互补功率放大电路的分析及计算

一、OCL 功率放大电路
- 1. B类双电源互补对称功率放大电路
- - 1. 电路组成
  - 2. 工作原理
- 2. AB类互补对称功率放大电路
- 1. 交越失真
- 2. 消除交越失真的OCL电路
- 3. 输出功率及效率
- - 1. 输出功率
  - 2. 直流电源的供给功率
  - 3. 效率
  - 4. 管耗
  - 5. 功放放管的选择
二、OTL功率放大电路
三、BTL功率放大电路

目前应用较多的功率放大电路：

无输出电容OCL(Output Capacitorless)功率放大电路
无输出变压器OTL(Output Transformerless)功率放大电路
桥式推挽电路BTL(BalancedTransformerless)等。

为了提高带负载能力，以上电路末级均采用射极输出的方式，即采用共集电极接法。

一、OCL 功率放大电路

1. B类双电源互补对称功率放大电路

1. 电路组成

T₁ 管为NPN型晶体管，T₂ 管为 PNP 型晶体管，两管参数相同，其基极和发射极分别连在一起，信号从基极输入，发射极输出，R1为负载，且V_CC = V_EE 。电路中两管交替工作完成一个周期的负载电流输出，因此也称为互补推挽电路。

2. 工作原理

设T₁、T₂ 理想对称，且忽略导通电压 U_BE。

在输入信号的正半周，如图所示，T₁ 管发射结正偏，使T₁管导通，T₂管发射结反偏，使T₂管截止。
电流由电源Vcc流经T;管和负载电阻到地。负载上的电流由上向下，如图6.2.1中实线箭头所示，从而形成负载电流i的正半周。
在输入信号的负半周，如图所示，T₁ 管的发射结反偏，使 T₁ 管截止，T₂管的发射结正偏，T₂ 管导通。
此时的电流是从-VEE的正端（即地）经R1再经T2流向-VEE,负载上的电流由下向上，如图中虚线箭头所示，从而形成负载电流i的负半周。

由于 T₁ 、T₂ 管轮流导通，形成互补，在R_L 上得到与输入信号波形相接近的电流和电压，故称这种电路为 B类互补对称放大电路。又因为静态时公共发射极电位为零，不必采用电容藕合，故又简称为OCL电路。

2. AB类互补对称功率放大电路

因为B类互补对称功率放大电路没有考虑晶体管的导通压降；实际情况下会像交越失真的情况

1. 交越失真

输入信号的电压必须超过 U_th，才能使晶体管导通。在输入信号的一个周期内，T和T2轮流导通时形成的基极电流波形在过零点附近区域内出现失真，从而使输出电流和电压出现同样的失真，这种输出波形失真称为交越失真。

消除失真的有效方法：为放大电路设置合适的静态工作点。

2. 消除交越失真的OCL电路

为了消除交越失真，可分别给两只晶体管的发射结加一定的正向偏压，使两管在静态时均
处于微导通状态，从而减小交越失真，此时功放管工作在AB类放大状态。实际电路中，静态
电流通常取得很小，所以这种电路仍可以用B类互补对称电路的有关公式近似估算输出功率
和效率等指标。
能消除交越失真的OCL放大电路如图6.2.4所示，静态时，从+V_CC经过R₁、D₁、D₂、R₂
到 -V_EE 有一个直流电流，它在T1和T2管两个基极之间所产生的电压为

U_blb2 = U_BE1 + U_BE2 = U_D1 + U_D2

因而使得T和T2管处于临界导通状态（也叫微导通状态）,即都有一个微小的基极电流，分别
为I_B1和I_B2。

3. 输出功率及效率

计算的参考电路：

1. 输出功率

功率放大电路的输出功率 P_o 为输出电压 u_o 和输出电流 i_o 有效值的乘积

换成全电流或全电压表示形式：
由于有

则能推出：
设晶体管的静态电流可忽略不计，晶体管的饱和压降为|U_CES|
则最大不失真输出电压的振幅为

最大不失真输出电流的振幅为

最大不失真输出功率：

理想情况下，即 U_CES = 0时

2. 直流电源的供给功率

由于电路中的两个功放管轮流工作在半个周期，每个管子集电极电流的平均值为

因为每个电源只提供半个周期的电流，所以，两个电源所提供的总功率为

得最大输出功率时，直流电源的供给功率为

3. 效率

效率是负载上获得的信号效率功率 P_o 与直流电源供给功率 P_DC 之比，用 η 表示。

当U_om = U_omm = V_CC - |U_CES| 时，可得互补对称功率放大电路的最高效率η 为

4. 管耗

直流电源所提供的功率除负载获得的功率外，功放管也要消耗一部分的功率，即管耗，用P_C表示。

由此可见，当输出幅度为最大幅度的 2/ π * V_CC 时，管耗最大，此时每一只管子的最大管耗约为

5. 功放放管的选择

(1)集电极最大允许耗散功率 P_cm >0.2 P_om
(2)c、e间击穿电压 |U_(BR)CEO| > 2V_CC
(3)最大集电极电流 I_CM > V_CC / R_L

经典例题：

二、OTL功率放大电路

OCL电路采用直接藕合方式，因而低频特性好，但是它必须用两路电源供电，这为整个电路的设计带来了不便。
OTL电路与OCL电路一样，均采用射极输出形式，且均为互补电路，只是其输出与负载用电容藕合，
设T1和T2特性理想对称，且忽略导通电压U_BE。在静态时，功放管的基极电位和射极电位均为 V_CC / 2，藕合电容两端电压U_c 也为 V_CC / 2，两只管子均截止。

最大输出电压的峰值为：

最大输出功率为：

依照OCL互补电路的分析方法，可得到OTL电路的效率、功放管的最大功耗等参数，不同的是需要将对应式中的V_CC用 V_CC / 2 来代替即可。
为了消除交越失真，可采用图(b)所示OTL甲乙类互补电路。图中电阻R₂可作为静态电流的微调电阻，其阻值应远远小于R₁、R₃。

三、BTL功率放大电路

BTL功率放大电路又称为桥式推挽功率放大器。它的主要特点是能在电源电压比较低的情况下输出较大的负载功率。而在同样的电压和负载的条件下，它的实际输出功率为OTL及OCL的2~4倍。由于电路输出端与负载间无电容连接，所以它的低频响应好，保真度高，是一些优质功率放大器的首选电路。
BTL电路只需要一组电源，比需要两组电源的OCL电路更具有优越性。BTL电路能较好地消除由功放电路本身造成的“偶次谐波失真”，其缺点是电路较为复杂，所以BTL电路一般由集成功率放大电路组成。
BTL电路如图所示，电路采用单电源且输出采用直接耗合方式与负载相接，其输入和输出均没有接地点，为双端输入、双端输出形式。

设T1 - T4的饱和管压降为U_ces，则最大输出电压的峰值为（V_CC - 2|U_ces|),故最大输出功率为

在忽略功放管饱和压降Ucs时，BTL功率放大电路的最大输出功率是OTL功率放大电路最大输出功率的四倍，效率为

在最大输出功率和功放管饱和管压降均相同的情况下，BTL电路的效率低于OCL电路。

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