互补推挽式功率放大电路

接线图 2023年07月21日 23:07 231 admin

甲类工作状态晶体管存在问题 → 乙类工作状态晶体管管耗小效率高（但存在非线性，即交越失真） → 甲乙类工作状态晶体管（但存在功率管匹配异型困难） → 准互补对称放大电路(OCL) → 单电源互补功率放大电路（OTL） → 变压器耦合功率放大电路
1、互补对称式乙类功率放大电路
1.结构
图9.1（a）所示电路采用两个NPN和PNP管各一只，且特性对称，组成互补对称式射极输出器。简称OCL电路，意为无输出耦合电容。

互补推挽式功率放大电路第1张
2.工作原理
静态时： u i =0 → I C2 = I C2 =0 （乙类工作状态） → u o =0 。
动态时： u i >0 → VT2导通，VT3截止 → i o = i C2 ；
u i <0 → VT3导通，VT2截止 → i o =− i C3 。
特点：
（1） I BQ 、 I CQ 等于零。
（2）两管均工作半个周期。
3.分析计算
（1）输出功率
由电路可知，输出电压 U o 变化范围为： 2( U CC − U ces )=2 I CM × R L
若忽略管子饱和压降 U ces ，则：
输出电流最大值 I CM = U CC R L
输出电压最大值 U CM = U CC
输出最大功率 P OM = I CM 2 × U CM 2 = U CC 2 R L × U CC 2 = U CC 2 2 R L
（2）直流电源供给的功率
因为两管各导通半个周期（不考虑失真），每个电源只提供半个周期的电流，且每管电流平均值为
I C = 1 2π ∫ 0 π i C2 d(ω t) = 1 2π ∫ 0 π I CM sin⁡(ω t)d(ω t) = 1 2π U CC R L [ −cos⁡ω t ] 0 π = 1 2π U CC R L ×2= 1 π U CC R L
所以，总功率为 P V =2 I C U CC = 2 π U CC 2 R L
（3）效率
η= P OM P V = π 4 =78.5%
（4）晶体管耗散功率
2 P T = P V − P OM = 2 π U CC I CM − 1 2 U CC I CM = 2 U CC U CM π R L − U CM 2 2 R L
将上式对 U CM 求导并令其为零，得：
d P T d U CM = 2 U CC π R L − U CM R L =0
即 U CM = 2 π U CC ≈0.64 U CC
代入上式，可求得最大管耗
2 P T = 2 U CC π R L 2 U CC π − 1 2 R L ( 2 U CC π ) 2 = 4 π 2 U CC 2 2 R L = 4 π 2 P OM ≈0.4 P OM
4.缺点
电路存在交越失真。如图9.1（b）图所示，是由于三极管的死区电压所造成，属非线性失真。
2、互补对称式甲乙类功率放大电路
1.甲乙类双电源互补对称电路
（1）基本工作原理
图9.2（a）所示电路中除增加驱动级VT1管外，还增加了两只二极管VD1、VD2，目的是建立一定的直流偏置，偏置电压大于管子死区电压，以克服交越失真。此时管子工作于甲乙类状态。
静态：利用VT1基极电流在VD1、VD2的正向压降给VT1、VT3两管提供基极偏置电压，发射结电位分别为VD1、VD2的正向导通压降，致使两管处于微弱导通状态——甲乙类状态。
两管静态电流相等，负载上无静态电流，输出电压 U o =0 。
动态：当有交流信号输入时，VD1和VD2的交流电阻很小，可视为短路，从而保证两管基极输入信号幅度基本相等。两管轮流工作， i C2 、 i C3 波形如图9.2（b）所示，因为负载电流为两者之差，反相相加后得到的， i o 波形如图9.2（b）所示，明显改善了交越失真。

互补推挽式功率放大电路第2张
（2）分析计算
在忽略VT2、VT3管的饱和压降时，该电路的最大输出功率和效率与乙类相同。
（3）电路存在问题
第一：当要求输出功率较大时，要求推动功率管的基极电流也要很大，而由于功放管的 β 不会很大，所以驱动级VT1要提供大电流难以做到。
第二：两只大功率异型管的的配对比较困难，难以做到特性对称。
2.准互补对称式功率放大电路
为解决上述问题，可以增加复合管VT2、VT4 → 代替VT2；VT3、VT5 → 代替VT3。这样，既扩大了电流驱动能力，同时也利用同类型的VT4、VT5作为输出管，较好地实现了特性匹配的目的。如图9.3所示。

互补推挽式功率放大电路第3张
3.单电源互补对称式功率放大电路（OTL）
实际电路中，如收音机、扩音机中，常采用单电源供电。单电源供电常采用变压器耦合，这里省略了变压器，称为无输出变压器。简称OTL电路，如图9.4所示。
（1）基本工作原理
静态：因两管对称，VT2、VT3两管发射极e的电位 U E = 1 2 U CC ，负载无电流。
动态： u i >0 → VT2导通，VT3截止 → 对负载供电，并对 C 充电； u i <0 → VT3导通，VT2截止 → 电容 C 通过VT3、 R L 放电维持负半周电流（电容 C 相当于电源）。
注意：应选择足够大的电容C，以维持其上电压基本不变，保证负载上得到的交流信号正负半周对称。
（2）分析计算
同OCL电路分析相同，不同之处只要将式中的 U CC 改为 1 2 U CC 即可，得：
P OM = 1 8 U CC 2 R L
P V = 1 2π U CC 2 R L
η= P OM P V = π 4 =78.5%
（3）存在问题
在图9.4 中，当e点电位升高时，b点电位基本不变，VT2管基极电流减小，负载电流减小，使得输出电压正方向变化的幅度受到限制，远小于 1 2 U CC 。

互补推挽式功率放大电路第4张
4.自举电路
增加电容 C 3 和电阻 R 3 ，如图9.5所示，靠电路本身抬高 p 点电位，原理如下： u p = U CC − I C1 R 3 u e = 1 2 U CC U C3 = u p − u e }⇒ U C3 = 1 2 U CC − I C1 R 3
若电容 C 3 足够大，充电后 U C3 基本不变，为一常数。
由于 u p = U C3 + u e
显然 u e ↑ → u p ↑
即e点电位升高 → p点电位随之升高 → VT2充分导通 → 保证负载两端有足够大的电压变化量。
3、变压器耦合推挽功率放大电路
前述电路，虽各有特色，但在负载RL过大或过小时，对负载管的耐压或耐流值要求过高，通常的解决办法就是利用变压器将实际的负载变换成最佳负载，实现阻抗匹配，电路如图9.6所示。

互补推挽式功率放大电路第5张
1.工作原理
静态时： u i =0 → i C1 、 i C2 均为0 → u 0 =0 。
动态时： u i >0 → VT1导通，VT2截止 → i o = i C1 ； VT2导通，VT1截止 → i o = i C2 。
通过变压器Tr2将两个半周合成为一个完整的正弦波，并通过变比 n ，将 R L 变成 n 2 R L ,以实现阻抗匹配。
2.分析计算
输出功率为：
P OM = U CC n R L
其中 n= N 1 N 2
N 1 ——变压器Tr2原边绕组匝数的一半
N 2 ——Tr2副边绕组匝数
总输出效率为：
η ′ = η Tr η
其中 η Tr ——变压器效率
η ——晶体管输出效率
3.优点：可方便实现阻抗匹配，获得最佳负载。
缺点：体积大、效率低、频率特性差，且不易集成。
常用于要求输出较大功率较大的情况。

互补推挽式功率放大电路第6张
4、集成功率放大电路简介
图9.7(a)示电路为国产通用型集成功率放大器5G31，其中主要环节有：
（1）前置放大级（输入级）——VT1 、VT2和电阻 R 1 、 R 2 、 R 3 、 R 4 、 R 5 、 R F1 和 R F2 等组成单入、单出的差放电路。
（2）中间放大级——由三极管VT3和VT4组成。VT3为VT4的偏置管，对信号进行二次放大。
（3）推动级——VT5、VT6、VT7、VT8和 R 7 构成。VT5、VT6、VT7具有温度补偿作用，可稳定输出级静态电流，并为输出级通过适当偏置以消除交越失真。
（4）功率放大级——复合管VT9、VT10为NPN管，复合管VT11、VT12和VT13为PNP管，共同构成互补输出级，为准互补甲乙类功率放大电路。
5G31实际应用电路和外部接线如图9.7(b)所示。