2.3 低频功率放大器

学习目标：

① 了解低频功率放大电路的基本要求和分类，了解功放元件的安全使用知识。

② 掌握OTL、OCL功率放大电路的工作原理，能熟读电路图。

③ 了解交越失真的产生及克服方法。

前面章节中介绍的是电压放大电路，将小信号电压进行不失真的放大和输出，但是提供给负载的功率较小，不能直接驱动大负载工作。因此，多级放大电路的末前级和输出级一般是功率放大级，将前置电压放大级输出的信号进行功率放大。通过本节的学习，使学习者对功率放大电路的组成、各元件的作用、功率放大器的工作原理及放大器的性能有一个比较清晰的认识。

功率放大电路的主要任务是向负载提供足够大的功率，所以对功率放大电路有以下要求。

① 输出功率尽可能大。输出功率是指负载得到的信号功率，与输出的交流电压和电流的乘积成正比。要得到足够大的输出功率，则输出电压和电流都要足够大，这就要求功率放大器中的功率放大管有很大的电压和电流变化范围，对三极管的各项指标必须认真选择，且尽可能使其得到充分利用。因为功率放大电路中的三极管处在大信号极限运用状态。

② 效率要高。大功率输出要求功率放大器的能量转换效率要高，即负载得到的信号功率与直流电源提供的功率之比要大，否则浪费电能，元件发热严重，功率管的潜力得不到充分发挥。

③ 非线性失真要小。由于功率放大器是在大信号状态下工作，电压和电流摆动的幅度很大，很容易超出功率三极管的线性范围，产生非线性失真。因此，要采取措施减少失真，使之满足负载的要求。

④ 功率放大管的散热性能要好。

2.3.1 低频功率放大器

按照功率放大电路放大信号的频率范围，功率放大电路分为低频功率放大电路和高频功率放大电路。低频功率放大电路用于放大音频范围的信号，即从几十赫兹到几万赫兹。高频功率放大电路用于放大射频范围的信号，即从几百千赫兹到几十兆赫兹的信号。本节仅介绍低频功率放大电路。

1．功率放大电路的分类

功率放大电路根据三极管的工作状态可分为：甲类、乙类和甲乙类功率放大电路三种，其工作状态如图2-27所示。

（1）甲类功率放大电路

甲类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的中点，在输入信号的整个周期内，三极管始终处在导通状态，有电流流过。甲类功率放大电路的优点是波形失真小，但是静态电流和功率损耗较大，效率较低。

（2）乙类功率放大电路

乙类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的截止点，在输入信号的整个周期内，三极管仅在半个周期内导通，有电流流过。乙类功率放大电路的功率损耗减到最少，使效率大大提高，但是非线性失真太大。

（3）甲乙类功率放大电路

甲乙类功率放大电路的静态工作点介于甲类和乙类之间，在输入信号的整个周期内，三极管导通时间大于半个周期而小于整个周期，此时三极管有较小的静态偏流。甲乙类功率放大电路其失真情况和效率介于甲类和乙类之间。

由以上分析可知，乙类功率放大电路的三极管损耗小、效率较高，所以在低频功率放大电路中主要采用乙类或甲乙类功率放大电路。

2．低频功率放大器的应用

由于甲乙类和乙类功率放大电路的输出波形失真大，所以在实际应用中，采用两管轮流导通的推挽电路（互补对称功率放大电路）来减小失真。也就是利用特性对称的NPN型和PNP三极管在信号的正、负半周轮流工作，互相补充，以此来完成整个信号的功率放大。互补对称功率放大电路一般工作在甲乙类状态。

传统的功率放大电路中的输出变压器与负载是连接在一起的，而变压器由于体积大没法集成，且高、低频特性较差，所以在互补对称功率放大电路中没有采用输出变压器。若互补对称功率放大电路通过电容与负载连接，称为无输出变压器电路，简称OTL （Output Transformer Less）电路；若互补对称功率放大电路直接与负载连接，称为无输出电容电路，简称OCL（Output Capacitor Less）电路。

（1）单电源互补对称功率放大电路（OTL功率放大器）

OTL功率放大器采用输出端耦合电容取代输出耦合变压器。图2-28（a）所示为乙类单电源互补对称功率放大器。电路中，VT1和VT2是OTL功率放大器输出管，C是输出端耦合电容，BL1是扬声器。

静态时（ui=0，无信号输入状态），由于电路对称，两管发射极E点电位为电源电压的一半，即为VCC/2，电容C上电压被充到VCC/2后，扬声器中无电流流过，因而，扬声器上电压为零。而两管的集电极与发射极之间都有VCC/2的直流电压，此时两个三极管均处于截止状态。动态时，ui有信号输入，负载电压uO是以VCC/2为基准交流电压。当ui处于正半周时，VT1导通，VT2截止，电容C开始充电，输出电流在负载上形成输出电压uO的正半周部分。当ui处于负半周时，VT1导通，VT2截止，电容C对VT2放电，在扬声器上形成反向电流，形成输出电压 uO的负半周部分。这样在一个周期内，通过电容C的充放电，在扬声器上得到完整的电压波形。

分析时，把三极管的门限电压看做为零，但实际中，门限电压不能为零，且电压和电流的关系不是线性的。在输入电压较低时，输出电压存在着死区，此段输出电压与输入电压不存在线性关系，即产生失真。这种失真出现在通过零值处，因此它被称为交越失真，其波形如图2-29所示。同样，该电路的输出波形 uO存在交越失真，为了克服交越失真，采用甲乙类单电源互补对称功率放大电路，如图2-28（b）所示。它是在静态时利用VD1和VD2两个二极管的偏置作用，给两功放管设置小数值的静态电流，使两功放管处于微导通状态，从而有效地克服了死区电压的影响。

从单电源互补对称功率放大电路的工作原理可以得出，电容的放电起到了负电源的作用，从而相当于双电源工作。只是输出电压的幅度减少了一半，因此，最大输出功率、效率也都相应降低。

（2）双电源互补对称功率放大电路（OCL功率放大器）

OCL功率放大电路是指没有输出端耦合电容的功率放大电路，如图2-30所示。从电路中可以看出，这一放大器电路采用正、负电源供电，即+VCC和-VCC，并且是对称的正、负电源供电，也就是+VCC和-VCC的电压大小相等，这是OCL功率放大器电路的一个特点。

由于电路对称，静态时两功率管VT1和VT2的电流相等，所以负载扬声器中无电流通过，两管的发射极电位 VA=0。它的工作原理与无输出变压器（OTL）的单电源互补对称放大电路相似。

OCL功率放大器与OTL功率放大器比较具有下列特点：

① 省去了输出端耦合电容器，扬声器直接与放大器输出端相连，如果电路出现故障，功率放大器输出端直流电压异常，这一异常的直流电压直接加到扬声器上，因为扬声器的直流电阻很小，便有很大的直流电流通过扬声器，损坏扬声器是必然的。所以，OCL功率放大器使扬声器被烧坏的可能性大大增加，这是一个缺点。在一些OCL功率放大器中为了防止扬声器损坏，设置了扬声器保护电路。

② 由于要求采用正、负对称直流电源供电，电源电路的结构复杂，增加了电源电路的成本。所谓正、负对称直流电源就是正、负直流电源电压的绝对值相同，极性不同。

③ 无论什么类型的OCL功率放大器，其输出端的直流电压等于0V，这一点要牢记，对检修十分有用。检查OCL功率放大器是否出现故障，只要测量这一点的直流电压是不是为0V，不为0V就说明放大器已出现故障。

2.3.2 典型集成功率放大器

集成功率放大电路是采用集成工艺将三极管和电阻等元件制作在一块硅片上的组合电路。该放大器具有使用时只要外接元件，使用和维修都很方便，成本低、体积小等优点，因此在电子产品中得到广泛的应用。本节简单介绍LM386型的低频功率放大器。

LM386型的低频功率放大器是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电增益可调、电源电压范围大、外接元件少等优点。它是三级放大电路，分别由输入级、中间级和输出级组成。输入级是双端输入-单端输出差动放大电路；中间级是共发射极放大电路；输出级是OTL互补对称放大电路。

图2-31所示为LM386组成的扬声器驱动电路，是集成功率放大电路的一般用法。C1为输出电容，调节可调电位器RP可调节扬声器的音量，R和C2串联构成校正网络来进行相位补偿，R2用来改变电压增益，C5为电源滤波电容，C4为旁路电容。

2.3.3 实训项目：音频功率放大器安装与调试

1．技能目标

① 掌握基本的手工焊接技术。

② 能熟练使用示波器以及低频信号发生器。

③ 会判断并检修音频功放电路的简单故障。

④ 会安装与调试音频功放电路。

⑤ 根据原理图，能准确规划印制板线路。

2．工具、元件和仪器

① 电烙铁等常用电子装配工具。

② LM386、电阻等。

③ 万用表、示波器和低频信号发生器。

3．技能训练

LM386的外形和引脚的排列如图2-32所示。引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10μF。

LM386的电源电压为4～12V或5～18V；静态消耗电流为4mA；电压增益为20～200dB；在1和8脚开路时，带宽为300kHz；输入阻抗为50kΩ；音频功率为0.5W。

（1）电路原理图

音频功率放大器的电路原理图如图2-33所示。

（2）装配要求和方法

工艺流程：准备→熟悉工艺要求→绘制装配草图→核对元件数量、规格、型号→元件检测→元件预加工→装配、焊接→总装加工→自检。

具体操作过程详见1.2.3小节实训项目，图2-34所示为音频功率放大器的电路装配草图。

（3）调试、测量

① 在Vi处接入音频信号，听喇叭有无放大声音。

② 将低频信号发生器产生一个30mV，1kHz的信号，用示波器分别观察输入、输出波形，填写表2-8。

4．实训项目考核评价

完成实训项目，填写表2-9所列考核评价表。