文章目录

A 概述
- A.a 功率放大电路研究的问题
- A.b 对功率放大电路的要求
- A.c 晶体管的工作方式
- A.d 功率放大电路的种类
- - A.d.a 变压器耦合功率放大电路
  - A.d.b OTL（无输出变压器）电路
  - A.d.c OCL（无输出电容）电路
  - A.d.d BTL电路
B 互补输出级的分析计算

A 概述

A.a 功率放大电路研究的问题

1 性能指标：
最大输出功率和转换效率。
若已知UomU_{om}Uom，则可得PomP_{om}Pom,Pom=Uom2RLP_{om}=\frac{U_{om}^2}{R_L}Pom=RLUom2
UomU_{om}Uom称为最大不失真输出电压有效值。
最大输出功率与电源损耗的平均功率之比为效率。
转换效率eta：
η=PomPV×100%\eta=\frac{P_{om}}{P_V}\times 100\%η=PVPom×100%

PVP_VPV为直流功率

2 分析方法：因大信号作用，故应采用图解法。
3 晶体管选用：根据极限参数选择晶体管。
在功放中，晶体管集电极或发射极电流最大值接近最大集电极电流ICMI_{CM}ICM，管压降的最大值接近c-e反向击穿电压U(BR)CEOU_{(BR)CEO}U(BR)CEO，集电极消耗功率的最大值接近集电极最大耗散功率PCMP_{CM}PCM。称为工作在尽限状态。

A.b 对功率放大电路的要求

1 输出功率尽可能大：即在电源电压一定的情况下，最大不失真输出电压UomU_{om}Uom（有效值）最大。
2 效率尽可能高：即电路损耗的直流功率尽可能小，静态时功放管的集电极电流近似为0。

A.c 晶体管的工作方式

1 甲类方式：晶体管在信号的整个周期内均处于导通状态。θ=2π\theta=2\piθ=2π
2 乙类方式：晶体管仅在信号的半个周期处于导通状态 θ=π\theta=\piθ=π
3 甲乙类方式：晶体管在信号的多半个周期处于导通状态。

A.d 功率放大电路的种类

A.d.a 变压器耦合功率放大电路

静态下：
IBQ=UCC−UBEQRbI_{BQ}=\frac{U_{CC-U_{BEQ}}}{R_b}IBQ=RbUCC−UBEQ

ICQ=βIBQI_{CQ}=\beta I_{BQ}ICQ=βIBQ

UCEQ=VCCU_{CEQ}=V_{CC}UCEQ=VCC

动态下：
RL′=(N1N2)2RLR_L'=(\frac{N_1}{N_2})^2R_LRL′=(N2N1)2RL
UCE=−iCRL′U_{CE}=-i_CR_L'UCE=−iCRL′

管压降是静态电压和动态电压叠加，所以会大于电源电压。
2VCC2V_{CC}2VCC：交流电压最大值大于VCCV_{CC}VCC那么图中左边就会失真。

输入信号增大，输出功率将增大
输入信号增大，管子的平均电流不变，等于ICQI_{CQ}ICQ（交流部分平均为0）。
输入信号增大，电源提供的功率不变(PV=VCCICQP_V=V_{CC}I_{CQ}PV=VCCICQ)，效率增大(PomP_{om}Pom增大)。

输入信号为零时，效率为0，但是电源提供的功率不为零。

结构：

（1）T1、T2T_1、T_2T1、T2的管型，输入输出特性完全相同。
（2）采用共射输出方式。
（3）一个直流电源，采用单电源供电。
（4）与负载的耦合方式：变压器耦合。

静态：

UB=UE=0U_B=U_E=0UB=UE=0，管子处于截止状态。

动态

信号的正半周T1T_1T1导通、T2T_2T2截止（故为乙类）；负半周T2T_2T2导通、T1T_1T1截止。两只管子交替工作，称为“推挽”。设β\betaβ为常量，则负载上可获得正弦波。输入信号越大，电源提供的功率也越大。

A.d.b OTL（无输出变压器）电路

因变压器耦合功放笨重、自身损耗大，故选用OTL电路。

（1）看管子：T1T_1T1采用NPN型；T2T_2T2采用PNP型。
（2）看输出方式：共集输出
（3）看供电：单电源供电
（4）静态：uI=UB=UE=+VCC2u_I=U_B=U_E=+\frac{V_{CC}}{2}uI=UB=UE=+2VCC
输入电压的正半周：+VCC→T1→C→RL→地+V_{CC}\rightarrow T_1\rightarrow C\rightarrow R_L\rightarrow 地+VCC→T1→C→RL→地。此时C充电。
输入电压负半周：C的“+”→T2→地→RL→C的“−”C的“+”\rightarrow T_2\rightarrow 地\rightarrow R_L\rightarrow C的“-”C的“+”→T2→地→RL→C的“−”。此时C放电。

VCC=UCE+12VCC+UoV_{CC}=U_{CE}+\frac{1}{2}V_{CC}+U_oVCC=UCE+21VCC+Uo

Uom=12VCC−UCES2U_{om}=\frac{\frac{1}{2}V_{CC}-U_{CES}}{\sqrt{2}}Uom=221VCC−UCES

Pom=Uom2RLP_{om}=\frac{U_{om}^2}{R_L}Pom=RLUom2

C要足够大才能认为其对交流信号相当于短路。
OTL电路低频特性差。

A.d.c OCL（无输出电容）电路

直接耦合

静态时，UEQ=UBQ=0U_EQ=U_{BQ}=0UEQ=UBQ=0。
输入电压的正半周：+VCC→T1→RL→地+V_{CC}\rightarrow T_1\rightarrow R_L\rightarrow 地+VCC→T1→RL→地
输入电压的负半周：地→RL→T2→−VCC地\rightarrow R_L\rightarrow T_2 \rightarrow -V_{CC}地→RL→T2→−VCC

Uom=VCC−UCES2U_{om}=\frac{V_{CC}-U_{CES}}{\sqrt{2}}Uom=2VCC−UCES
Pomax=Uom2RLP_{omax}=\frac{U_{om}^2}{R_L}Pomax=RLUom2
两只管子交替导通，两路电源交替供电，双向跟随。

A.d.d BTL电路

特点：

双端输入、双端输出形式，输入信号、负载电阻均无接地点。
管子多，损耗大，使效率低。

输入电压的正半周：+VCC→T1→RL→T4→地+V_{CC}\rightarrow T_1\rightarrow R_L\rightarrow T_4\rightarrow 地+VCC→T1→RL→T4→地
输入电压的负半周：+VCC→T2→RL→T3→地+V_{CC}\rightarrow T_2 \rightarrow R_L\rightarrow T_3\rightarrow 地+VCC→T2→RL→T3→地

Uom=VCC−2UCES2U_{om}=\frac{V_{CC}-2U_{CES}}{\sqrt{2}}Uom=2VCC−2UCES

Pom=Uom2RLP_{om}=\frac{U_{om}^2}{R_L}Pom=RLUom2

几种电路的比较
变压器耦合乙类推挽：单电源供电，笨重，效率低，低频特性差。
OTL电路：单电源供电，低频特性差。
OCL电路：双电源供电，效率高，低频特性好。
BTL电路：单电源供电，低频特性好；双端输入双端输出。

B 互补输出级的分析计算

以OCL电路为例
求解输出功率和效率的方法
在已知RLR_LRL的情况下，先求出UomU_{om}Uom，则Pom=Uom2RLP_{om}=\frac{U_{om}^2}{R_L}Pom=RLUom2
然后求出电源的平均功率，PV=IC(AV)⋅VCCP_V=I_{C(AV)} \cdot V_{CC}PV=IC(AV)⋅VCC
效率η=Pom/PV\eta=P_{om}/P_Vη=Pom/PV

乙类：交越失真。

输出功率
Uom=VCC−UCES2U_{om}=\frac{V_{CC}-U_{CES}}{\sqrt{2}}Uom=2VCC−UCES
大功率管的UCESU_{CES}UCES常为2~3V。

Pom=(VCC−UCES)22RlP_{om}=\frac{(V_{CC}-U_{CES})^2}{2R_l}Pom=2Rl(VCC−UCES)2

效率

η≤78.5%\eta\le 78.5\%η≤78.5%

晶体管的极限参数

在输出功率最大时，因管压降最小，故管子损耗不大；输出功率最小时，因集电极电流最小，故管子损耗也不大。
管子功耗与输出电压峰值关系为：

PTP_TPT对UomU_{om}Uom求导，并令其为0，可得

因此，选择晶体管时，其极限参数满足：

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