模擬電路網絡課件 第二十四節:甲乙類互補對稱功率放大電路

5.2 甲乙類互補對稱功率放大電路

乙類放大電路的失真:

前面討論了由兩個射極輸出器組成的乙類互補對稱電路（圖1），實際上這種電路并不能使輸出波形很好地反映輸入的變化，由于沒有直流偏置，管子的iB必須在|vBE|大于某一個數值（即門坎電壓，NPN硅管約為0.6V，PNP鍺管約為0.2V）時才有顯著變化。當輸入信號vi低于這個數值時，T1和T2都截止，ic1和ic2基本為零，負載RL上無電流通過，出現一段死區，如圖1所示。這種現象稱為交越失真。

5.3.1 甲乙類雙電源互補對稱電路

一、電路的結構與原理

利用圖1所示的偏置電路是克服交越失真的一種方法。

由圖可見，T3組成前置放大級（注意，圖中未畫出T3的偏置電路），T1和T2組成互補輸出級。靜態時，在D1、D2上產生的壓降為T1、T2提供了一個適當的偏壓，使之處于微導通狀態。由于電路對稱，靜態時iC1= iC2 ，iL= 0, vo =0。有信號時，由于電路工作在甲乙類，即使vi很小（D1和D2的交流電阻也小），基本上可線性地進行放大。

上述偏置方法的缺點是，其偏置電壓不易調整，改進方法可采用VBE擴展電路。

二、VBE擴展電路

利用二極管進行偏置的甲乙類互補對稱電路，其偏置電壓不易調整，常采用VBE擴展電路來解決，如圖1所示。

在圖1中，流入T4的基極電流遠小于流過R1、R2的電流，則由圖可求出

VCE4=VBE4（R1+R2）/R2

因此，利用T4管的VBE4基本為一固定值（硅管約為0.6~0.7V），只要適當調節R1、R2的比值，就可改變T1、T2的偏壓值。這種方法，在集成電路中經常用到。

5.3.2 單電源互補對稱電路

一、電路結構與原理

圖1是采用一個電源的互補對稱原理電路，圖中的T3組成前置放大級，T2和T1組成互補對稱電路輸出級。在輸入信號vi =0時，一般只要R1、R2有適當的數值，就可使IC3 、VB2和VB1達到所需大小，給T2和T1提供一個合適的偏置，從而使K點電位VK=VC=VCC/2 。

當加入信號vi時，在信號的負半周，T1導電，有電流通過負載RL，同時向C充電；在信號的正半周，T2導電，則已充電的電容C起著雙電源互補對稱電路中電源-VCC的作用，通過負載RL放電。只要選擇時間常數RLC足夠大（比信號的最長周期還大得多），就可以認為用電容C和一個電源VCC可代替原來的+VCC和-VCC兩個電源的作用。

值得指出的是，采用一個電源的互補對稱電路，由于每個管子的工作電壓不是原來的VCC，而是VCC/2，即輸出電壓幅值Vom最大也只能達到約VCC/2，所以前面導出的計算Po、PT、和PV的最大值公式，必須加以修正才能使用。修正的方法也很簡單，只要以VCC/2代替原來的公式中的VCC即可。

二、自舉電路

圖1電路是前面已討論的單電源互補對稱電路，它雖然解決了工作點的偏置和穩定問題，但在實際運用中還存在其他方面的問題。如輸出電壓幅值達不到Vom=VCC/2。現分析如下。

在額定輸出功率情況下，通常輸出級的BJT是處在接近充分利用的狀態下工作。例如，當vI為負半周最大值時，iC3最小，vB1接近于+VCC，此時希望T1在接近飽和狀態工作，即vCE1= VCES，故K點電位vK= +VCC-VCES ? VCC。當vi為正半周最大值時，T1截止，T2接近飽和導電，vK=VCES?0。因此，負載RL兩端得到的交流輸出電壓幅值Vom= VCC/2。

上述情況是理想的。實際上，圖1的輸出電壓幅值達不到Vom= VCC/2，這是因為當vi為負半周時，T1導電，因而iB1增加，由于Rc3上的壓降和vBE1的存在，當K點電位向+VCC接近時，T1的基流將受限制而不能增加很多，因而也就限制了T1輸向負載的電流，使RL兩端得不到足夠的電壓變化量，致使Vom明顯小于VCC/2。

如何解決這個矛盾呢？如果把圖1中D點電位升高，使VD >+VCC，例如將圖中D點與+VCC的連線切斷，VD由另一電源供給，則問題即可以得到解決。通常的辦法是在電路中引入R3C3等元件組成的所謂自舉電路，如圖2所示。

在圖2中，當vI =0時，vD=VD=VCC-Ic3R3 ，而vK=VK=VCC/2，因此電容T1兩端電壓被充電到VC3=VCC/2-Ic3R3。

當時間常數R3C3足夠大時，vC3（電容C3兩端電壓）將基本為常數（vC3 ?VC3），不隨vi而改變。這樣，當vi為負時，T1導電，vK將由VCC/2向更正方向變化，考慮到vD=vC3+vK=VC3+vK ，顯然，隨著K點電位升高，D點電位vD也自動升高。因而，即使輸出電壓幅度升得很高，也有足夠的電流iB1，使T1充分導電。這種工作方式稱為自舉，意思是電路本身把vD提高了。

小結

l 功率放大電路是在大信號下工作，通常采用圖解法進行分析。研究的重點是如何在允許的失真情況下，盡可能提高輸出功率和效率。

l 與甲類功率放大電路相比，乙類互補對稱功率放大電路的主要優點是效率高，在理想情況下，其最大效率約為7.85%。為保證BJT安全工作，雙電源互補對稱電路工作在乙類時，器件的極限參數必須滿足：PCM＞PT1≈0.2 Pom，|V(BR)CEO|＞2VCC，ICM＞VCC/RL。

l 由于BJT輸入特性存在死區電壓，工作在乙類的互補對稱電路將出現交越失真，克服交越失真的方法是采用甲乙類（接近乙類）互補對稱電路。通常可利用二極管或VBE擴大電路進行偏置。

l 在單電源互補對稱電路中，計算輸出功率、效率、管耗和電源供給的功率，可借用雙電源互補對稱電路的計算公式，但要用VCC/2代替原公式中的VCC。

l 在集成功放日益發展，并獲得廣泛應用的同時，大功率器件也發展迅速，主要有達林頓管、功率VMOSFET和功率模塊。為了保證器件的安全運行，可從功率管的散熱、防止二次擊穿、降低使用定額和保護措施等方面來考慮。