第 1 章 功率电子线路
1.1 功率电子线路概述
1.2 功率放大器的电路组成和
工作特性
1.3 乙类推挽功率放大电路
1.1 功率电子线路概述
作用,高效地实现能量变换和控制。
种类：
根据应用领域和处理对象不同
(1) 功率放大电路,放大器的一类。用于通信、音
像等电子设备。
(2) 电源变换电路,对电源能量进行特定变换。用
于电源设备、电子系统、工业控制。
1.1.1 功率放大器
与其它放大器相比
相同点,均在输入信号作用下，将直流电源的直流
功率转换为输出信号功率。
不同点,性能要求和运用特性不同。
一、功率放大器的性能要求
1,安全。 输出功率大，管子大信号极限条件下运用。
2,高效率。
用 ηc 集电极效率 (Collector Efficiency) 衡量转换效
率：
Co
o
D
o
c PP
P
P
P
?
???
Po —— 输出信号功率 (Output Signal Power)；
式中：
PD—— 电源提供的功率；
PC —— 管耗 (Power Dissipation)
Po 一定, ηc 高 → PD 小 → PC 小 → 可选 PCM 小 的
管子，以降低费用。
3,失真小。 输出功率越大，相应的动态电压电流越
大，器件特性非线性引起的非线性失真也越大。除采用
反馈技术外，还必须限制输出功率。
作为 放大器, 功率增益 是重要的性能指标，但与上
述 三个要求 相比,安全、高效和小失真 是 第一位 的。 功
率增益 可用 增加前置级的级数 或 提高相应的增益 来 弥补 。
二、功率管的运用特点
1,功率管的运用状态
根据 功率管 在一个信号周期内导通时间的不同，
功率管运用状态 可分为 甲类、乙类、甲乙类、丙类 等
多种。
功率管运用状态 通常靠 选择静态工作点 来实现。
甲类,功率管在一个周期内导通 (如小信号放大 )。
乙类,功率管仅在半个周期内导通。
甲乙类,管子在大于半个周期小于一个周期内导通。
丙类,功率管小于半个周期内导通。
2,不同运用状态下的 ηC
管子的运用状态不同，相应的 ηCmax也不同。
Co
o
c PP
P
???
减小 PC 可提高 ηC。
假设 集电极瞬时电流和电压 分别为 iC 和 vCE，则
PC为
?? π2o CECC dπ2 1 tviP ?
讨论,若减少 PC，则要减少 iC × vCE
途径 1,由 甲类 → 甲乙类 → 乙类 → 丙类,减小管子
在信号周期内的导通时间，即增大 iC ＝ 0 的时间。
途径 2,使管子运用在开关状态 (又称丁类 )； 管子
在 半个周期内饱和导通, 另半个周期内截止 。 饱和导通
时,vCE ≈ vCE (sat) 很小，因此导通的半个周期内，瞬时管
耗 iC × vCE 处在很小的值上。 截止时,不论 vCE 为何值，
iC 趋于 0,iC × vCE 也处在零值附近。结果 PC 很小,ηC
显著增大。
总结,为提高集电极效率,管子的运用状态 从 甲
类向乙类、丙类 或 开关工作的丁类转变 。但随着效率
的提高,集电极电流波形失真严重,为实现不失真放
大，在电路中需采取特定措施。
1.1.2 电源变换电路
1.1.3 功率器件
功率管 是 功率放大电路的关键器件,如何选择功率
管的运用状态，并保证它们安全工作是需要共同解决的
问题。为此，必须 首先了解功率器件的极限参数及安全
工作区。
双极型功率晶体管的安全工作 受到 三个极限参数
的限制：
(1) 集电极最大允许管耗 PCM。还与散热条件密切
相关
(2) 集电极击穿电压 V(BR)CEO
(3) 集电极最大允许电流 ICM
以上与 功率管的结构，工艺参数，封装形式 有关。
一、功率管散热和相应的 PCM
耗散在功率管中的功率 PC 主要消耗在集电结上，
造成集电结发热，结温升高。
若集电极的散热条件良好,集电结上的热量很容易散发
到周围空气中去，则集电结就会在某一较低温度上达到
热平衡，此时集电结上产生的热量等于散发到空气中的
热量。 反之，散热条件不好,集电结就会在更高的温度
上达到热平衡，甚至产生热崩而烧坏管子。
集电结结温 (Tj) 升高
→ 集电极电流 (iC) 增大 → PC 增大 → Tj 随之升高 →
iC 增大 → PC 增大 → Tj 升高,如此反复，直至 Tj 超
过集电结最高允许温度 TjM，导致管子被烧坏的 一种恶
性循环现象。
热崩 (Thermal runaway)：
金属底座又
与管壳相连的
结构。此外，
金属底座还加
装金属散热器
(如图 )
(a) (b) 功率管底座上加装散热器 (c) 相应的热等效电路
实践中，为了利于集电结的散
热，以提高 PCM，双极型功率管都
采用集电极直接固定在金属底座上，
散热器,翼状结构，以增大散热面积。面积越大，
厚度越厚，材料的导热率越高，散热效果越好。
二、二次击穿
要保证功率管安全工作,除满足由 PCM,ICM 和
V(BR)CEO 所规定的安全工作条件外，还要求 不发生二次
击穿 。
二次击穿 (Secondary Breakdown),当集电极电压
超过 V(BR)CEO，会引起击穿，只要外电路限制击穿后
的电流，管子就不会损坏，待集电极电压小于
V(BR)CEO 后，管子恢复正常工作。如上述击穿后，电
流不加限制，就会出现集电极电压迅速减小，集电极
电流迅速增大的现象，即为 二次击穿 。
二次击穿的后果,导致过热点的晶体熔化，要引起
vCE下降, iC 剧增,功率管尚未发烫就已损坏。是不可逆，
破坏性的。
发生条件,它在高压低电流时发生，相应的功率称
为 二次击穿耐量 PSB。
功率放大电路 使用 双
极型功率晶体管 外，还
使用 功率 MOS 管, 绝缘
栅双极型功率管 。
1.2 功率放大器的电路组成和工作特性
在放大原理上，功率放大器与其它放大器一样，都
是 能量转换器,但是，由于要求不同，因而在 电路组成
和运用特性 上，功率放大器却有不同的特点。
1.2.1 从一个例子讲起
图 (a) 为 放大器的基本电路,
现将其作为 功率放大器 来分析它
的功率性能。由此提示 功率放大
电路组成 及其 工作性能 上的特点。
功率放大器 为 大信号放大器,进行分析时，功率器
件必须采用 一般模型 (大信号模型 )。工程上，采用较多
的是 特性曲线上作负载线的图解分析法 。
1,静态工作点的选择,为了使电路在管子不出现
饱和、截止失真的条件下，输出功率最大，即输出电
压和电流均达到最大幅值，需要把 工作点 Q 选在 负载
线的中点 。 即
L
CC
L
C E Q
CQ
CC
C E Q 2,2 R
V
R
VIVV ???
2,集电级输出电压和电流 (假设 VCE(sat)和 ICEO 为 0)
tVVvVv
tIIiIi
?
?
s i n
s i n
cmC E QceC E QCE
cmCQcCQC
????
????
其中，
CQ
L
C E Q
L
cm
cm
CC
C E Qcm
2
I
R
V
R
V
I
V
VV
???
??,
PL 和 PC 均由 直流 和 交流 两部分合成。例如：
PL中 直流功率
422
1 DCQC E Q
cmcmo
PIVIVP ???
，2DCQC E Q PIV ?
交流功率
%25
D
o
m a x ??? P
P?
cmcmCQC E QCCE
π2
o
C
cmcmCQC E QL
2
C
π2
o
L
CQCCCC
2 π
o
D
2
1
d
π2
1
2
1
d
π2
1
d
π2
1
IVIVtivP
IVIVtRiP
IVtiVP
C
???
???
??
?
?
?
?
?
?3,电源提供的直流功率 PD、负载功率 PL、集电极
耗散功率 PC
4,讨论：
(1) 电路组成
甲类功放 的 ηCmax 仅为 25%,PD 中仅有 1/4 转换为
有用的输出信号功率,其余均被浪费。其中，一部分
耗散在管子中，大部分 ( PL 中直流功率 PD/2 ) 消耗在
RL上。
提高 ηCmax 的办法：
① 合理选择管子的运用状态 (乙类或甲乙类 )减小管
子消耗功率。
② 在管外电路中，采用不消耗直流功率的电路结构，
消除 RL 上消耗的直流功率。
(2) 工作特性
否则,RL 的减小
不会增大输出电流，
反而会因减小集电
极电压振幅而使 Po
减小，还会因 ICQ增
大而使 PD 增大，结
果使 ηC 降低。
当 VCC 一定,Q 在 负载线中点 时,Vcm(≈VCC /2)被
限定。要提高输出信号功率，就必须减小 RL，才能增
大 Icm。但，在减小 RL 时，还必须同时增大激励电流。
充分激励时 RL变化对功率性能的影响
总之,在功率放大器中，要高效率地提升 Po，必
须减小 RL，同时相应增大输入激励电流。
充分激励,与 RL 相匹配的输入激励 (不出现饱和失
真的最大激励 )。
匹配负载,相应的负载为匹配负载 (能使 Q 处于交
流负载线中点的负载 )。
5,结论
(1) 功放在电路组成上，必须采用避免管外电路中无
谓消耗直流功率的电路结构。
(2) 在工作特性上，输出负载，输入激励和静态工
作点相互牵制，要高效率输出所需信号功率，三者必
须有一个最佳配置。
1,电路
(1) 输入端：
RB—— 偏置电阻
CB—— 旁路电容
Tr1—— 耦合变压器
(2) 输出端：
Tr2—— 耦合变压器，
对交流,Tr2起阻抗变换作
用，
L2L RnR ??
1.2.2 甲类、乙类功放的电路组成及功率性能
一、甲类变压器耦合功放
(1) 静态分析
CCCE Vv ?
2,电路分析
根据直流通路，写出直流负载方程：
直流负载线,EF
(2) 动态分析
交流负载线方程：
Lcce Riv ???
又：
cCQC
ceC E QCE
iIi
vVv
??
??
则,交流负载方程可改写为 )(
CQCLC E QCE IiRVv ?????
上式表明，当
CCC E QCECQC VVvIi ??? 时，
，
它在两坐标轴上的截距：
CQLC E QCE
C
LC E QCQC
CE
0
/
0
IRVv
i
RVIi
v
???
?
???
?
时，
时，
)( CQCLC E QCE IiRVv ?????
相应画出交流负
载线是一条通过 Q
点的直线 MN，斜
率为 ? 1/ 。
LR?
(3) 功率性能
当输入充分激励,Q 处在负载线 中点 时，忽略非线
性失真，且设
00 C E OC E ( s a t ) ?? IV,
，则相应的集电极 电
压和电流 分别为：
tVVv
tIIi
?
?
s i n
s i n
cmC E QCE
cmCQC
??
??,
其中
LCCLcmCQcm
CCC E Qcm
// RVRVII
VVV
?????
?? ；
与 放大器的基本电路 相比，在匹配负载时，电压
信号幅值 Vcm 由 VCC/2，增加到 VCC，若呈现在集电
极上的负载相等，则输出信号功率增大四倍。
根据上述关系求得
50%/
/2
/2
/2/2
/2
D
o
c m a x
D
cmcmCQCCC
DCQC E O
cmcmoL
CQCCD
??
?
??
??
??
?
PPη
P
IVIVP
PIV
IVPP
IVP
(4) 管安全
由 图 可见，加在集电极上的最大电压 ?? CCC E ma x Vv
通过集电极的最大电流 。
CQcmCQC m a x 2 IIIi ???，CCcm 2VV ?
当 Po = 0时,PD全部消耗在管子中，因而消耗在
集电极上的最大功率 。
DC ma x PP ?
所以保证管子安全工作的条件为：
采用变压器耦合,ηCmax将由 0.25 增大到 0.5，即
PD 的一半转换为 Po。
若 Q 处于交流负载线的 中点,且充分激励的条件
下，增大 VCC，或减小 R,L, Po均将增大，但最后受
安全工作条件的限制。
CMDC m a x
CMCQCMCQC m a x
( B R ) C E OCC( B R ) C E OCCC E m a x
2/2
2/2
PPP
IIIIi
VVVVV
??
???
???
即
即
又因为,2/2/2/
DCQCCcmcmo m a x PIVIVP ???
，上述
安全工作条件又可用 Pomax 表示为
8/
2/
CM( B R ) C E Om a xo
CMm a xo
IVP
PP
???
??
Pomax 取较小的值。
除外，还需检查动态点是否落在二次击穿限定的安
全区内。
二、乙类推挽功率放大器
乙类工作时，为了在负载上合成完整的正弦波，
必须采用两管轮流导通的推挽 (Push-Pull) 电路。 可有
多种实现方案：
(1) 变压器耦合乙类推挽功放
(2) 互补推挽功放
1,变压器耦合功放
(1) 电路结构
Tr1—— 输入变压器，利用次级绕组的中心抽头
将 vi (t) 分成两个幅值相等，极性相反的激励电压
1ii2 vv ??,分别加在两管的基射极之间，实现两
管轮流导通。
Tr2—— 输出变压器，隔断 iC1 和 iC2 中的平均分
量，并利用初级绕组的中心抽头将 iC1 和 iC2 中的基波
分量在 RL 中叠加，输出正弦波。
T1 和 T2—— 特性配对、相同导电类型的 NPN 功
率管
(2) 工作原理 (忽略射结导通压降 )
vi1(t) ＞ 0 时,vi2(t) ＜ 0,T1 管导通,T2 管截止，
ic1 处于正半周的半个正弦波；
vi2(t) ＞ 0 时,vi1(t) ＜ 0,T2 管导通,T1 管截止，
ic2 处于负半周的半个正弦波。 iC1 和 iC2 中的基波分量在
RL 中叠加，输出正弦波。
2,互补推挽电路
(1) 电路特点
T1 与 T2—— 功率管互补配对
(2) 工作原理 (忽略射结压降 )
vi(t) ＞ 0 时,T1 管 (NPN型 ) 导通，
T2管 (PNP型 ) 截止,iC1(≈iE1) 为正半周的半个正弦波；
vi(t) ＜ 0 时,T2 管导通,T1 管截止,iC2(≈iE2)为处
于负半周的半个正弦波。
通过 RL 的电流
E21EL iii ??
，合成完整的正弦波。
小结,上述功率放大器，为实现器件轮流导通：
乙类功放电路 输入激励 信号 功率管管 型 管外电路
变压器耦合乙类
功率放大器 极性相反
对管，管
型相同 均避免了直流功率的损
失互补推挽乙类功 率放大器 极性相同 对管，管 型不同
3,乙类推挽功率放大器的性能分析
(1) 推挽电路的组合特性
静态工作点：
CCC E Q 2
CCC E Q 1
c2c1
i
0
0)(
VV
VV
ii
tv
??
?
??
?
Vi 正半周,T1导通，负载线是自 Q 点出发，斜率为
L/1 R?
的 直线 AQ；
Vi 负半周,T2 导通，负载线是自 Q 点出发，斜率为
L/1 R?
的 直线 A?Q。
虽然 集电极电流 是 半个正弦波,但 集射极交流电
压 是 完整正弦波 。
(2) 性能分析 (忽略失真 )
① 一般性能分析
在 0 ≤ωt ≤ ? 时,tIii ?s i n0
cmC1C2 ??
? ≤ωt ≤ 2 ? 时,iC1 ? 0 iC2 ? Icmsinωt
相应的集射极间电压：
VCE2 = ? VCC + Vcmsinωt
VCE1 = VCC ? Vcmsinωt
通过 RL 的电流,tIiiiii ?s i n
cmC2C12EE1L ?????
相应产生的电压,tVv ?s in
cmL ?
RL 上的输出功率,PL = Po = VcmIcm/2 = I2cmRL/2
正负电源总的直流功率：
PD = PD1 ＋ PD2 =
2VCCI平均 = 2VCCIcm/?
令 VCE(sat) = 0,ICEO = 0,则 Vcm = VCC,Icm = VCC/RL
② 若充分激励
相应 Po 和 PD 达到最大,即
L
CC
2
o m a x 2 R
VP ?
o m a x
L
CC2
L
CC2
D m a x π
4)
2(π
4
π
2 P
R
V
R
VP ???
%5.784π
D m a x
o m a x
C m a x ??? P
P? 比甲类高
③ 若激励不足
Vcm减小，引入电源电压利用系数 ? (ksai)，表示
Vcm的减小程度
定义 ? = Vcm/VCC
??
??
??
4
π
π
4
π
2
π
2
2
1
2
1
D
o
o m a x
L
CC
2
cmCC
D
o m a x
2
L
CC
2
2
L
cm
2
o
C
??
???
????
P
P
P
R
VIV
P
P
R
V
R
V
P
两管集电极管耗相等，且为
o m a x
2
oDC2C1 )2
1
π
2(2/)( PPPPP ?? ?????
其值为
o m a xo m a x2
m a x2Cm a x1C
2.0
π
2
PP
PP
??
?
分析,当输入激励由大减小，即 ? 减小时,Po、
PD,ηC 均单调减小，而 PC1 和 PC2 的变化非单调，
6 36.0π2 ??? 时最大，
结论,乙类工作时,PC的最大值既不出现在 0??
时，也不出现在 1?? 时,PD 随 ? (激励 )线性增大，
与 甲类 (不变 )不同 。
? 小时,PD 小,Po 小,PC 小；
? 接近 1 时,PD大，
Po也大,PC 小。
∴ PC 非单调变化
(3) 管安全
由
2
L
CC
2
o 2 ?R
VP ?
增大 VCC，减小 RL，且输入充分激励，输出功率
将增大，但最后受到下列 安全工作条件的限制,
CCC E ma x 2 Vv ?
<
(B R )C E OV
L
CC
cmC m a x R
VIi ?? <
CMI
PC1max ? PC2max ? 0.2Pomax < PCM
?
?
?
?
?
??? CMm a xo 5 PP
CM( B R ) C E Om a xo 4
1 IVP ??
或 取其中的小值
作业,1-8,1-9
1.3 乙类推挽功率放大电路
以上介绍了原理电路，若要构成实际电路还必须
解决一些有关问题。
1.3.1 乙类互补推挽功率放大电路
在构成乙类互补推挽功率放大器实际电路时，必
须考虑偏置，功率配对和保护等问题。
一、交越失真和偏置电路
1,交越失真
(1) 定义
上节分析乙类
推挽电路性能时，
忽略了晶体管发射
结导通电压的影响 。
实际上，在零偏置情况下，考虑到导通电压的影
响，输出电压波形在在衔接处出现严重失真，称 交越
失真 。
接成 乙类推挽电路 时，两管的 合成传输特性 如图
所示 。
(2) 克服交越失真的基本途径
在输入端为两管加合适的正偏电压，使其工作在
甲乙类 。
由传输特性图可见,只要 VBB 取值合适，上下两路
传输特性起始段的弯曲部分就可相互补偿,合成传输特
性趋近于直线,在输入正弦电压激励下，得到不失真的
输出电压。
(3) 常用电路
① 二极管偏置电路 ② vBE 倍增电路
2,二极管偏置电路
由于二极管的正向交流结电阻很小，可认为 交流短
路,因此偏置电路不影响输入信号 vi (t) 的传输。
在集成电路中偏置二极管会由三极管取代,见图
(b),(c)
图 (a) 中,D1,D2 由电流源 IR 激励，产生正向电
压,即为所需的偏置电压 VBB。若 T1 和 T2 的特性配对，
且其基极偏置电流很小，可忽略,则
)/(n2
2
SRTBB
BB
B E Q 2B E Q 1
IIVV
V
VV
??
???
IS 为 二极管 D1 和 D2 的反向饱和电流, VT 为 温度电
压当量。
3,vBE 倍增电路
(1) 电路
直流,由 T3,R1,R2 组成，
且由电流源 IR 激励，为互补功率
管 T1,T2 提供偏置电压 VBB。
交流,T3,R1 构成电压并
联负反馈电路，反馈电路的电阻
很小，几乎不影响输入信号的传
输。
(2) 倍增原理
由图可见,若通过 R1 的电流 I1 远小于 T3 管的集电
极电流 IC3，且 T1 和 T2 管的静态基极电流又可忽略，
则 IC3 ? IR，且 T3 管基射极间电压
VBE3 = VT ln(IE3 / IS) ? VT ln(IR / IS)
当 IR 为定值时,VBE3也就唯
一确定了。若 T3 管的 ? 足够大，
基极电流 IB3 可忽略，则 VBE3 又
是 VBB 通过 R1 在 R2 上的分压值，
即
)1(
2
1
B E 3BB
21
2
BBB E 3 R
RVV
RR
RVV ???
???
此式表明,偏置电路提供的偏置电压 VBB 是 VBE3 的
倍增值，且其值受 R1 和 R2 控制，故称为 VBE 倍增电路 。
(3) 热补偿
温度升高时,VBE3?,VBB?,阻止了功率管 ICQ 的
增加。是具有热补偿作用的高热稳定性偏置电路。
二、单电源供电的互补推挽电路 (OTL)
1,电路特点
(1) 单电源供电；
(2) 负载串接大容量隔直
电容 CL。 VCC 与两管串接，
若两管特性配对，则 VO =
VCC/2,CL 实际上等效为电
压等于 VCC/2 的直流电源。
2,工作原理
T1 管的直流供电电压,VCC ? VO＝ VCC/2，
T2 的供电电压,0 ? VO＝ ? VCC/2。
单电源供电电路等效 为 VCC/2 和
?VCC/2 的双电源供电电路 。
三、准互补推挽电路
1,问题的提出
互补推挽电路 要求两只功率管
特性配对，难以实现。
2,解决办法
采用复合管取代互补管，构成 准
互补推挽电路 。
3,电路
复合管 T1,T2 等效为 NPN 型管,
复合管 T3(PNP型 ) 与 T4 等效为 PNP 型管
其中,T1,T3为 小功率管,
它们之间是 互补的, T2,T4 为 大
功率管,它们是 同型,便于特性
配对，故称为 准互补推挽电路 。
R1,R2(几百 ?)—— 减小复合管
的反向饱和电流。
四、保护电路
1,必要性
正常情况下，功率管是 安全的 。
实际中，往往会发生 异常情
况 。 例如,负载短路，致使通过
功率管的电流迅速增大，一旦超
过极限参数，造成管子损坏。因
此大功率功放，应设有 保护电路,
过流，过压、过热保护 。
2,过流保护电路
(1) 保护电路
T1,T2为 保护管, R1,R2 为 过流取样电阻 。
(2) 保护原理
以保护管 T1 为例 ——
正常时, VR1 ＜ VBE1(on),T1
截止,不起保护作用 。
异常时, VR1 ＞ VBE1(on),T1
导通，分流 T3 管的输入激励电
流，限制 T3 管的输出电流,起
到了限流保护作用 。
T2 对 T4 的限流保护作用同上 。
五、输入激励电路
1,必要性
输出最大信号功率，则 RL 上的
信号电压振幅达到接近电源电压 (单电源时，接近
VCC/2)。为此，要求输入激励级为互补功率管提供振
幅接近电源电压的推动电压。
互补推挽功率放大器
中的功率管接成射极跟随
器，电压增益 小于 1。若
要求功率管充分利用，
2,电路
T3 —— 输入激励级，
R —— T3 的直流负载
(忽略功率管的静态基极电
流 )，直流负载线为 (b)Ⅰ 。
3,影响输出信号电压振幅的因素
交流负载 r ≈ R∥ ri ＜ R，得交流负载线为 (b)Ⅱ 所示 。
可见,T3 管的最大输出信号电压振幅受到截止失真的限
制，其值小于 VCC/2。
若使 r ＞ R，则交流负载线 如图 (b)Ⅲ 所示,输出
信号电压振幅不受截止失真限制，可接近 VCC/2。
4,改进电路
(1) 电流源构成 有源负载 放大
器,直流电阻小，交流电阻大 。
(2) 采用自举电路
将 R1R2 取代 R,接入大容
量电容 C2。
作用,对交流近似短路，交
流电位由 O 经 C2 自举到 C 点，
即 vC ? vO。
原理,由于互补输出级的
电压增益接近于 1，因而 vB ?
vO ? vC,通过 R2 的交流电流 I
? 0，因而从 B 点向虚线框看进
去的交流电阻 (vB/i) 很大，趋
于无穷,T3的交流负载电阻便
近似等于 T1(或 T2) 电路的输
入电阻。
作业,1-9,1-14,1-16,1-17
1.1 功率电子线路概述
1.2 功率放大器的电路组成和
工作特性
1.3 乙类推挽功率放大电路
1.1 功率电子线路概述
作用,高效地实现能量变换和控制。
种类：
根据应用领域和处理对象不同
(1) 功率放大电路,放大器的一类。用于通信、音
像等电子设备。
(2) 电源变换电路,对电源能量进行特定变换。用
于电源设备、电子系统、工业控制。
1.1.1 功率放大器
与其它放大器相比
相同点,均在输入信号作用下，将直流电源的直流
功率转换为输出信号功率。
不同点,性能要求和运用特性不同。
一、功率放大器的性能要求
1,安全。 输出功率大，管子大信号极限条件下运用。
2,高效率。
用 ηc 集电极效率 (Collector Efficiency) 衡量转换效
率：
Co
o
D
o
c PP
P
P
P
?
???
Po —— 输出信号功率 (Output Signal Power)；
式中：
PD—— 电源提供的功率；
PC —— 管耗 (Power Dissipation)
Po 一定, ηc 高 → PD 小 → PC 小 → 可选 PCM 小 的
管子，以降低费用。
3,失真小。 输出功率越大，相应的动态电压电流越
大，器件特性非线性引起的非线性失真也越大。除采用
反馈技术外，还必须限制输出功率。
作为 放大器, 功率增益 是重要的性能指标，但与上
述 三个要求 相比,安全、高效和小失真 是 第一位 的。 功
率增益 可用 增加前置级的级数 或 提高相应的增益 来 弥补 。
二、功率管的运用特点
1,功率管的运用状态
根据 功率管 在一个信号周期内导通时间的不同，
功率管运用状态 可分为 甲类、乙类、甲乙类、丙类 等
多种。
功率管运用状态 通常靠 选择静态工作点 来实现。
甲类,功率管在一个周期内导通 (如小信号放大 )。
乙类,功率管仅在半个周期内导通。
甲乙类,管子在大于半个周期小于一个周期内导通。
丙类,功率管小于半个周期内导通。
2,不同运用状态下的 ηC
管子的运用状态不同，相应的 ηCmax也不同。
Co
o
c PP
P
???
减小 PC 可提高 ηC。
假设 集电极瞬时电流和电压 分别为 iC 和 vCE，则
PC为
?? π2o CECC dπ2 1 tviP ?
讨论,若减少 PC，则要减少 iC × vCE
途径 1,由 甲类 → 甲乙类 → 乙类 → 丙类,减小管子
在信号周期内的导通时间，即增大 iC ＝ 0 的时间。
途径 2,使管子运用在开关状态 (又称丁类 )； 管子
在 半个周期内饱和导通, 另半个周期内截止 。 饱和导通
时,vCE ≈ vCE (sat) 很小，因此导通的半个周期内，瞬时管
耗 iC × vCE 处在很小的值上。 截止时,不论 vCE 为何值，
iC 趋于 0,iC × vCE 也处在零值附近。结果 PC 很小,ηC
显著增大。
总结,为提高集电极效率,管子的运用状态 从 甲
类向乙类、丙类 或 开关工作的丁类转变 。但随着效率
的提高,集电极电流波形失真严重,为实现不失真放
大，在电路中需采取特定措施。
1.1.2 电源变换电路
1.1.3 功率器件
功率管 是 功率放大电路的关键器件,如何选择功率
管的运用状态，并保证它们安全工作是需要共同解决的
问题。为此，必须 首先了解功率器件的极限参数及安全
工作区。
双极型功率晶体管的安全工作 受到 三个极限参数
的限制：
(1) 集电极最大允许管耗 PCM。还与散热条件密切
相关
(2) 集电极击穿电压 V(BR)CEO
(3) 集电极最大允许电流 ICM
以上与 功率管的结构，工艺参数，封装形式 有关。
一、功率管散热和相应的 PCM
耗散在功率管中的功率 PC 主要消耗在集电结上，
造成集电结发热，结温升高。
若集电极的散热条件良好,集电结上的热量很容易散发
到周围空气中去，则集电结就会在某一较低温度上达到
热平衡，此时集电结上产生的热量等于散发到空气中的
热量。 反之，散热条件不好,集电结就会在更高的温度
上达到热平衡，甚至产生热崩而烧坏管子。
集电结结温 (Tj) 升高
→ 集电极电流 (iC) 增大 → PC 增大 → Tj 随之升高 →
iC 增大 → PC 增大 → Tj 升高,如此反复，直至 Tj 超
过集电结最高允许温度 TjM，导致管子被烧坏的 一种恶
性循环现象。
热崩 (Thermal runaway)：
金属底座又
与管壳相连的
结构。此外，
金属底座还加
装金属散热器
(如图 )
(a) (b) 功率管底座上加装散热器 (c) 相应的热等效电路
实践中，为了利于集电结的散
热，以提高 PCM，双极型功率管都
采用集电极直接固定在金属底座上，
散热器,翼状结构，以增大散热面积。面积越大，
厚度越厚，材料的导热率越高，散热效果越好。
二、二次击穿
要保证功率管安全工作,除满足由 PCM,ICM 和
V(BR)CEO 所规定的安全工作条件外，还要求 不发生二次
击穿 。
二次击穿 (Secondary Breakdown),当集电极电压
超过 V(BR)CEO，会引起击穿，只要外电路限制击穿后
的电流，管子就不会损坏，待集电极电压小于
V(BR)CEO 后，管子恢复正常工作。如上述击穿后，电
流不加限制，就会出现集电极电压迅速减小，集电极
电流迅速增大的现象，即为 二次击穿 。
二次击穿的后果,导致过热点的晶体熔化，要引起
vCE下降, iC 剧增,功率管尚未发烫就已损坏。是不可逆，
破坏性的。
发生条件,它在高压低电流时发生，相应的功率称
为 二次击穿耐量 PSB。
功率放大电路 使用 双
极型功率晶体管 外，还
使用 功率 MOS 管, 绝缘
栅双极型功率管 。
1.2 功率放大器的电路组成和工作特性
在放大原理上，功率放大器与其它放大器一样，都
是 能量转换器,但是，由于要求不同，因而在 电路组成
和运用特性 上，功率放大器却有不同的特点。
1.2.1 从一个例子讲起
图 (a) 为 放大器的基本电路,
现将其作为 功率放大器 来分析它
的功率性能。由此提示 功率放大
电路组成 及其 工作性能 上的特点。
功率放大器 为 大信号放大器,进行分析时，功率器
件必须采用 一般模型 (大信号模型 )。工程上，采用较多
的是 特性曲线上作负载线的图解分析法 。
1,静态工作点的选择,为了使电路在管子不出现
饱和、截止失真的条件下，输出功率最大，即输出电
压和电流均达到最大幅值，需要把 工作点 Q 选在 负载
线的中点 。 即
L
CC
L
C E Q
CQ
CC
C E Q 2,2 R
V
R
VIVV ???
2,集电级输出电压和电流 (假设 VCE(sat)和 ICEO 为 0)
tVVvVv
tIIiIi
?
?
s i n
s i n
cmC E QceC E QCE
cmCQcCQC
????
????
其中，
CQ
L
C E Q
L
cm
cm
CC
C E Qcm
2
I
R
V
R
V
I
V
VV
???
??,
PL 和 PC 均由 直流 和 交流 两部分合成。例如：
PL中 直流功率
422
1 DCQC E Q
cmcmo
PIVIVP ???
，2DCQC E Q PIV ?
交流功率
%25
D
o
m a x ??? P
P?
cmcmCQC E QCCE
π2
o
C
cmcmCQC E QL
2
C
π2
o
L
CQCCCC
2 π
o
D
2
1
d
π2
1
2
1
d
π2
1
d
π2
1
IVIVtivP
IVIVtRiP
IVtiVP
C
???
???
??
?
?
?
?
?
?3,电源提供的直流功率 PD、负载功率 PL、集电极
耗散功率 PC
4,讨论：
(1) 电路组成
甲类功放 的 ηCmax 仅为 25%,PD 中仅有 1/4 转换为
有用的输出信号功率,其余均被浪费。其中，一部分
耗散在管子中，大部分 ( PL 中直流功率 PD/2 ) 消耗在
RL上。
提高 ηCmax 的办法：
① 合理选择管子的运用状态 (乙类或甲乙类 )减小管
子消耗功率。
② 在管外电路中，采用不消耗直流功率的电路结构，
消除 RL 上消耗的直流功率。
(2) 工作特性
否则,RL 的减小
不会增大输出电流，
反而会因减小集电
极电压振幅而使 Po
减小，还会因 ICQ增
大而使 PD 增大，结
果使 ηC 降低。
当 VCC 一定,Q 在 负载线中点 时,Vcm(≈VCC /2)被
限定。要提高输出信号功率，就必须减小 RL，才能增
大 Icm。但，在减小 RL 时，还必须同时增大激励电流。
充分激励时 RL变化对功率性能的影响
总之,在功率放大器中，要高效率地提升 Po，必
须减小 RL，同时相应增大输入激励电流。
充分激励,与 RL 相匹配的输入激励 (不出现饱和失
真的最大激励 )。
匹配负载,相应的负载为匹配负载 (能使 Q 处于交
流负载线中点的负载 )。
5,结论
(1) 功放在电路组成上，必须采用避免管外电路中无
谓消耗直流功率的电路结构。
(2) 在工作特性上，输出负载，输入激励和静态工
作点相互牵制，要高效率输出所需信号功率，三者必
须有一个最佳配置。
1,电路
(1) 输入端：
RB—— 偏置电阻
CB—— 旁路电容
Tr1—— 耦合变压器
(2) 输出端：
Tr2—— 耦合变压器，
对交流,Tr2起阻抗变换作
用，
L2L RnR ??
1.2.2 甲类、乙类功放的电路组成及功率性能
一、甲类变压器耦合功放
(1) 静态分析
CCCE Vv ?
2,电路分析
根据直流通路，写出直流负载方程：
直流负载线,EF
(2) 动态分析
交流负载线方程：
Lcce Riv ???
又：
cCQC
ceC E QCE
iIi
vVv
??
??
则,交流负载方程可改写为 )(
CQCLC E QCE IiRVv ?????
上式表明，当
CCC E QCECQC VVvIi ??? 时，
，
它在两坐标轴上的截距：
CQLC E QCE
C
LC E QCQC
CE
0
/
0
IRVv
i
RVIi
v
???
?
???
?
时，
时，
)( CQCLC E QCE IiRVv ?????
相应画出交流负
载线是一条通过 Q
点的直线 MN，斜
率为 ? 1/ 。
LR?
(3) 功率性能
当输入充分激励,Q 处在负载线 中点 时，忽略非线
性失真，且设
00 C E OC E ( s a t ) ?? IV,
，则相应的集电极 电
压和电流 分别为：
tVVv
tIIi
?
?
s i n
s i n
cmC E QCE
cmCQC
??
??,
其中
LCCLcmCQcm
CCC E Qcm
// RVRVII
VVV
?????
?? ；
与 放大器的基本电路 相比，在匹配负载时，电压
信号幅值 Vcm 由 VCC/2，增加到 VCC，若呈现在集电
极上的负载相等，则输出信号功率增大四倍。
根据上述关系求得
50%/
/2
/2
/2/2
/2
D
o
c m a x
D
cmcmCQCCC
DCQC E O
cmcmoL
CQCCD
??
?
??
??
??
?
PPη
P
IVIVP
PIV
IVPP
IVP
(4) 管安全
由 图 可见，加在集电极上的最大电压 ?? CCC E ma x Vv
通过集电极的最大电流 。
CQcmCQC m a x 2 IIIi ???，CCcm 2VV ?
当 Po = 0时,PD全部消耗在管子中，因而消耗在
集电极上的最大功率 。
DC ma x PP ?
所以保证管子安全工作的条件为：
采用变压器耦合,ηCmax将由 0.25 增大到 0.5，即
PD 的一半转换为 Po。
若 Q 处于交流负载线的 中点,且充分激励的条件
下，增大 VCC，或减小 R,L, Po均将增大，但最后受
安全工作条件的限制。
CMDC m a x
CMCQCMCQC m a x
( B R ) C E OCC( B R ) C E OCCC E m a x
2/2
2/2
PPP
IIIIi
VVVVV
??
???
???
即
即
又因为,2/2/2/
DCQCCcmcmo m a x PIVIVP ???
，上述
安全工作条件又可用 Pomax 表示为
8/
2/
CM( B R ) C E Om a xo
CMm a xo
IVP
PP
???
??
Pomax 取较小的值。
除外，还需检查动态点是否落在二次击穿限定的安
全区内。
二、乙类推挽功率放大器
乙类工作时，为了在负载上合成完整的正弦波，
必须采用两管轮流导通的推挽 (Push-Pull) 电路。 可有
多种实现方案：
(1) 变压器耦合乙类推挽功放
(2) 互补推挽功放
1,变压器耦合功放
(1) 电路结构
Tr1—— 输入变压器，利用次级绕组的中心抽头
将 vi (t) 分成两个幅值相等，极性相反的激励电压
1ii2 vv ??,分别加在两管的基射极之间，实现两
管轮流导通。
Tr2—— 输出变压器，隔断 iC1 和 iC2 中的平均分
量，并利用初级绕组的中心抽头将 iC1 和 iC2 中的基波
分量在 RL 中叠加，输出正弦波。
T1 和 T2—— 特性配对、相同导电类型的 NPN 功
率管
(2) 工作原理 (忽略射结导通压降 )
vi1(t) ＞ 0 时,vi2(t) ＜ 0,T1 管导通,T2 管截止，
ic1 处于正半周的半个正弦波；
vi2(t) ＞ 0 时,vi1(t) ＜ 0,T2 管导通,T1 管截止，
ic2 处于负半周的半个正弦波。 iC1 和 iC2 中的基波分量在
RL 中叠加，输出正弦波。
2,互补推挽电路
(1) 电路特点
T1 与 T2—— 功率管互补配对
(2) 工作原理 (忽略射结压降 )
vi(t) ＞ 0 时,T1 管 (NPN型 ) 导通，
T2管 (PNP型 ) 截止,iC1(≈iE1) 为正半周的半个正弦波；
vi(t) ＜ 0 时,T2 管导通,T1 管截止,iC2(≈iE2)为处
于负半周的半个正弦波。
通过 RL 的电流
E21EL iii ??
，合成完整的正弦波。
小结,上述功率放大器，为实现器件轮流导通：
乙类功放电路 输入激励 信号 功率管管 型 管外电路
变压器耦合乙类
功率放大器 极性相反
对管，管
型相同 均避免了直流功率的损
失互补推挽乙类功 率放大器 极性相同 对管，管 型不同
3,乙类推挽功率放大器的性能分析
(1) 推挽电路的组合特性
静态工作点：
CCC E Q 2
CCC E Q 1
c2c1
i
0
0)(
VV
VV
ii
tv
??
?
??
?
Vi 正半周,T1导通，负载线是自 Q 点出发，斜率为
L/1 R?
的 直线 AQ；
Vi 负半周,T2 导通，负载线是自 Q 点出发，斜率为
L/1 R?
的 直线 A?Q。
虽然 集电极电流 是 半个正弦波,但 集射极交流电
压 是 完整正弦波 。
(2) 性能分析 (忽略失真 )
① 一般性能分析
在 0 ≤ωt ≤ ? 时,tIii ?s i n0
cmC1C2 ??
? ≤ωt ≤ 2 ? 时,iC1 ? 0 iC2 ? Icmsinωt
相应的集射极间电压：
VCE2 = ? VCC + Vcmsinωt
VCE1 = VCC ? Vcmsinωt
通过 RL 的电流,tIiiiii ?s i n
cmC2C12EE1L ?????
相应产生的电压,tVv ?s in
cmL ?
RL 上的输出功率,PL = Po = VcmIcm/2 = I2cmRL/2
正负电源总的直流功率：
PD = PD1 ＋ PD2 =
2VCCI平均 = 2VCCIcm/?
令 VCE(sat) = 0,ICEO = 0,则 Vcm = VCC,Icm = VCC/RL
② 若充分激励
相应 Po 和 PD 达到最大,即
L
CC
2
o m a x 2 R
VP ?
o m a x
L
CC2
L
CC2
D m a x π
4)
2(π
4
π
2 P
R
V
R
VP ???
%5.784π
D m a x
o m a x
C m a x ??? P
P? 比甲类高
③ 若激励不足
Vcm减小，引入电源电压利用系数 ? (ksai)，表示
Vcm的减小程度
定义 ? = Vcm/VCC
??
??
??
4
π
π
4
π
2
π
2
2
1
2
1
D
o
o m a x
L
CC
2
cmCC
D
o m a x
2
L
CC
2
2
L
cm
2
o
C
??
???
????
P
P
P
R
VIV
P
P
R
V
R
V
P
两管集电极管耗相等，且为
o m a x
2
oDC2C1 )2
1
π
2(2/)( PPPPP ?? ?????
其值为
o m a xo m a x2
m a x2Cm a x1C
2.0
π
2
PP
PP
??
?
分析,当输入激励由大减小，即 ? 减小时,Po、
PD,ηC 均单调减小，而 PC1 和 PC2 的变化非单调，
6 36.0π2 ??? 时最大，
结论,乙类工作时,PC的最大值既不出现在 0??
时，也不出现在 1?? 时,PD 随 ? (激励 )线性增大，
与 甲类 (不变 )不同 。
? 小时,PD 小,Po 小,PC 小；
? 接近 1 时,PD大，
Po也大,PC 小。
∴ PC 非单调变化
(3) 管安全
由
2
L
CC
2
o 2 ?R
VP ?
增大 VCC，减小 RL，且输入充分激励，输出功率
将增大，但最后受到下列 安全工作条件的限制,
CCC E ma x 2 Vv ?
<
(B R )C E OV
L
CC
cmC m a x R
VIi ?? <
CMI
PC1max ? PC2max ? 0.2Pomax < PCM
?
?
?
?
?
??? CMm a xo 5 PP
CM( B R ) C E Om a xo 4
1 IVP ??
或 取其中的小值
作业,1-8,1-9
1.3 乙类推挽功率放大电路
以上介绍了原理电路，若要构成实际电路还必须
解决一些有关问题。
1.3.1 乙类互补推挽功率放大电路
在构成乙类互补推挽功率放大器实际电路时，必
须考虑偏置，功率配对和保护等问题。
一、交越失真和偏置电路
1,交越失真
(1) 定义
上节分析乙类
推挽电路性能时，
忽略了晶体管发射
结导通电压的影响 。
实际上，在零偏置情况下，考虑到导通电压的影
响，输出电压波形在在衔接处出现严重失真，称 交越
失真 。
接成 乙类推挽电路 时，两管的 合成传输特性 如图
所示 。
(2) 克服交越失真的基本途径
在输入端为两管加合适的正偏电压，使其工作在
甲乙类 。
由传输特性图可见,只要 VBB 取值合适，上下两路
传输特性起始段的弯曲部分就可相互补偿,合成传输特
性趋近于直线,在输入正弦电压激励下，得到不失真的
输出电压。
(3) 常用电路
① 二极管偏置电路 ② vBE 倍增电路
2,二极管偏置电路
由于二极管的正向交流结电阻很小，可认为 交流短
路,因此偏置电路不影响输入信号 vi (t) 的传输。
在集成电路中偏置二极管会由三极管取代,见图
(b),(c)
图 (a) 中,D1,D2 由电流源 IR 激励，产生正向电
压,即为所需的偏置电压 VBB。若 T1 和 T2 的特性配对，
且其基极偏置电流很小，可忽略,则
)/(n2
2
SRTBB
BB
B E Q 2B E Q 1
IIVV
V
VV
??
???
IS 为 二极管 D1 和 D2 的反向饱和电流, VT 为 温度电
压当量。
3,vBE 倍增电路
(1) 电路
直流,由 T3,R1,R2 组成，
且由电流源 IR 激励，为互补功率
管 T1,T2 提供偏置电压 VBB。
交流,T3,R1 构成电压并
联负反馈电路，反馈电路的电阻
很小，几乎不影响输入信号的传
输。
(2) 倍增原理
由图可见,若通过 R1 的电流 I1 远小于 T3 管的集电
极电流 IC3，且 T1 和 T2 管的静态基极电流又可忽略，
则 IC3 ? IR，且 T3 管基射极间电压
VBE3 = VT ln(IE3 / IS) ? VT ln(IR / IS)
当 IR 为定值时,VBE3也就唯
一确定了。若 T3 管的 ? 足够大，
基极电流 IB3 可忽略，则 VBE3 又
是 VBB 通过 R1 在 R2 上的分压值，
即
)1(
2
1
B E 3BB
21
2
BBB E 3 R
RVV
RR
RVV ???
???
此式表明,偏置电路提供的偏置电压 VBB 是 VBE3 的
倍增值，且其值受 R1 和 R2 控制，故称为 VBE 倍增电路 。
(3) 热补偿
温度升高时,VBE3?,VBB?,阻止了功率管 ICQ 的
增加。是具有热补偿作用的高热稳定性偏置电路。
二、单电源供电的互补推挽电路 (OTL)
1,电路特点
(1) 单电源供电；
(2) 负载串接大容量隔直
电容 CL。 VCC 与两管串接，
若两管特性配对，则 VO =
VCC/2,CL 实际上等效为电
压等于 VCC/2 的直流电源。
2,工作原理
T1 管的直流供电电压,VCC ? VO＝ VCC/2，
T2 的供电电压,0 ? VO＝ ? VCC/2。
单电源供电电路等效 为 VCC/2 和
?VCC/2 的双电源供电电路 。
三、准互补推挽电路
1,问题的提出
互补推挽电路 要求两只功率管
特性配对，难以实现。
2,解决办法
采用复合管取代互补管，构成 准
互补推挽电路 。
3,电路
复合管 T1,T2 等效为 NPN 型管,
复合管 T3(PNP型 ) 与 T4 等效为 PNP 型管
其中,T1,T3为 小功率管,
它们之间是 互补的, T2,T4 为 大
功率管,它们是 同型,便于特性
配对，故称为 准互补推挽电路 。
R1,R2(几百 ?)—— 减小复合管
的反向饱和电流。
四、保护电路
1,必要性
正常情况下，功率管是 安全的 。
实际中，往往会发生 异常情
况 。 例如,负载短路，致使通过
功率管的电流迅速增大，一旦超
过极限参数，造成管子损坏。因
此大功率功放，应设有 保护电路,
过流，过压、过热保护 。
2,过流保护电路
(1) 保护电路
T1,T2为 保护管, R1,R2 为 过流取样电阻 。
(2) 保护原理
以保护管 T1 为例 ——
正常时, VR1 ＜ VBE1(on),T1
截止,不起保护作用 。
异常时, VR1 ＞ VBE1(on),T1
导通，分流 T3 管的输入激励电
流，限制 T3 管的输出电流,起
到了限流保护作用 。
T2 对 T4 的限流保护作用同上 。
五、输入激励电路
1,必要性
输出最大信号功率，则 RL 上的
信号电压振幅达到接近电源电压 (单电源时，接近
VCC/2)。为此，要求输入激励级为互补功率管提供振
幅接近电源电压的推动电压。
互补推挽功率放大器
中的功率管接成射极跟随
器，电压增益 小于 1。若
要求功率管充分利用，
2,电路
T3 —— 输入激励级，
R —— T3 的直流负载
(忽略功率管的静态基极电
流 )，直流负载线为 (b)Ⅰ 。
3,影响输出信号电压振幅的因素
交流负载 r ≈ R∥ ri ＜ R，得交流负载线为 (b)Ⅱ 所示 。
可见,T3 管的最大输出信号电压振幅受到截止失真的限
制，其值小于 VCC/2。
若使 r ＞ R，则交流负载线 如图 (b)Ⅲ 所示,输出
信号电压振幅不受截止失真限制，可接近 VCC/2。
4,改进电路
(1) 电流源构成 有源负载 放大
器,直流电阻小，交流电阻大 。
(2) 采用自举电路
将 R1R2 取代 R,接入大容
量电容 C2。
作用,对交流近似短路，交
流电位由 O 经 C2 自举到 C 点，
即 vC ? vO。
原理,由于互补输出级的
电压增益接近于 1，因而 vB ?
vO ? vC,通过 R2 的交流电流 I
? 0，因而从 B 点向虚线框看进
去的交流电阻 (vB/i) 很大，趋
于无穷,T3的交流负载电阻便
近似等于 T1(或 T2) 电路的输
入电阻。
作业,1-9,1-14,1-16,1-17
