功率放大电路
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这一章是模拟电子技术中非常关键的一章，它关注的核心问题不再是信号的电压或电流增益，而是如何高效、不失真地输出足够大的功率去驱动负载（如扬声器、电动机、天线等）。
本章概述与核心目标
- 核心问题：在小信号放大电路（如前面章节的共射、共集放大电路）中，我们追求的是电压增益或电流增益，晶体管工作在甲类状态，效率很低（理论最高25%）,无法用于驱动大功率负载。
- 本章目标：
- 理解功率放大电路的特殊要求（输出功率、效率、非线性失真）。
- 掌握几种典型的功率放大电路的结构、工作原理和特点。
- 学会计算功率放大电路的关键性能指标（输出功率、管耗、效率）。
- 了解功率放大电路中功率器件的选择和保护。
核心概念与性能指标
在分析功率放大电路之前,必须先理解几个核心性能指标。
输出功率
指负载上获得的交流信号功率。
- 最大不失真输出功率 (Pom)：在输入信号足够大，且输出波形基本不失真的情况下,负载上能获得的最大交流功率。
- 计算公式（对于正弦波）：$Po = \frac{V{om}^2}{2RL} = \frac{I{om}^2 \cdot R_L}{2}$
- $V_{om}$：输出电压的峰值。
- $I_{om}$：输出电流的峰值。
- $R_L$：负载电阻。
效率
这是功率放大电路最重要的指标,定义为负载上得到的信号功率与电源提供的直流功率之比。
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- 公式：$\eta = \frac{P_o}{P_V} \times 100\%$
- 意义：效率越高，意味着从电源取用的直流功率越多地转化为了有用的输出交流功率，转化为热量的损耗就越少,这对节能和减小散热器体积至关重要。
管耗
指功率放大管（BJT或MOSFET）自身消耗的功率,这部分功率几乎全部以热量的形式散发。
- 公式：$P_T = P_V - P_o$
- 意义：管耗是导致功率管发热的主要原因，为保证电路安全稳定工作，必须确保管耗不超过其最大允许管耗 $P_{CM}$。
非线性失真
功率放大电路通常工作在大信号状态，晶体管的非线性特性会被充分显现,导致输出波形产生失真。
- 衡量指标：谐波失真系数
- 定义：输出信号中所有谐波分量的总有效值与基波分量有效值之比，THD越小,失真越小。
功率放大电路的分类（按晶体管工作状态）
这是本章最核心的分类方式,直接决定了电路的效率和特点。
甲类功率放大
- 工作点：设置在负载线的中点，在输入信号的整个周期内（360°）,晶体管始终导通。
- 特点：
- 优点：失真小（理论上只有偶次谐波）。
- 缺点：效率极低，理论最高效率为25%（变压器耦合）或50%（无变压器），静态管耗大,主要用于电压放大或小信号驱动。
- 电路示例：简单的共射放大电路带负载。
乙类功率放大
- 工作点：设置在截止区边缘，在输入信号的半个周期（180°）内，一个晶体管导通；另半个周期,另一个晶体管导通。
- 特点：
- 优点：效率高，理论最高效率可达 5%。
- 缺点：存在严重的交越失真，由于晶体管存在开启电压（硅管约0.7V），在输入信号过零点附近，两个管子都处于截止状态，导致输出波形出现“死区”。
- 电路示例：乙类互补对称电路 (OCL - Output Capacitor Less) 和 OTL - Output Transformer Less。
甲乙类功率放大
- 工作点：设置在放大区，但靠近截止区，每个管子的导通时间略大于半个周期（180° < θ < 360°）。
- 特点：
- 优点：完美解决了乙类的交越失真问题，同时效率仍然较高（低于乙类，但远高于甲类）。
- 缺点：电路结构比乙类稍复杂,需要给两个互补管提供一个微小的静态偏置。
- 电路示例：甲乙类互补对称电路 (OCL/OTL),这是目前应用最广泛的功率放大电路。
丙类功率放大
- 工作点：设置在截止区,管子的导通时间小于半个周期。
- 特点：
- 优点：效率极高，可以接近90%。
- 缺点：失真极其严重，只能用于调谐回路作为负载的射频（RF）功率放大（如无线电发射机）,利用LC谐振回路来滤除谐波。
- 本章通常不作为重点，但作为分类需要了解。
典型电路详解
乙类双电源互补对称电路 (OCL电路)
- 结构：
- 由一个NPN管（T1）和一个PNP管（T2）组成,两者互补对称。
- 双电源供电（+VCC 和 -VEE）。
- 直接驱动负载,无需输出电容。
- 工作原理：
- 正半周：T1导通，T2截止，电流路径为 +VCC → T1 → RL → -VEE。
- 负半周：T1截止，T2导通，电流路径为 +VCC → T2 → RL → -VEE。
- 两管轮流工作,在负载上合成一个完整的正弦波。
- 关键指标计算：
- $V{om(max)} \approx V{CC}$ (忽略管压降)
- $P{om} = \frac{V{CC}^2}{2R_L}$
- $PV = \frac{2V{CC}^2}{\pi R_L}$ (一个周期内电源提供的平均功率)
- $\eta = \frac{P_{om}}{P_V} = \frac{\pi}{4} \approx 78.5\%$ (最大效率)
- $P{T1(m)} \approx 0.2 P{om}$ (每只管子的最大管耗)
甲乙类OCL电路
- 改进：在T1和T2的基极之间增加一个偏置电路（通常是两个二极管D1、D2，或一个VBE倍增器）。
- 作用：
- 提供微小的静态偏置，使T1和T2在静态时处于微导通状态。
- 克服交越失真，当输入信号过零时，T1和T2已经导通,可以平滑地交替工作。
- 特点：在乙类OCL电路的高效率优点基础上，极大地改善了失真问题,成为实际应用中的标准电路。
甲乙类单电源互补对称电路 (OTL电路)
- 结构：
- 与OCL类似，但只有一个电源（VCC）。
- 输出端需要串联一个大容量的耦合电容C，该电容同时充当一个电源（在负半周放电，充当负电源的角色）。
- 工作原理：
- 静态时，电容C被充电到VCC/2，作为T2的“负电源”。
- 正半周：T1导通，对C充电,电流流向负载。
- 负半周：T1截止，T2导通,电容C通过T2向负载放电。
- 特点：只用一个电源，但需要一个大容量的电解电容,且低频响应可能受电容影响。
功率管的选择
在设计功率放大电路时，必须根据计算结果选择合适的功率管,其极限参数必须满足以下条件：
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- $P{CM} > P{T1(m)}$
功率管的最大允许管耗必须大于电路中可能出现的最大单管管耗。
