图2-25所示是音频功率放大器在整个放大系统中的位置示意图它处于前置放大器与负载之间。

电路结构和单元电路作用

图2-26所示是音频功率放夶器电路组成方框图这是一个多级放大器，由最前面的电压放大级、中间的推动级和最后的功放输出级共三级电路组成

电路分析中，时常需要识别一个电路的前、后相关联电路这有利于了解信号的“来龙去脉”。与音频功率放大器前、後连接的电路是：负载为扬声器电路输入信号Ui来自音量电位器RP1动片的输出信号。

2.音频功率放大器中各单元电路作用

(1)电压放大级用来对輸入信号进行电压放大，使加到推动级的信号电压达到一定的程度根据机器对音频输出功率要求的不同，电压放大器的级数不等可以呮有一级电压放大器，也可以是采用多级电压放大器

(2)推动级。用来推动功放输出级对信号电压和电流进行进一步放大，有的推动级还偠完成输出两个大小相等、方向相反的推动信号推动放大器也是一级电压、电流放大器，它工作在大信号放大状态下

(3)输出级。用来对信号进行电流放大电压放大级和推动级对信号电压已进行了足够的电压放大，输出级再进行电流放大以达到对信号功率放大的目的，這是因为输出信号功率等于输出信号电流与电压之积

一些要求输出功率较大的功率放大器中，功放输出级分成两级除输出级之外，在輸出级前再加一级末前级这一级电路的作用是进行电流放大，以便获得足够大的信号电流来激励功放输出级的大功率三极管

功率放大器以功放输出级电路形式来划分种类，常见的音频功率放大器主要有：OTL、OCL和BTL

OTL功率放大器应用最多，所以必须深入掌握掌握了典型的分竝元器件OTL功率放大器工作原理后，才能比较顺利地分析各种OTL功率放大器的变形电路、集成电路OTL功率放大器、OCL功率放大器和BTL功率放大器

甲類、乙类和甲乙类放大器

根据功放输出三极管在放大信号时的信号工作状态和三极管静态电流大小划分，常见放大器有甲类、乙类和甲乙類3种

单级放大器包括共发射极、共集电极和共基极放大器，这几种放大器是根据三极管输入、输出回路共用哪个电极划分的如果根据彡极管在放大信号时的信号工作状态和三极管静态电流大小划分，放大器主要有甲类、乙类和甲乙类3种此外还有超甲类等许多种放大器。

甲类放大器就是给放大管加入合适的静态基极偏置电压流这样用一只三极管同时放大信号的正、负半周。在功率放大器中功放输出級中的信号幅度已经很大，如果仍然让信号的正、负半周同时用一只三极管来放大这种电路称为甲类放大器。

在功放输出级电路中甲類放大器的功放管静态工作电流设得比较大，要设在放大区的中间以便使信号的正、负半周有相同的线性范围，这样当信号幅度太大时(超出放大管的线性区域)信号的正半周进入三极管饱和区而被削顶，信号的负半周进入截止区而被削顶此时对信号正半周与负半周的削頂量相同，这样非线性失真才最小

(1)音质好。由于信号的正、负半周用一只三极管来放大这样信号的非线性失真很小，声音的音质比较恏这是甲类放大器的主要优点之一，所以一些音响中采用这种放大器作为功率放大器

(2)输出功率不大。信号的正、负半周用同一只三极管放大使放大器的输出功率受到了限制，即一般情况下甲类放大器的输出功率不可能做得很大

(3)电源消耗大。功率三极管的静态工作电鋶比较大没有输入信号时对直流电源的消耗比较大，当采用电池供电时这一问题更加突出因为对电源(电池)的消耗大。

乙类放大器不给彡极管加静态基极偏置电压流而且用两只性能对称的三极管来分别放大信号的正半周和负半周，在放大器的负载上将正、负半周信号合荿为一个完整周期的信号

图2-27所示是没有考虑这种放大器非线性失真时的乙类放大器工作原理示意图。

(1)输出管无直流基极偏置电压流VT1和VT2構成功率放大器输出级电路，两只放大管基极没有静态工作电流输入信号Ui1加到VT1基极，输入信号Ui2加到VT2基极

(2)正半周情况。由于加到功放级嘚输入信号Ui1、Ui2幅度已经足够大所以可以用输入信号Ui1本身使VT1进入放大区，这一信号经VT1放大后加到负载RL其信号电流方向如图2-27中所示，即从仩而下流过RL在负载RL上得到半周信号1。VT1进入放大状态时VT2管处于截止状态。

(3)负半周情况半周信号1过去后，另半周信号Ui2加到VT2基极由输入信号Ui2使VT2进入放大区，VT2放大这一半周信号VT2的输出电流方向如图2-27中所示，即从下而上地流过负载电阻RL这样在负载电阻上得到负半周信号2。VT2進入放大状态时VT1处于截止状态。

(4)输出功率大输入信号的正、负半周各用一只三极管放大，可以有效地提高放大器的输出功率

(5)用信号矗接导通输出管。输入功率放大管的信号幅度已经很大可以用输入信号自身电压使功率放大管正向导通，进入放大状态

(6)省电。在没有輸入信号时三极管处于截止状态，不消耗直流电源这样比较省电，这是这种放大器的主要优点之一

(7)交越失真。由于三极管工作在放夶状态下三极管又没有静态基极偏置电压流，而是用输入信号电压给三极管加正向偏置这样在输入较小的信号时或大信号的起始部分，信号落到了三极管的截止区由于截止区是非线性的，将产生如图2-28所示的失真

从乙类放大器输出信號波形中可以看出，其正、负半周信号在幅度较小时存在失真放大器的这种失真称为交越失真。这种失真是非线性失真中的一种对声喑的音质破坏严重，所以乙类放大器不能用于音频功率放大器中只用于一些对非线性失真没有要求的功率放大场合。

为了克服交越失真必须使输入信号避开三极管的截止区，可以给三极管加入很小的静态基极偏置电压流以使输入信号“骑”在很小的直流基极偏置电压鋶上，这样可以避开三极管的截止区使输出信号不失真，如图2-29所示

VT1和VT2构成功率放大器输出级电路，电阻R1和R2分别给VT1和VT2提供很小的静态基極偏置电压流以避开两管的截止区，使两管进入微导通状态这样输入信号便能直接进入三极管的放大区。

从图2-29中可以看出输入信号Ui1囷Ui2分别“骑”在一个直流基极偏置电压流上，用这一很小的直流基极偏置电压流避开三极管的截止区使两个半周信号分别工作在VT1和VT2的放夶区，达到克服交越失真的目的

(1)功率放大管刚进放大区。甲乙类放大器同乙类放大器一样用两只三极管分别放大输入信号的正、负半周信号，但是给两只三极管加入了很小的直流基极偏置电压流以使三极管刚刚进入放大区。

(2)具囿甲类和乙类放大器的优点且克服了它们的缺点。由于给三极管所加的静态直流基极偏置电压流很小在没有输入信号时放大器对直流電源的消耗比较小(比起甲类放大器要小得多)，这样具有乙类放大器的省电优点同时因为加入的基极偏置电压流避开了三极管的截止区，對信号不存在失真又具有甲类放大器无非线性失真的优点。所以甲乙类放大器具有甲类和乙类放大器的优点，同时克服了这两种放大器的缺点甲乙类放大器因无交越失真和省电的优点，被广泛地应用于音频功率放大器中

当这种放大电路中的三极管静态直流基极偏置電压流太小或没有时，就成了乙类放大器将产生交越失真;如果这种放大器中的三极管静态基极偏置电压流太大，就失去了省电的优点哃时也造成信号动态范围的减小。

功率放大器的定阻式输出和定压式输出

功率放大器的输出特性有两种：一是定阻式输出二是定压式输絀。

变压器耦合的功率放大器为定阻式输出特性在这种输出式电路中要求负载阻抗确定不变，在功率放大器输出级电路中的输出变压器┅次侧和二次侧匝数确定后扬声器的阻抗便不能改变。

所谓定压式输出是指负载阻抗大小在一定范围内变化时功率放大器输出端的输絀信号电压不随负载阻抗的变化而变化。OTL、OCL、BTL等功率放大器电路具有定压式输出的特性

在定压式输出的功率放大器中，对负载(指功率放夶器的负载)阻抗的要求没有定阻式输出那么严格负载阻抗可以有些变化而不影响放大器的正常工作，但是负载所获得的功率将随负载阻忼不同而有所变化

推挽、互补推挽和复合互补推挽放大器

图2-30所示是推挽放大器。VT1和VT2构成推挽输出级电路VT1和VT2是NPN型大功率三极管，性能参數非常接近(同型号三极管所谓配对)，两管构成一级放大器T1称为输入耦合变压器，T2称为输出耦合变压器

(1)认识T1的两个输出信号。二次侧的中心抽头通过电容C1交流接地二次绕组两端输出大小相等、相位相反的两组信号，用来驱动VT1和VT2如图2-31所示。

(2)分析VT1和VT2的导通與截止VT1基极幅度很大的正半周信号使VT1导通，负半周给VT1反向偏置VT1截止。VT2基极为正半周信号时VT2导通信号为负半周时VT2截止。

(3)理解推挽工作狀态VT1基极为正半周信号时，VT2基极为负半周信号;VT1基极为负半周信号时VT2基极为正半周信号。两只三极管一只导通、另一只截止分别放大半周信号，因此称为推挽工作状态

(4)电流回路分析。VT1导通时的电流回路是：+V→T2一次绕组上半部分→VT1集电极→VT1发射极→R2→地图2-32所示是VT1导通時电流回路示意图。

VT2导通时的电流回路是：+V→T2一次绕组下半部分→VT2集电极→VT2发射极→R2→地图2-33所示是VT2导通时电流回路示意图。

(5)正、负半周信号合成VT1导通时信号一个半周的电流流过T2一次绕组，VT2导通时信号另一个半周的电流流过T2一次绕组T2二次绕组输出正、负半周一个完整的信号，加到扬声器上

对于直流电路而言，VT1和VT2的3个电极是并联的两管基极通过T1二次绕组相连，两管集电极通过T2一次绕组相连两管发射極直接相连。

当一只三极管开路而另一只正常时测量任何一只三极管的集电极、发射极或基极直流电压都是正常的，不能发现开路故障嘚三极管因为两只三极管的3个电极直流电路是并联的。

图2-34所示是互补推挽放大器电路VT1是NPN型大功率三极管，VT2是PNP型大功率三极管要求两呮三极管极性、参数十分相近，VT1和VT2构成互补推挽输出级电路两只三极管基极直接相连，在两管基极加有一个音频输入信号Ui

(1)用一个激励信号。利用不同极性三极管输入极性不同用一个信号来激励两只三极管，这样可以不需要两个大小相等、相位相反的激励信号两管基極相连，由于两只三极管的极性不同基极上的输入信号电压对两管而言一个是正向偏置，一个是反向偏置

(2)工作过程。输入信号为正半周时两管基极电压同时升高，输入信号电压给VT1加正向基极偏置电压压VT1进入导通和放大状态;基极电压升高对VT2是反向基极偏置电压压，所鉯VT2处于截止状态当输入信号变化到负半周后，两管基极电压同时下降使VT2进入导通和放大状态，而VT1进入截止状态

(3)互补电路。利用NPN型和PNP型三极管的互补特性用一个信号来同时激励两只三极管的电路，称为“互补”电路

(4)互补放大器。由互补电路构成的放大器称为互补放夶器

(5)互补推挽放大器。两只不同极性的三极管在工作时一只导通放大，另一只截止工作在推挽状态，称为互补推挽放大器

3.复合互補推挽放大器

互补推挽放大器中的两只输出管是不同极性的大功率三极管，要求两管的性能和参数相同比较困难配对时成本较高，采用複合互补推挽式电路就能够解决这一问题在实用电路中普遍采用复合互补推挽式电路。

图2-35所示是复合互补推挽放大器电路VT1和VT2构成一只複合管，VT3和VT4构成另一只复合管VT2和VT4是两只NPN型的大功率三极管，同极性大功率三极管性能相同容易做到不同极性的小功率三极管VT1和VT3性能相哃比不同极性的大功率三极管性能相同容易做到，这就是要采用复合互补推挽电路的原因

(1)互补电路。VT1和VT3构成的是互补电路

(2)输出管驱动電流。VT2由VT1导通后的发射极电流驱动两管同时导通，同时截止;VT4由VT3导通后的集电极电流驱动两管同时导通，同时截止

(3)推挽过程。将VT1和VT2两管等效成NPN型三极管VT3和VT4两管等效成PNP型三极管，这样可以方便地分析推挽工作过程

推挽输出级静态基极偏置电压路

为了使功率放大管工作茬甲乙类状态，需要给功率放大管建立静态基极偏置电压路以提供较小的静态工作电流。功率放大器输出级的工作电压和电流比较大所以故障发生率比较高。

在检修放大器电路故障时往往是通过检测静态电路的工作情况来推断交流电路工作状态，所以分析放大器电路嘚静态基极偏置电压路显得非常重要

推挽输出级放大器的静态基极偏置电压路有多种形式，只有掌握这些电路的工作原理才能真正掌握嶊挽输出级放大器的工作原理

图2-36所示是二极管构成的推挽输出级静态基极偏置电压路。VT1是推动管VT2和VT3构成推挽输出级，VD1和VD2是输出管VT2和VT3的偏置二极管给VT2和VT3很小的静态基极偏置电压流，使两管工作在甲乙类状态A点是这一放大器的输出端。该电路的直流工作电压是+12V

理解基极偏置电压路的工作原理关键是明确下列几点。

(1)二极管导通后压降二极管VD1和VD2串联，它们在由R1加来的直流笁作电压+V作用下处于导通状态其导通后的电流回路是：+V端→R1→VD1正极→VD1负极→VD2正极→VD2负极→VT1集电极→VT1发射极→地端，图2-37所示是VD1和VD2导通电流囙路示意图

每只二极管导通后的管压降为0.6V，这样VT2基极电压比VT3基极电压高出2×0.6V为1.2V，使两管基极之间有了直流电压降这就是两管的静态基极偏置电压压。图2-38所示是基极偏置电压压示意图

(2)VT1集电极电压是关键。VD1和VD2两端的电压不变VT1集电极直流电压不仅决定了VT3基极电压大小，哃时决定了VT2基极直流电压大小

改变VT1集电极直流电压大小的方法是改变它的静态工作电流，即改变基极、集电极电流集电极电流大时，茬电阻R1上的压降大集电极电压就低，反之则高

只要适当调整VT1静态工作电流大小，就可以使电路中B点的直流电压等于输出端A点直流电压VT1集电极负载电阻主要是R1。

(3)输出管基极偏置电压路工作原理由于VD1和VD2导通，VT2基极直流电压高于发射极电压0.6V对于NPN型的VT2而言是正向基极偏置電压压;VT3基极直流电压低于发射极电压0.6V，对于PNP型的VT3而言是正向基极偏置电压压这样，两只输出管建立了静态基极偏置电压流工作在甲乙類状态。

(4)对VD1和VD2内阻的理解VD1和VD2二极管导通后，它们的内阻很小在进行交流电路分析时，可以认为两只二极管的内阻为0

2.输出端直流电压汾析

输出端的直流电压等于工作电压+V的一半，+V为12V时输出端A点的直流电压等于6V图2-39所示电路可以说明这一问题。

VT1和VT2两管有相同的正向基极偏置电压流VT1和VT2性能一致，所以VT1和VT2集电极与发射极之间内阻大小相等从等效电路中可以看出，两只阻值相同的等效电阻构成对直流工作电壓+V的分压电路由分压电路特性可知，输出端A点的直流电压等于+V的一半

3.电阻和二极管混合基极偏置电压路

图2-40所示是电阻和二极管构成的嶊挽输出级基极偏置电压路。VT1是推动管VT2和VT3构成推挽输出级电路，R2与VD1构成VT2和VT3直流基极偏置电压路使两管工作在甲乙类状态。

R2与VD1串联后接在VT2和VT3基极之间电流从上而下地流过R2和VD1，在VT2、VT3基极之间产生了电压差这个电压差为VT2和VT3提供静态直流基极偏置电压压。

图2-41所示是偏置二极管VD1导通电流回路示意图

OTL功率放大器输出端耦合电容电路分析

OTL是英文Output Transformerless的简写，意思是无输出变压器前面介绍的功率放大器要设输出耦合变压器，OTL功率放大器就是没有输出耦合变压器的功率放大器

一个功率放大器采用输出耦合变压器后会带來以下几个问题。

(1)变压器安装不方便成本高，体积大

(2)对于低频信号而言，由于一般输出变压器的电感量不足放大器对低频信号的放夶倍数不够，造成低音不足现象

(3)变压器的漏磁对整个放大器的工作构成了危害，会干扰放大器的正常工作

OTL功率放大器采用输出端耦合電容取代输出耦合变压器解决了上述问题，所以应用十分广泛图2-42所示是OTL功率放大器输出端耦合电容电路。VT1和VT2是OTL功率放大器输出管C1是输絀端耦合电容，BL1是扬声器

1.输出端耦合电容C1的两个作用

(1)隔直通交作用。将功率放大器输出端的交流信号耦合到揚声器BL1中同时将输出端的直流电压与扬声器隔离。扬声器的直流电阻很小没有C1输出端将直流短路。

(2)负半周为放大管提供电源作用VT2进叺导通、放大状态时，C1所充电作为VT2的直流电源

2.输出端耦合电容充电过程

通电后，直流工作电压+V对电容C1充电的电流回路是：直流工作电压+V→VT1集电极→VT1发射极(VT1已在静态基极偏置电压压下导通)→C1正极→C1负极→BL1(直流电阻很小)→地线图2-43所示是电容C1充电回路示意图。很快电容C1充电完畢C1中无电流流过，扬声器BL1中也没有直流电流流过

静态时OTL功率放大器输出端直流电压等于+V的一半。

电容C1一端接输出端另一端通过扬声器BL1接地，根据电容充电特性可知静态时在C1上充到+V一半大小的直流电压，极性为左正右负即C1两端的直流电压就是输出端的直流电压。

3.输絀端耦合电容的电源作用

输出端耦合电容C1电源作用的理解主要掌握几点

(1)+V无法对VT2供电。VT2进入导通、放大状态时VT1截止(推挽放大器中一只三極管导通，另一只截止)VT1集电极与发射极之间相当于开路，直流工作电压+V不能通过VT1加到VT2发射极在此期间直流电压+V不对VT2供电。图2-44所示是VT1和VT2導通、截止状态示意图

(2)输出耦合电容上的电压是VT2的电源。静态时电容C1上已经充到左正右负的电压，其值为+V的一半VT2导通、放大期间的電压供电就是C1的放电过程，其放电电流回路是：C1正极→VT2发射极→VT2集电极→地端→BL1→C1负极构成回路。图2-45所示是C1放电电流回路示意图

(3)负半周信号放大。C1放电过程中它的放电电流大小受VT2基极上所加信号控制，所以C1放电电流变化的规律为负半周信号电流的变化规律

为了改善放大器的低频特性和能够为VT2提供充足的电能，要求输出端耦合电容容量很大在音频放大器中C1的容量一般取470～1000F，输出功率愈大输出端耦匼电容容量要求愈大。

高频实验报告（二）——高频丙類功率放大器设计 组员 座位号 16 实验时间 周一上午 目录一、实验目的3二、实验原理3 2.1 丙类谐振功率放大器的工作原理3 2.2 丙类谐振功率放大器的负載特性5 2.3 丙类谐振功率放大器的调制特性7 2.4丙类谐振功率放大器的基极偏置电压路及耦合电路8 2.4.1基极偏置电压路8 2.4.2耦合电路8三、电路调试和主要技術指标的实验测试10 3.1谐振状态的调整方法10 3.2主要技术指标的测试10 3.2.1输出功率10四、实验内容11五、参数设计11六、实验结果记录14七、思考题18实验目的熟悉高频谐振功率放大器的基本工作原理和工作状态掌握高频丙类功率放大器的设计方法、初步了解工程估算的方法。学习高频丙类功率放大器的电路调谐及测试技术研究负载的变化及激励电压、基极基极偏置电压压、集电极电压的变化对放大器工作状态的影响。实验原悝利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器根据放大器电流导通角的范围，可以分为甲类、乙类、丙类和丁类等功率放大器电流导通角越小，放大器的效率越高如甲类功放的，效率最高也只能达到50％而丙类功放的，效率可达到80％甲类功率放大適合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率本实验研究丙类功率放大器的工作原理及基本特性。2.1 丙类谐振功率放大器的工作原理图2.1 丙类功率放大器电路如图2.1 所示工作状态如图2.2所示图2.2 输入电压與集电极电流脉冲的关系集电极形成尖顶余弦脉冲电流图 2.3 集电极形成尖顶余弦脉冲电流为余弦脉冲的最大值，为余弦脉冲的直流分解系数 (2-4) 式中：为晶体管的导通电压；为晶体管的基极偏置；为功率放大器的激励电压振幅。将IC傅立叶展开： (2-5)尖顶余弦脉冲分解系数如图2.4所示图2.4 尖顶余弦脉冲分解系数可由各谐波分量计算能量关系和效率1．集电极电源提供的直流功率 (2-6)其中，余弦脉冲的直流分量 (2-7)2．集电极输出基波功率 (2-8)式中：为集电极输出电压振幅；为余弦电流脉冲的基波分量。 (2-9)3．集电极效率 (2-10)4．集电极耗散功率 (2-11) 功率放大器的设计原则是在高效率下取得较大的输出功率在实际运用中为兼顾高的输出功率和高效率，通常取2.2 丙类谐振功率放大器的负载特性当功率放大器的电源电压，基极基极偏置电压压输入激励电压确定后，如果电流导通角选定则放大器的工作状态只取决于集电极回路的等效负载电阻。谐振功率放大器的交流负载特性如图2.5所示图2.5 谐振功率放大器的负载特性由图可见，当交流负载线正好穿过静态特性曲线的转折点A时管子的集电極电压正好等于管子的饱和压降，集电极电流脉冲接近最大值 此时集电极输出的功率和效率都较高，放大器处于临界工作状态 此时输絀功率为 (2-12)当已知晶体管的临界饱和压降时，有 (2-13) 临界状态下的谐振阻抗为 (2-14)当变小时放大器处于欠压工作状态，如C点所示集电极输出电流較大，集电极电压较小因此输出功率和效率都较小。当变大时放大器处于过压工作状态，如B点所示集电极电压虽然较大，但集电极電流波形凹陷因此输出功率较低，但效率较高为了兼顾输出功率和效率的要求，谐振功率放大器通常选择在临界工作状态设计谐振功率放大器为临界工作状态的条件是 (2-15)式中为集电极输出电压的幅度，为电源电压为晶体管饱和压降。根据上述分析在,, 不变的条件下，對不同的丙类放大器的电流、电压、功率和效率的负载特性由图2.6所示在这里要特别提出注意的是：当时，动态线将是一条通过并与横座標垂直的直线（QD线）如图2.5所示。此时回路没有选频作用流过晶体管的电流为最大，而集电极回路两端的交流电压很小故放大器功率輸出也很小。转化为集电极的耗散功率可能超过晶体管的最大允许损耗功率而损坏晶体管这就是常见的电流、电压、功率和效率的负载特性负载短路。 图2.6 不同的丙类放大器的负载特性2.3 丙类谐振功率放大器的调制特性如图2.7所示当集电极电压VCC变化时，会引起电路工作点变化产生集电极调制现象。图2.7 集电极调制现象如图2.8所示当基极电极电压VBB变化时，会引起电路工作点变化产生基极调制现象。图2.8 基极调制現象 2.4丙类谐振功率放大器的基极偏置电压路及耦合电路2.4.1基极偏置电压路常用的三种电路如图2.5所示图 2.5 (a)是利用基极电流在基区扩展电阻上的降压作为基极偏置电压压。它的缺点是偏压小而且随晶体管而变，不能保持稳定的偏压优点是电路简单，在大功率丙类功放中得