信号足够大，使Uom=Uim =VCC UCES≈VCC时，可得最大输出功率

PoPomUomRLVCC2RL2

（6.4）

2.直流电源供给的功率PV

由于VT1和VT2在一个信号周期内均为半周导通，因此直流电源VCC供给的功率为

PV1

12100VCCiC1d(t)

2VCCICmsintd(t)

210VCCUomRLsintd(t)

VCCUomRL

因为有正负两组电源供电，所以总的直流电源供给的功率为

PV2VCCUomRL2πVCCRL2

（6.5）

当输出电压幅值达到最大，即Uom≈VCC时，得电源供给的最大功率为

PVm1.27Pom

（6.6）

3.效率

PoPV4UomVCC

（6.7）

当输出电压幅值达到最大，即Uom≈VCC时，得最高效率

m

PomPVm478.5%

（6.8）

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

4.管耗PVT

两管的总管耗为直流电源供给的功率PV与输出功率Po与之差 即

PVTPVPo2VCCUomRLUom2RL2

2Uom2VCCUom



（6.9）RL4

显然，当ui =0即无输入信号时，Uom =0, Po, 管耗PVT和直流电源供给的功率PV 均为0。5.最大管耗和最大输出功率的关系

电路测试44 基本互补对称电路最大管耗的测量（见9.6）

当输出电压幅度最大时，虽然功放管电流最大但管压降最小，故管耗不是最大；当输出电压为零时，虽然功放管管压降最大但集电极电流最小。故管耗也不是最大。由式（6.7）知，管耗PVT是输出电压幅值Uom的一元二次函数，存在极值。对式（6.7）求导可得

dPVT/dUomUom2VCC

RL2令dPVT/dUom0，则：

VCCUom202

（6.10）

Uom式（6.10）表明，当输出电压Uom2VCCVCC0.6VCC时具有最大管耗。

将式（6.10）代入式（6.7）可得最大管耗为：

22VCC22V222VCCVCC12VCC11CC

（6.11）222RLRLRL4PVT1m而最大输出功率Pom12VCCRL2，则每管的最大管耗和电路的最大输出功率具有如下的关系

PVT1m1VCC22RL0.2Pom

（6.12）

式（6.12）常用来作为乙类互补对称电路选择管子的依据，例如，如果要求输出功率为5W，则只要用两个额定管耗大于1W的管子就可以了。

需要指出的是，上面的计算是在理想情况下进行的，实际上在选管子的额定功耗时，还要留有充分的余地。

功放管消耗的功率主要表现为管子结温的升高。散热条件越好，越能发挥管子的潜力，增加功放管的输出功率。因而，管子的额定功耗还和所装的散热片的大小有关。必须为功放管配备合适尺寸的散热器。

6.2.3 功率晶体管的选择

在选择功率晶体管时，必须考虑晶体管的最大集电极功耗PCM、最大管压降VBR, CEO、最大集电极电流ICM。

① 每只功率管的最大允许管耗PCM必须大于实际工作时的PVT1m。

② 由于乙类互补对称功率放大电路中得一个晶体管导通时，另一个晶体管截止。当输出电压达到最大不失真输出幅度时，截止管所承受的反向电压为最大，且近似等于2 VCC。因此，应选用击穿电压VBR, CEO2VCC的功率管。

③ 通过功率晶体管的最大集电极电流为VCC/RL，选择功率晶体管的最大允许的集电极电流应满足ICM>VCC/RL。

【例6-1】已知乙类互补对称功放电路如图6-2a所示，设VCC=24V，RL=8试求： ① 估算其最大输出功率Pom以及最大输出时的PV、PVT1和效率，并说明该功率放大电路对功率晶体管的要求。

② 放大电路在 = 0.6时的输出功率Po的值。解

① 求Pom 由式（6.4）可求出

Pom12VCCRL2(24V)22836W

而通过晶体管的最大集电极电流，晶体管的c, e极间的最大压降和它的最大管耗分别为

ICmVCCRL24V83AUCEm2VCC48VPVT1m0.2Pom0.236W7.2W

功率晶体管的最大集电极电流ICM必须大于3A，功率管的击穿电压VBR, CEO必须大于48V，功率管的最大允许管耗PCM必须大于7.2W。

② 求 =0.6时的Po值。由式（6.6）可求出

Uom4VCCUomRL2424V0.6(18.3V)8218.3V

则

Po121220.9W

6.2.4 OTL电路和BTL电路

OCL乙类互补对称功率放大电路的特点是：双电源供电、由于电路无需输出电容所以电路可以放大变化较缓慢的信号，频率特性较好。但由于负载电阻直接连在两个晶体管的发射极上，假如静态工作点失调或电路内元器件损坏，负载上有可能因获得较大的电流而损坏，实际电路中可以在负载回路中接入熔断丝。

OCL乙类互补对称功率放大电路具有很多优点，但是采用双电源的供电方式很不方便，互补对称电路也可采用单电源供电，即为OTL乙类互补对称功率放大电路。

OTL乙类互补对称功率放大电路如图6-3所示，VT1和VT2组成互补对称功放的输出电路，信号从基极输入，发射极输出；VT1为前置放大级，RL为负载，C1为耦合电容，C2为输出端所接的大电容，由于VT1和VT2对称，所以静态时大电容C2上的电压为VCC/2，所以C2可以作为一个电源使用，C2还有隔直流的作用。

OTL乙类互补对称功率放大电路虽然少用一个电源，但由于大电容C2的存在，使电路对不同频率的信号会产生不同的相移，输出信号会产生失真。OTL电路的分析计算方法和OCL基本相同，只要把前面推导出的计算公式中的VCC换成VCC/2即可。

+VCCRCRB1iC1VT1C2+VCCVT1VT2VT3iLRLCEiC2uoRLuoVT3C1RB2uiVT2VT4uiRE

图6-3 OTL互补对称电路

图6-4 BTL互补对称电路

OCL电路和OTL电路的特点是效率高，但不足是电源利用率不高，电路中负载上获得的最大输出电压值只有所加电源电压的一半，电路的输出功率将受到电源电压的限制。为了提高电源的利用率，使负载上获得较大的功率，可以采用平衡式无输出变压器电路，又称为BTL电路。

BTL乙类互补对称功率放大电路如图6-4所示，VT1和VT2，VT3和VT4分别组成一对互补管，BTL电路由两组对称电路组成，RL为负载；信号从基极输入，发射极输出。静态时，负载上RL的输出为零。输入信号ui正半周时，晶体管VT1和VT4导通，输出电压最大值约为VCC，输入信号ui负半周时，晶体管VT2和VT3导通，输出电压最大值约为VCC。输出功率为：

PoPom12UomRL2VCC2RL2

可以证明，在同样大小的电源电压的负载的情况下，BTL电路的效率近似为78.5%。最大输出功率是OTL电路的四倍。其输出也不需要接耦合电容。其缺点是所用的晶体管数目较多。

6.3甲乙类互补对称功率放大电路

6.3.1 乙类互补对称电路的失真

电路测试45 基本互补对称电路失真的测试（见9.6）

前面所讨论的乙类互补对称电路（图6-5a所示）在实际应用中还存在一些缺陷，主要是晶体管没有直流偏置电流，因此只有当输入电压大于晶体管导通电压（硅管约为0.7V，锗管约为0.2V）时才有输出电流，当输入信号ui低于这个数值时，VT1和VT2都截止，iC1和iC2130 基本为零，负载RL上无电流通过，出现一段死区，如图6-5b所示。这种现象称为交越失真。解决这一问题的办法就是预先给晶体管提供一较小的基极偏置电流，使晶体管在静态时处于微弱导通状态，即甲乙类状态。

图6-5 工作在乙类的双电源互补对称电路

a）电路

b）形成交越失真的原理

6.3.2 甲乙类互补对称电路 1.甲乙类双电源互补对称电路

图6-6所示为采用二极管作为偏置电路的甲乙类双电源互补对称电路。该电路中，VD1, VD2上产生的压降为互补输出级VT1、VT2提供了一个适当的偏压，使之处于微导通的甲乙类状态，且在电路对称时，仍可保持负载RL上的直流电压为0；而VD1、VD2导通后的交流电阻也较小，对放大器的线性放大影响很小。另外，VT3通常构成驱动级，为简明起见，其基极偏置电路在这里未画出。

互补对称电路

互补对称电路

图6-6 利用二极管进行偏置的图6-7 利用恒压源电路进行偏置的

采用二极管作为偏置电路的缺点是偏置电压不易调整。图6-7所示为利用恒压源电路进行偏置的甲乙类互补对称电路。该电路中，由于流入VT4的基极电流远小于流过R1, R2的电流，因此可求出为VT1, VT2提供偏压的VT4管的UCE41R1/R2UBE4，而VT4管的UBE4基本为一固定值，即UCE4相当于一个不受交流信号影响的恒定电压源，只要适当调节R1, R2的

比值，就可改变VT1, VT2的偏压值，这是集成电路中经常采用的一种方法。

2.甲乙类单电源互补对称电路

在有些要求不高而又希望电路简化的场合，可以考虑采用一个电源的互补对称电路，如图6-8所示。该电路中，C为大电容，正常工作时，可使N点直流电位UN =VCC/2，而大电容C对交流近似短路，因此C上的电压uC≈UC =UN =VCC/2。当信号ui输入时，由于VT3组成的前置放大级具有倒相作用，因此，在信号的负半周，VT1导电，信号电流流过负载RL，同时向C充电；在信号的正半周，VT2导电，则已充电的C起着双电源电路中的VCC的作用，通过负载RL放电并产生相应的信号电流。即只要选择时间常数RLC足够大（远大于信号的最大周期），单电源电路就可以达到与双电源电路基本相同的效果。

那么，如何使N点得到稳定的直流电压UN =VCC/2？在该电路中，VT3管的上偏置电阻R2的一端与N点而不是与M点相连，即引入直流负反馈，因此只要适当选择R1, R2的阻值，就可以使N点直流电压稳定并容易得到UN =VCC/2。值得指出，R1, R2还引入了交流负反馈，使放大电路的动态性能指标得到了改善。

图6-8 单电源互补对称电路

需要特别指出的是，采用单电源的互补对称电路，由于每个管子的工作电压不是原来的VCC，而是VCC/2（输出电压最大也只能达到约VCC/2），所以前面导出的计算Po, PVT, PV和PVTm的公式中的VCC要以VCC/2代替。

6.4 集成功率放大器

电路测试46 集成功率放大器的测试（见9.6）

集成功率放大器由功率放大集成块和一些外部阻容元件构成。它具有线路简单，性能优越，工作可靠，调试方便等优点，额定输出功率从几瓦至几百瓦不等。已经成为音频领域中应用十分广泛的功率放大器。

集成功率放大器中最主要的组件是功率放大集成块，功率放大集成块内部通常包括有前置级、推动级和功率级等几部分电路，一般还包括消除噪声、短路保护等一些特殊功能的电路。

功率放大集成块的种类繁多，近年来市场上常见的主要有以下三家公司的产品：

① 美国国家半导体公司（NSC）的产品，其代表芯片有LM1875、LM1876、LM3876、132 LM3886、LM4766、LM386等。

② 荷兰飞利浦公司（PHILIPS）的的产品，其代表芯片有TDA15××系列，比较著名的有TDA1514、TDA1521。

③ 意—法微电子公司（SGS）的的产品，其代表芯片有TDA20××系列，以及DMOS管的TDA7294、TDA7295、TDA7296等。

美国国家半导体公司的小功率音频功率放大集成电路LM386因为其外围电路比较简单，双列直插式封装，8个引脚，单电源供电，电源电压范围广（4V～12V 或 5V～18V）。功耗低，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半。频带较宽（300KHZ），输出功率0.3W～0.7W，最大可达2W。LM386主要应用于低电压消费类产品，特别适用于电池供电的场合。

图6-9所示为LM386集成功率放大器的其内部电路，该电路中由差动放大电路构成输入级，其电路形式为双端输入-单端输出结构。共射放大电路构成中间放大级，VT9和VT10构成互补对称电路的输出级。采用单电源供电的OTL电路形式。内部自带有反馈回路，电阻R7从输出端连接至输入级，与R5，R6组成反馈网络，形成电压串联交直流负反馈。可以稳定静态工作点，减小失真。VT8，VD1，VD2的作用是为VT9，VT10提供适当的直流偏置，以防止VT9，VT10产生交越失真。I为恒流源，作为中间级的负载。

R⑧⑦15kΩ15kΩ增益调节C①I⑥电源R4接旁路电容R4150ΩR51.35kΩR615kΩR7VT10VD1⑤输出反相输入VT1VT3VT2VT6VT4同相输入②VT5③VD2VT850kΩ输入级R150kΩ中间级输出级R2VT7VT9④地

图6-9 LM386集成功率放大器内部电路

图6-10a所示为LM386集成功率放大器的引脚图，②脚为反相输入端，③脚为同相输入端，⑤脚为输出端，⑥脚接电源+VCC，④脚接地，⑦脚接一个旁路电容，一般取10μF, ①脚和⑧脚之间增加一只外接电阻和电容，便可使电压增益调为任意值（LM386电压增益可调范围为20～200），最大可调至200。若①脚和⑧脚之间开路，则电压放大倍数为内置值为20；若①脚和⑧脚之间只接一个10μF的电容，则电压放大倍数可达200；如图6-10b所示为LM386集成功率放大器的典型应用电路图中若R=1.2kΩ的电阻，C=10μF的电容时，电压放大倍数可达50；使用时，可通过调节电阻R的大小来调节电压放大倍数的大小。

增益旁路电源输出调节电容+VCC6R1874CE10μF8765uinC5100μF23C2LM3861234地LM38610kΩRW1μF100ΩC1R1增益反相同相调节输入输入(a)(b)

图6-10 LM386集成功率放大器的引脚图和典型应用电路

a）LM386外形引脚排列

b）LM386典型应用电路

LM386在和其它电路结合使用时有可能产生自激，对于高频自激，可在输入端和地之间，引脚8与地之间加接一个小电容；对于低频自激，可在输入端与地之间接一电阻，同时加大电源脚（6脚）的滤波电容。

选择功率放大集成块时主要应注意芯片的输出功率、供电类型、最大、最小供电电压和典型供电电压值。其次主要考虑的因素有放大倍数（增益）的大小、效率的高低，还要考虑芯片总谐波失真的大小、频率特性、输入阻抗和负载电阻的大小，最后还要考虑外围电路的复杂程度。

6.5 功率器件

1.功率晶体管

如图6-11示为典型的功率晶体管外形示意图。为保证功率晶体管散热良好，通常晶体管有一个大面积的集电结并与热传导性能良好的金属外壳保持紧密接触。在很多实际应用中，还要在金属外壳上再加装散热片，甚至在机箱内功率管附近安装冷却装置，如电风扇等。

图6-11 功率晶体管的外形图

（1）功率晶体管的热击穿

在功率放大电路中，给负载输送功率的同时，管子本身也要消耗一部分功率，这部分功率主要消耗在晶体管的集电结上（因为集电结上的电压最高，一般可达几伏到几十伏以上，而发射结上的电压只有零点几伏），并转化为热量使管子的结温升高。当结温升高到一定程度（锗管一般约为90℃，硅管约为150℃）以后，就会使管子因过热击穿而永久性损坏，因而输出功率受到管子允许的最大管耗的限制。值得注意的是，管子允许的功耗与管子的散热情况有密切的关系。如果采取适当的散热措施，就有可能充分发挥管子的潜力，增加功率管的输134 出功率。反之，就有可能使晶体管由于结温升高而被损坏。所以解决好功率晶体管的散热问题，对于提高功率放大器的整机性能具有重要的意义。

（2）功率晶体管的二次击穿

在实际工作中，常发现功率晶体管的功耗并未超过允许的PCM值，管子本身的温度也并不高（不烫手），但功率晶体管却突然失效或者性能显著下降。这种损坏的原因，有可能是由于二次击穿所造成的。下面就二次击穿问题进行简单介绍。

二次击穿现象可以用图6-11说明。当集电极电压UCE逐渐增加时，首先出现一次击穿现象，如图6-11中AB段所示，这种击穿就是正常的雪崩击穿。当击穿出现时，只要适当限制功率晶体管的电流（或功耗），且进入击穿的时间不长，功率晶体管并不会损坏。所以一次击穿（雪崩击穿）具有可逆性。一次击穿出现后，如果继续增大iC到某数值，晶体管的工作状态将以毫秒级甚至微秒级的速度移向低电压大电流区，如图6-12中BC段所示，BC段相当于二次击穿。二次击穿的结果也是一种永久性损坏。

图6-12 晶体管的二次击穿现象

产生二次击穿的原因至今尚不完全清楚。一般来说，二次击穿是一种与电流、电压、功率和结温都有关系的效应。它的物理过程多数认为是由于流过晶体管结面的电流不均匀，造成结面局部高温（称为热斑），因而产生热击穿所致。这与晶体管的制造工艺有关。

晶体管的二次击穿特性对功率管，特别是外延型功率管，在运用性能的恶化和损坏方面起着重要影响，因此在电路设计参数选择时必须考虑二次击穿的因素。如增大功率余量、改善散热情况、选用较低的电源电压、不要将负载开路或短路、输入信号不要突然增大、对功率管采取适当的保护措施。

（3）功率晶体管的安全工作区

为了保证功率管安全工作，主要应考虑功率晶体管的极限工作条件的限制，这些条件有，集电极允许的最大电流ICM、集电极允许的最大电压UBR,CEO和集电极允许的最大功耗PCM等，另外还有二次击穿的临界条件。

如图6-13阴影线内所示为功率晶体管的安全工作区。显然，考虑了二次击穿以后，功率晶体管的安全工作范围变小了。

需要指出的是，为保证功率晶体管工作时安全可靠，实际工作时的电压、电流、功耗、结温等各变量最大值不应超过相应的最大允许极限值的50%～80%。

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6-13 功率晶体管的安全工作区

2.功率MOSFET

+ 功率MOSFET的结构剖面图如图6-14所示。它以N型衬底作为漏极，在其上有一层N 型外延层，然后在外延层上掺杂形成一个P型层和一个N+ 型层源极区，最后利用光刻的方法沿垂直方向刻出一个V形槽，在V形槽表面有一层二氧化硅并覆盖一层金属铝，形成栅极。当栅极加正电压时，靠近栅极V形槽下面的P型半导体将形成一个N型反型层导电沟道（图中未画出）。可见，自由电子沿导电沟道由源极到漏极的运动是纵向的，它与第3章介绍的载流子是横向从源极流到漏极的小功率MOSFET不同。因此，这种器件被命名为VMOSFET（简称VMOS管）。

图6-14 VMOSFET结构剖面图

参见图6-14，由于VMOS管的漏区面积大，因此有利于利用散热片散去器件内部耗散的功率。同时沟道长度（当栅极加正电压时在V形槽下P型层部分形成）可以做得很短（例如1.5m），且沟道间又呈并联关系（根据需要可并联多个），故允许流过的电流ID很大。此外，利用现代半导体制造工艺，使VMOS管靠近栅极形成一个低浓度的N 外延层，当漏极与栅极间的反向电压形成耗尽区时，这一耗尽区主要出现在N外延区，N区的正离子密度低，电场强度低，因而有较高的击穿电压。这些都有利于VMOS制成大功率器件。目前制成的VMOS产品，耐压达1000V以上，最大连续电流值高达200A。

与功率BJT相比，VMOS器件具有以下优点。

① 与MOS器件一样是电压控制电路器件，输入电阻极高，因此所需驱动电流极小，功136



 率增益高。

② 在放大区，其转移特性几乎是线性的，gm基本为常数。

③ 因为漏源电阻温度系数为正，当器件温度上升时，电流受到限制，所以VMOS不可能有热击穿，因而不会出现二次击穿，温度稳定性高。

④ 因无少子存储问题，加上极间电容小，VMOS的开关速度快，工作频率高，可用于高频电路（其fT≈600MHz）或开关式稳压电源等。

VMOS器件还有其他一些优点，例如导通电阻rDS,ON≈3。目前在VMOSFET的基础上又已研制出双扩散VMOSFET，或称DMOS器件，这是新的发展方向之一。

3．功率模块

这里所讨论的功率模块是指由若干BJT、MOSFET或BiFET（BJT-FET组合器件）组合而成的功率部件。这种功率模块近年来发展很快，成为半导体器件的一支生力军。它的突出特点是，大电流、低功耗，电压、电流范围宽，电压高达1200V，电流高达400A。现在已广泛用于不间断电源（UPS）、各种类型的电机控制驱动、大功率开关、医疗设备、换能器、音频功放等。

功率模块包括BJT达林顿模块、功率MOSFET模块、IGBT（绝缘栅双极型三极管）模块等。按速度和功耗又可分为高速型和低饱和压降型。这里以IGBT模块为例，介绍功率模块的结构。

IGBT是由具有高输入阻抗、高速的MOSFET和低饱和压降的BJT组成的。图6-18所示为这种IGBT结构的简化等效电路和器件符号。

图6-15 IGBT的等效电路及符号

a）等效电路

b）符号

图6-15中VT2为增强型MOS管，工作时，首先在施加于栅极电压之后形成导电沟道，出现PNP管VT1的基极电流，IGBT导电；当FET沟道消失，基极电流切断，IGBT截止。

功率模块将许多独立的大功率BJT，MOSFET等集合在一起封装在一个外壳中，其电极与散热片相隔离，型号不同，电路多样化，便于应用。

知识小结

功率放大电路研究的重点是如何在允许的失真情况下，尽可能提高输出功率和效率。

功率放大电路的特点是信号的电压和电流的动态范围大，是在大信号下工作的，小信号的分析方甲类功放电路的效率低，不适合作功放电路。与甲类功率放大电路相比，乙类互补对称功率放大

法已不再使用，功率放大电路的分析方法通常采用图解法进行分析。电路的主要优点是效率高，在理想情况下，其最大效率约为78.5%。为保证晶体管安全工作，双电源互补对称电路工作在乙类时，器件的极限参数必须满足PCM＞PVT1≈0.2Pom，UBR,CEO＞2VCC，ICM＞VCC/RL。

来考虑。由于晶体管输入特性存在死区电压，工作在乙类的互补对称电路将出现交越失真，克服交越失真集成功放具有体积小、电路简单、安装调试方便等优点而获得广泛的应用。

为了保证器件的安全运行，可从功率管的散热、防止二次击穿、降低使用定额和保护措施等方面的方法是采用甲乙类（接近乙类）互补对称电路。通常可利用二极管或三极管UBE扩大电路进行偏置。

思考与练习

6.1 如何区分晶体管是工作在甲类、乙类还是甲乙类？画出在三种工作状态下的静态工作点及相应的工作波形。

6.2 在甲类、乙类和甲乙类放大电路中，放大管的导通角分别等于多少？它们中哪一类放大电路效率高？

6.3 由于功率放大电路中的晶体管常处于接近极限工作状态，因此，在选择晶体管时必须特别注意哪3个参数？

6.4 有人说：“在功率放大电路中，输出功率最大时，功放管的功率损耗也最大。”这种说法对吗？设输入信号为正弦波，对于工作在甲类的功率放大输出级和工作在乙类的互补对称功率输出级来说，这两种功放分别在什么情况下管耗最大？

6.5 与甲类功率放大电路相比，乙类互补对称功率放大电路的主要优点是什么？ 6.6 乙类互补对称功率放大电路的效率在理想情况可达到多少？

6.7 设采用双电源互补对称电路，如果要求最大输出功率为5W，则每只功率晶体管的最大允许管耗PCM至少应多大？

6.8 在图6-8所示电路中，用二极管VD1和VD2的管压降为VT1和VT2提供适当的偏置，而二极管具有单向导电的特性，此时输入的交流信号能否通过此二极管从而也为VT1和VT2供给交流信号？并说明理由。

6.9 设放大电路的输入信号为正弦波，问在什么情况下，电路的输出出现饱和及截止的失真？在什么情况下出现交越失真？用波形示意图说明这两种失真的区别。

6.10 在输入信号正弦波作用下，互补对称电路输出波形是否有可能出现线性（即频率）失真？为什么？ 6.11 在单电源互补对称电路中，能用式（6.4）～（6.12）直接计算输出功率、管耗、电源供给的功率、效率并选择管子吗？

6.12 在图6-16所示电路中，设晶体管的=100，UBE=0.7V，UCES=0，ICEO=0，电容C对交流可视为短路。输入信号ui为正弦波。

① 计算电路可能达到的最大不失真输出功率Pom。② 此时RB应调节到什么阻值？

③ 此时电路的效率为多少？试与工作在乙类的互补对称电路比较。

6.13 双电源互补对称电路如图6-17所示，已知VCC=12V，RL=16，ui为正弦波。

① 求在晶体管的饱和压降UCES可以忽略不计的条件下，负载上可能得到的最大输出功率Pom。② 每个管子允许的管耗PCM至少应为多少？ ③ 每个管子的耐压UBR, CEO应大于多少？

138

图6-16 习题6.12图

图6-17 习题6.13图

6.14 参见图6-17所示电路，设ui为正弦波，RL=8，要求最大输出功率Pom = 9W。晶体管的饱和压降UCES可以忽略不计，求：

① 正、负电源VCC的最小值。

② 根据所求VCC最小值，计算相应的最小值ICM、UBR,CEO。③ 输出功率最大（Pom =9W）时，电源供给的功率PV。④ 每个管子允许的管耗PCM的最小值。

⑤ 当输出功率最大（Pom =9W）时所要求的输入电压有效值。

6.15 参见图6-17所示电路，管子在输入信号ui作用下，在一周内VT1和VT2轮流导通约180°，电源电压VCC=20V，负载RL=8，试计算：

① 在输入信号Ui=10V（有效值）时，电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率和效率。② 当输入信号Ui的幅值Uim=VCC =20V时，电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率和效率。6.16 一单电源互补对称电路如图6-18所示，设ui为正弦波，RL=8，管子的饱和压降UCES可以忽略不计。试求最大不失真输出功率Pom（不考虑交越失真）为9W时，电源电压VCC至少应为多大？

图6-18习题6.16图

6.17 参见图6-8所示单电源互补对称电路，设VCC=12V，RL = 8，C的电容量很大，ui为正弦波，在忽略管子饱和压降UCES情况下，试求该电路的最大输出功率Pom。

139

第二篇：功率放大电路教案

功率放大电路的特点及类型

[教学目的] 掌握互补功率放大电路的工作原理,熟悉实际功放OCL电路

[教学重点和难点] 互补功率放大电路的最大输出功率、转换效率和最大输出

[教学内容]

一、主要特点

1.由于输出电压或输出电流的幅度较大，功率放大电路必须工作在大信号条件下，因而容易产生非线性失真。如何尽量减小输出信号的失真是首先要考虑的问题。

2.输出信号功率的能量来源于直流电源，应该考虑转换的效率。

3.半导体器件在大信号条件下运用时，电路中应考虑器件的过热、过流、过压、散热等一系列问题，因此要有适当的保护措施。

二、基本类型

功率放大电路主要有互补对称式和变压器耦合推挽式两种类型。

1、互补对称式

OTL功率放大器要求输入端(T1、T2基极)上的静态电压也为Vcc/2，即VI=(VCC/2)+Vi。单电源互补对称功率放大器增加了一只大容量(几百～几千微法)的电解电容。当静态时(Vi=0)，T1和T2都截止。它们的射极电压为V cc /2，所以电容C上充有Vcc/2的电压，输出Vo=-Vc=0。信号Vi为正半周时，T1导电，使T2截止，负截RL上流过正半周电流；信号为负半周时，电容器C上的电压Vcc/2作为电源，T2导电，T1截止，负载上流过负半周信号电流。所以电容C要有足够大的容量，使得在信号负半周时能提供出较大的电流。互补对称功率放大器由于在静态条件下T1和T2都处于截止状态，所以它的静态功耗为零，但在动态时存在严重的交越失真。为了克服交越失真，必须给互补对称功率放大电路设置一定的静态工作点(使信号Vi=0时，T1、T2管都处于微导电状态)。根据静态工作点的不同设置，互补对称功率放大器可以工作在乙类功放，即导电角θ=180°；甲类功放，即导电角θ=360°和甲乙类功放，即导电角在θ=180°～360°。

2.变压器耦合推挽式

变压器耦合的突出优点是，通过改变变压器的变比，能找到一个最佳的等效负载(此时输出功率最大，且不失真)。并且，在不提高电源电压的条件下，可以使输出电压的幅度Vom超过电源电压。

[小结] 1.功率放大电路是在电源电压确定的情况下,以输出最大不失真的信号功率各具有尽可能高的转换效率为组成原则,功放管常常工作在尽限应用状态。2.低频功放电路有变压器耦合乙类推换电路、OTL电路、OCL电路和BTL电路。

[复习] 1.功放电路的性能指标:最大输出电压、最大输出功率和效率

2.功放电路的分类:甲类、乙类、甲乙类、丙类和丁类 变压器耦合、OTL、OCL和BTL

第三篇：低频电路期末试卷1

模拟综合试卷一

一． 填充题

1． 集成运算放大器反相输入端可视为虚地的条件是a，b。

2． 通用运算放大器的输入级一般均采用察动放大器，其目的是a ,b。

3． 在晶体三极管参数相同，工作点电流相同条件下，共基极放大电路的输入电阻比共射放大电路的输入电阻。

4． 一个NPN晶体三极管单级放大器，在测试时出现顶部失真，这是 失真。

5． 工作于甲类的放大器是指导通角等于，乙类放大电路的导通角等于，工作于甲乙类时，导通角为。

6．甲类功率输出级电路的缺点是，乙类功率输出级的缺点是 故一般功率输出级应工作于状态。

7． 若双端输入，双端输出理想差动放大电路，两个输入电压ui1=ui2,则输出电压为 V；若ui1=1500µV, ui2=500µV，则差模输入电压uid为 µV，共模输入信号uic为 µV。

8． 由集成运放构成的反相比例放大电路的输入电阻较 同相比例放大电路的输入电阻较。9． 晶体三极管放大器的电压放大倍数在频率升高时下降，主要是因为 的影响。

10． 在共射、共集、共基三种组态的放大电路中，组态电流增益最； 组态电压增益最小； 组态功率增益最高； 组态输出端长上承受最高反向电压。频带最宽的是 组态。二． 选择题

1．晶体管参数受温度影响较大，当温度升高时，晶体管的β，ICBO,uBE的变化情况为（）。

A．β增加，ICBO,和 uBE减小 B.β和ICBO增加，uBE减小 C．β和uBE减小，ICBO增加 D.β、ICBO和uBE都增加 2．反映场效应管放大能力的一个重要参数是（）A.输入电阻 B.输出电阻 C.击穿电压 D.跨导 3．双端输出的茶分放大电路主要（）来抑制零点飘移。A.通过增加一级放大 B.利用两个

C.利用参数对称的对管子 D.利用电路的对称性

4．典型的差分放大电路由双端输出变为单端输出，共模电压放大倍数（）。A.变大 B.变小 C.不变 D.无法判断

5．差分放大电路的共模抑制比KCMR越大，表明电路（）A.放大倍数越稳定 B.交流放大倍数越大 C.直流放大倍数越大 D.抑制零漂的能力越强

6．负反馈放大电路以降低电路的（）来提高嗲路的其他性能指标。A.带宽 B.稳定性 C.增益 D.输入电阻 7．为了使运放工作于线性状态，应（）A.提高输入电阻 B.提高电源电压 C.降低输入电压 D.引入深度负反馈

8．在正弦振荡电路中，能产生等幅振荡的幅度条件是（）。A.ÀF=1 B.ÀF> C.ÀF<1 D.ÀF=1 9．振荡电路的振荡频率，通常是由（）决定 A.放大倍数 B.反馈系数

C.稳定电路参数 D.选频网络参数

10．在串联型线性稳定电路中，比较放大环节放大的电压是（）A.取样电压与基准电压之差 B.基准电压 C.输入电压 D.取样电压 三．分析计算题

1，如图所示的放大电路中，已知Rb1=16kΩ, Rb2=11kΩ, Rc1=0.5kΩ, Rc2=2.2kΩ, RE1=0.2kΩ, RE2=2.2kΩ, RL=2.2kΩ，β=80, uBE=0.7V, VCC=24V。试求：（1）静态工作点

（2）w画出微变等效电路（3）电压发达倍数

（4）输入电阻Ri、输出电阻Ro

2.如图所示为N沟道结型结构的场效应管放大电路中，已知VP=-4v，IDSS=1mA，VDD=16v，RG1=160kΩ,，RG2=40kΩ，RG=1MΩ，RD=10kΩ，RS=8kΩ，RL=1MΩ。试求：（1）静态工作点Q（2）画出微变等效电路（3）电压放大倍数Au

（4）输入电阻Ri、输出电阻Ro 3．如下图所示的反馈电路，试求：

（1）用瞬时极性法在电路图上标出极性，并指出反馈的类型；（2）说明反馈对输入电阻和输出电阻的影响；（3）在深度负反馈条件下的闭环电压放大倍数。

4．如图所示的运算放大电路中，已知R1 =R2=10k, R5=15k, R3 =R4= R6 =30k, RF3=30k, RFi =RF2=10k, E1=3V, E2=4V, E3=3V。试求：

（1）指出A1、A2、A3运算放大功能；

（2）计算输出电压uo1、和 uo。

uo2 5．如图所示的单相桥式电容滤波整流电路，交流电源频率f=50Hz, 负载电阻RL=120Ω,要求：直流电压uo=30v, 试选择整流元件及滤波电容C。

第四篇：低频电路期末试卷3

模拟电路综合试题三

一．填空题

1．双极型晶体管工作在放大区偏置条件是 增强型N沟道的场效应管工作在放大区的偏置条件是。

2．射极跟随器具有，，等三个特点。3．差分放大电路的基本功能是。

4．在信号源内阻，负载电阻大的场合，欲改善放大电路的性能，应采用 反馈。5．在阻容耦合放大电路中，若要降低下限频率，应将耦合电容的值。6．要消除基本共发射极放大电路产生的饱和失真，应将静态工作电流。7．乙类推挽放大电路的主要失真是，要消除此失真，应改用。8．理想运算放大器工作在线性放大区时具有 和 特性。二．选择题

1． 在一个由NPN型晶体管构成的放大电路中,关于晶体管三个电极的电位,下列说法正确的是()A． 集电极电位一定最高 B.集电极电位一定最低

C．发射极电位一定最高 D.基极电位一定最低 2． 直接耦合多级放大电路（）。

A．只能放大直流信号 B.只能放大交流信号 C．既能放大直流信号也能放大交流信号 D.既不能放大直流信号也不能放大交流信号

3． N沟道结型场效应管中的载流子是（）A．自由电子 B.空穴 C.电子和空穴 D.带电离子 4．对于结型场效应管，栅源极之间的PN结（）。

A． 必须正偏 B.必须零偏 C.必须反偏 D.可以任意偏置 5．通用型集成运放输入极通常采用（）电路

A．差分放大 B.互补推挽 C.基本共射极放大 D.电流源

6.差分放大电路由双端输入变为单端输入，差模电压放大倍数（）。A.增加一倍 B.减小一半 C.不变 D.按指数规律变化 7．之流负反馈在电路中的主要作用是（）A．提高输入电阻 B.降低输出电阻 C.增大电路增益 D.稳定静态工作点

8．为了稳定放大电路的输出电压，那么对于高内阻的信号源来说，放大电路应引入（）负反馈。A.电流串联 B.电流并联 C.电压串联 D.电压并联 三．分析与计算题

1．如图所示，放大电路中，已知VCC=15V, Rs=0.5KΩ Rb1=40KΩ Rb2=20KΩ Rc=2KΩ RE1=0.2KΩ RE2=1.8KΩ RL=2KΩ β=50 UBE=0.7V。试求：（１）电路的静态工作点（２）画出微变等效电路（３）输入电阻Ri和输出电压Ro

（４）电压放大倍数Au和源电压放大倍数Aus

2．由N沟道耗尽型场效应管组成的电路如下图所示。设UGSQ=-0.2V, Gm=1.2ms。试求：（１）电路中的静态工作点IDQ和UGSQ之值

'（２）画出微变等效电路图（３）电压放大倍数Áu

（４）输入电阻Ri和输出电阻RO 4.电路如下图所示，试求：

（１）在电路图上标出反馈的极性并指反馈的类型

（２）在深度的条件下，写出电路能满足（R1+R2）»R的条件下，输出电流iO与输入

电压Ｕi的关系式

5．如图所示的电路中，已知R1=RW=10KΩ,R2=20KΩ,U1=1V,设A为理想运算放大器，起输出电压最大值为12V,试分别求出当电位器RW的滑动端移到最上端、中间位置和最下端时的输出电压ＵO的值。

第五篇：单级低频小信号放大电路

单级低频小信号放大电路

一、理解电路原理、和的作用：的作用：、组成什么反馈：什么作用：组成什么反馈：什么作用：的作用：的作用：的作用：

二、实验结果、测出三极管

极对地电位，判断三极管工作区域、输入端接，峰峰值为的正弦波，测出输出端的峰峰值，算出放大倍数：去掉，输入端接，峰峰值为的正弦波，测出输出端的峰峰值，算出放大倍数：哪个放大倍数大：、输入端接，峰峰值慢慢变大的正弦波，查看输出端波形变化，出现什么现象？、输入端接，峰峰值的正弦波，调节，查看输出端波形变化，出现什么现象？