第 1 章 功率电子线路
1.2 功率放大器的电路组成
和工作特性
1.2.1 从一个例子讲起
1.2.2 甲类, 乙类功率放大器的电路组成
及其功率性能
1.2.1 从一个例子讲起
图 1–2–1 图解分析 (a)
图 1-2-1 示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 。 由此揭示功率放大电路组成及
其工作性能上的特点 。
分析法 应 用
等效电路法 小信号
图解法 大信号
幂级数法 频率变换
时变参量法 混频
电子线路分析方法
功率放大器为 大信号放大器, 工程分析时, 多采用特
性曲线上作负载线的 图解分析法 。
1,Q 点的选择
为了使电路在管子不出现饱和与截止失真的条件下输
出功率最大, 需把 Q 选在负载线的 中点, 即
，，
L
CC
L
C E QCC
CQ
CC
C E Q 22 R
V
R
VV
IVV ?
?
??
VCE(sat) ? 0
图 1–2–1 图解分析
2,集电极输出电压和电流 (假设 VCE(sat) 和 ICEO 为 0)
图 1–2–1 图解分析 (b)
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
???
??
3,PD (直流功率 ),PL (负载功率 ), PC (管耗 )
CQCCCCC
2
0D
d2 1 IVtiVP ??? ? ? ?
cmcmCQC E QL
2
C
2
0L 2
1d
2
1 IVIVtRiP ??
?? ?
? ?
cmcmCQC E QCCE
2
0C 2
1d
2
1 IVIVtivP ??
?? ?
? ?
PL 和 PC 均由 直流 和 交流 两部分合成。例如,
PL 中,
)( CCC E QDCQC E Q VV
P
IV
2
1
2
??,
直流功率
交流功率
422
1 DCQC E Q
cmcmo
PIVIVP ???
所以 %25
D
o
m a x ?? P
P?
4,讨论,
(1) 电路组成上
甲类功放 ?Cmax = 25%
PD 中, 输出的信号功率 Po 仅占 1/4,PD/2 消耗在 RL 上 。
提高 ?Cmax 的办法,
① 降低 Q —— 合理选择管子的运用状态 (乙类或甲乙
类 )减小管子的静态损耗 。
② 消除 RL 上的直流功率 —— 改进管外电路, 使之不消
耗直流功率 。
(2) 工作特性上
VCC 一定且 Q 在负载线中点时, 欲提高输出信号功率,
需增大 Icm(减小 RL),但必须 同时增大激励电流 。
图 1–2–2 RL 变化对功率性能的影响
① RL 减小, 负载线斜率改变, 减小了集电极电压振幅,
使 Po 减小；
② ICQ 增大, 使 PD 增大, ?C 降低 。
5,结论
(1)在电路组成
上, 必须采用避免
管外电路无谓消耗
直流功率的结构 。
(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 。
1.2.2 甲类、乙类功率放大器的电路组成
及其功率性能
一, 甲类变压器耦合功率放大器
图 1–2–3(a) 原理电路
1．电路
(1)输入端
RB —— 偏置电阻；
CB —— 旁路电容；
Tr 1 —— 耦合变压器。
(2)输出端
Tr2—— 耦合变压器, 对
交流, Tr 2 起阻抗变换作用 。
2．电路分析
(静态分析、动态分析、功率性能、管安全 )
(1)静态分析
① 画直流通路
② 画直流负载线
直流负载线方程,
vCE = VCC
直流负载线,EF
图 1–2–4 甲类变压器耦合功率放大器的图解分析
③ 求 Q 点
iB = IBQ,
iC = ICQ,
vCE = VCEQ = VCC
(2)动态分析
① 画交流通路
② 画交流负载线
交流负载线方程,
过 Q 点 作交流负载
线 MN,
LR ???
1斜率
Lcce Riv ???
2
12
W
WnRnR ???,
LL
③ 求动态范围
甲类变压器耦合功放图解分析
(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 VCE(sat) = 0,ICEO = 0,则相应的集电极电压和
电流分别为,
，tIIi ?s i ncmCQC ??
tVVv ?s i ncmC E QCE ??
其中,Vcm = VCEQ = VCC
LCCLcmCQcm // RVRVII ?????
比较,
基本放大器电路,Vcm = VCC/2；
变压器耦合电路, Vcm = VCC,若呈现在集电极上的负
载相等, 则输出信号功率增大 4 倍 。
功率参数计算,
50%/
/2/2
/2/2/2
D
o
c m a x
DcmcmCQCCLDC
DCQC E QcmcmoL
CQCCD
??
?????
????
?
PPη
PIVIVPPP
PIVIVPP
IVP①
②
③
④
采用变压器耦合, ?Cmax 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, Po 均将增大, 但最后受安全工作
条件的限制 。
LR?
(4)管安全
图 1–2–4 图解分析
如 图 1-2-4 所示, 加在集电极上的最大电压 vCEmax =
VCC + vcm ? 2VCC,通过集电极的最大电流 iCmax = ICQ + Icm ?
2ICQ 。
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 PCmax = PD 。
安全工作条件,
CMDC m ax
CMCQ
CMCQC m ax
( B R ) C E OCC
( B R ) C E OCCC E m ax
2/
2
2/
2
PPP
II
IIi
VV
VVV
??
?
??
?
??
即
即
又,2/2/2/ DCQCCcmcmo m a x PIVIVP ???
用 Pomax 表示, 上述安全工作条件 变为,
2/CQCCm a xo IVP ?? 2/2/2/ CM( B R ) C E O ）（）（ IV ?≤
≤ V(BR)CEOICM/8
≤ PCM/2 ??
?
??
?
maxo
maxo
P
P
图 1–1–5
Pomax 取二者较小的值。
此外, 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 。
实现方案,
① 变压器耦合推挽功放；
② 乙类互补推挽功放。
1．变压器耦合功放
(1) 电路结构
Tr1,输入变压器, 利用 二 次绕组的中心抽头将 vi (t) 分
成两个幅值相等, 极性相反的激励电压 vi1 = ? vi2, 分别加
在两管的基 - 射极之间, 实现两管轮流导通 。
Tr 2：输出变压器, 隔断 iC1 和 iC2 到负载 的平均分量,
并利用一次绕组的中心抽头将 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 。
图 1–2–5(a) 变压器耦合
(2) 工作原理
vi1(t) > 0 时, T1 导通 (忽略射结压降 )； vi2(t) < 0,T2
截 止, iC1 处于正半周的半个正弦波 。
vi2(t) > 0 时, T2
导 通； vi1(t) < 0,T1
截 止, iC2 处于的正
弦波的负半周 。
iC1 和 iC2 中的
基波分量在 RL 中叠
加, 输出完整正弦
波 。
2．互补推挽电路
图 1–2–5(b) 互补推挽
(1)电路特点
T1 与 T2,功率管互补配对
(2)工作原理
vi(t) > 0 时, T1 管 (NPN 型 )
导通 (忽略射结压降 ),T2 管
(PNP型 )截止, iC1(? iE1)为正弦
波的正半周；
vi(t) < 0 时, T2 管导通, T1
管截止, iC2(? iE2)为处于正弦波
的负半周 。
通过 RL 的电流 iL = iE1 – iE2, 合成完整的正弦波 。
小结,上述 乙类 功率放大器，为实现器件轮流导通,
类 型
输入激励信号 功率管管型 管外电路
变压器耦合 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 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
图 1–2–6 互补推挽图解分析
(1)推挽电路的组合特性
乙类推挽功率放大器的组合特性
CCC E Q 2
CCC E Q 1
c2c1
i
)(
VV
VV
ii
tv
??
?
??
?
0
0静态工作点,
Vi > 0,T1 导 通，负载线 AQ 过 Q 点，斜率为 ? 1/RL ；
Vi < 0,T2 导 通，负载线 A?Q ? 过 Q ? 点，斜率为 ? 1/RL 。
(2) 性能分析 (忽略失真 )
① 一般性能分析
在 0 ≤ ? t ≤ ? 时,iC2 ? 0 iC1 ? Icmsin? t
? ≤ ? t ≤ 2? 时,iC1 ? 0 iC2 ? Icmsin? t
集 - 射极间电压,
VCE1 = VCC ? Vcmsin? t,VCE2 = ? VCC ? Vcmsin? t
通过 RL 的电流,tIiiiii ?s i n
cmC2C1EE1L ????? 2
相应产生的电压,tVv ?s i n
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 = 2VCCIC0 = 2VCCIcm/?
② 若充分激励,与 RL 相匹配的输入激励 (不出现饱和
失真的最大激励 )。
令 VCE(sat) = 0,ICEO = 0，则 Vcm = VCC,Icm = VCC/RL
相应 Po 和 PD 达到最大,即
L
2
CCcmcm
om ax 2 2 R
VIVP ??
o m a x
L
2
CC
L
2
CCcmCC
D m ax
4)
2(
422 P
R
V
R
VIVP
????????
乙类功放的最大集电极效率
%5.784C m a x ???? 比甲类 功放 高
③ 若激励不足
Vcm 减小, 引入 电源电压利用系数 ? 表示 Vcm的减小程
度 。
定义 ? = Vcm/VCC
o m a x
2
L
CC
2
2
L
cm
2
o 2
1
2
1 P
R
V
R
VP ?? ????
o m a x
L
2
CC
L
CCCCcmCC
D
4222 P
R
V
R
VVIVP ???
????????
?? 4
D
o
C
???
P
P
集电极管耗,
o m a x
2
o m a x
2
oDC2C1 )2
12()4(
2
12/)( PPPPPP ???? ?
????????
分析,当输入激励由大减小, 即 ? 减小时, Po,PD、
?C 均单调减小, 而 PC1 和 PC2 的变化非单调,
时最大, 其值为
636.02 ????
o m a xo m a x2m a x2Cm a x1C 2.0
2 PPPP ?
???
PD,?C
?Cmax(0.785)
?C
图 1–2–7
功放性能随 ? 变化的特性,
? 小时, PD, Po, ?C 小；
? 接近 1 时, PD, Po, ?C 大 。
结论,
① PC 非单调变化, 两
头小, 中间大 。
② PD 随 ? (激励 )线
性增大, 与甲类 (不变 )不
同 。
(3) 管安全
由 2
L
2
CC
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,
( B R ) C E OCCC E m a x 2 VVv ??
CM
L
CC
cmC m a x IR
VIi ???
PC1max ? PC2max ? 0.2Pomax < PCM
?
?
?
?
?
???
???
CMm a xo
CM( B R ) C E OCMCCm a xo
5
4
1
2
1
PP
IVIVP 取其中的小值
检查二次击穿。
1.2 功率放大器的电路组成
和工作特性
1.2.1 从一个例子讲起
1.2.2 甲类, 乙类功率放大器的电路组成
及其功率性能
1.2.1 从一个例子讲起
图 1–2–1 图解分析 (a)
图 1-2-1 示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 。 由此揭示功率放大电路组成及
其工作性能上的特点 。
分析法 应 用
等效电路法 小信号
图解法 大信号
幂级数法 频率变换
时变参量法 混频
电子线路分析方法
功率放大器为 大信号放大器, 工程分析时, 多采用特
性曲线上作负载线的 图解分析法 。
1,Q 点的选择
为了使电路在管子不出现饱和与截止失真的条件下输
出功率最大, 需把 Q 选在负载线的 中点, 即
，，
L
CC
L
C E QCC
CQ
CC
C E Q 22 R
V
R
VV
IVV ?
?
??
VCE(sat) ? 0
图 1–2–1 图解分析
2,集电极输出电压和电流 (假设 VCE(sat) 和 ICEO 为 0)
图 1–2–1 图解分析 (b)
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
???
??
3,PD (直流功率 ),PL (负载功率 ), PC (管耗 )
CQCCCCC
2
0D
d2 1 IVtiVP ??? ? ? ?
cmcmCQC E QL
2
C
2
0L 2
1d
2
1 IVIVtRiP ??
?? ?
? ?
cmcmCQC E QCCE
2
0C 2
1d
2
1 IVIVtivP ??
?? ?
? ?
PL 和 PC 均由 直流 和 交流 两部分合成。例如,
PL 中,
)( CCC E QDCQC E Q VV
P
IV
2
1
2
??,
直流功率
交流功率
422
1 DCQC E Q
cmcmo
PIVIVP ???
所以 %25
D
o
m a x ?? P
P?
4,讨论,
(1) 电路组成上
甲类功放 ?Cmax = 25%
PD 中, 输出的信号功率 Po 仅占 1/4,PD/2 消耗在 RL 上 。
提高 ?Cmax 的办法,
① 降低 Q —— 合理选择管子的运用状态 (乙类或甲乙
类 )减小管子的静态损耗 。
② 消除 RL 上的直流功率 —— 改进管外电路, 使之不消
耗直流功率 。
(2) 工作特性上
VCC 一定且 Q 在负载线中点时, 欲提高输出信号功率,
需增大 Icm(减小 RL),但必须 同时增大激励电流 。
图 1–2–2 RL 变化对功率性能的影响
① RL 减小, 负载线斜率改变, 减小了集电极电压振幅,
使 Po 减小；
② ICQ 增大, 使 PD 增大, ?C 降低 。
5,结论
(1)在电路组成
上, 必须采用避免
管外电路无谓消耗
直流功率的结构 。
(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 。
1.2.2 甲类、乙类功率放大器的电路组成
及其功率性能
一, 甲类变压器耦合功率放大器
图 1–2–3(a) 原理电路
1．电路
(1)输入端
RB —— 偏置电阻；
CB —— 旁路电容；
Tr 1 —— 耦合变压器。
(2)输出端
Tr2—— 耦合变压器, 对
交流, Tr 2 起阻抗变换作用 。
2．电路分析
(静态分析、动态分析、功率性能、管安全 )
(1)静态分析
① 画直流通路
② 画直流负载线
直流负载线方程,
vCE = VCC
直流负载线,EF
图 1–2–4 甲类变压器耦合功率放大器的图解分析
③ 求 Q 点
iB = IBQ,
iC = ICQ,
vCE = VCEQ = VCC
(2)动态分析
① 画交流通路
② 画交流负载线
交流负载线方程,
过 Q 点 作交流负载
线 MN,
LR ???
1斜率
Lcce Riv ???
2
12
W
WnRnR ???,
LL
③ 求动态范围
甲类变压器耦合功放图解分析
(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 VCE(sat) = 0,ICEO = 0,则相应的集电极电压和
电流分别为,
，tIIi ?s i ncmCQC ??
tVVv ?s i ncmC E QCE ??
其中,Vcm = VCEQ = VCC
LCCLcmCQcm // RVRVII ?????
比较,
基本放大器电路,Vcm = VCC/2；
变压器耦合电路, Vcm = VCC,若呈现在集电极上的负
载相等, 则输出信号功率增大 4 倍 。
功率参数计算,
50%/
/2/2
/2/2/2
D
o
c m a x
DcmcmCQCCLDC
DCQC E QcmcmoL
CQCCD
??
?????
????
?
PPη
PIVIVPPP
PIVIVPP
IVP①
②
③
④
采用变压器耦合, ?Cmax 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, Po 均将增大, 但最后受安全工作
条件的限制 。
LR?
(4)管安全
图 1–2–4 图解分析
如 图 1-2-4 所示, 加在集电极上的最大电压 vCEmax =
VCC + vcm ? 2VCC,通过集电极的最大电流 iCmax = ICQ + Icm ?
2ICQ 。
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 PCmax = PD 。
安全工作条件,
CMDC m ax
CMCQ
CMCQC m ax
( B R ) C E OCC
( B R ) C E OCCC E m ax
2/
2
2/
2
PPP
II
IIi
VV
VVV
??
?
??
?
??
即
即
又,2/2/2/ DCQCCcmcmo m a x PIVIVP ???
用 Pomax 表示, 上述安全工作条件 变为,
2/CQCCm a xo IVP ?? 2/2/2/ CM( B R ) C E O ）（）（ IV ?≤
≤ V(BR)CEOICM/8
≤ PCM/2 ??
?
??
?
maxo
maxo
P
P
图 1–1–5
Pomax 取二者较小的值。
此外, 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 。
实现方案,
① 变压器耦合推挽功放；
② 乙类互补推挽功放。
1．变压器耦合功放
(1) 电路结构
Tr1,输入变压器, 利用 二 次绕组的中心抽头将 vi (t) 分
成两个幅值相等, 极性相反的激励电压 vi1 = ? vi2, 分别加
在两管的基 - 射极之间, 实现两管轮流导通 。
Tr 2：输出变压器, 隔断 iC1 和 iC2 到负载 的平均分量,
并利用一次绕组的中心抽头将 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 。
图 1–2–5(a) 变压器耦合
(2) 工作原理
vi1(t) > 0 时, T1 导通 (忽略射结压降 )； vi2(t) < 0,T2
截 止, iC1 处于正半周的半个正弦波 。
vi2(t) > 0 时, T2
导 通； vi1(t) < 0,T1
截 止, iC2 处于的正
弦波的负半周 。
iC1 和 iC2 中的
基波分量在 RL 中叠
加, 输出完整正弦
波 。
2．互补推挽电路
图 1–2–5(b) 互补推挽
(1)电路特点
T1 与 T2,功率管互补配对
(2)工作原理
vi(t) > 0 时, T1 管 (NPN 型 )
导通 (忽略射结压降 ),T2 管
(PNP型 )截止, iC1(? iE1)为正弦
波的正半周；
vi(t) < 0 时, T2 管导通, T1
管截止, iC2(? iE2)为处于正弦波
的负半周 。
通过 RL 的电流 iL = iE1 – iE2, 合成完整的正弦波 。
小结,上述 乙类 功率放大器，为实现器件轮流导通,
类 型
输入激励信号 功率管管型 管外电路
变压器耦合 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 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
图 1–2–6 互补推挽图解分析
(1)推挽电路的组合特性
乙类推挽功率放大器的组合特性
CCC E Q 2
CCC E Q 1
c2c1
i
)(
VV
VV
ii
tv
??
?
??
?
0
0静态工作点,
Vi > 0,T1 导 通，负载线 AQ 过 Q 点，斜率为 ? 1/RL ；
Vi < 0,T2 导 通，负载线 A?Q ? 过 Q ? 点，斜率为 ? 1/RL 。
(2) 性能分析 (忽略失真 )
① 一般性能分析
在 0 ≤ ? t ≤ ? 时,iC2 ? 0 iC1 ? Icmsin? t
? ≤ ? t ≤ 2? 时,iC1 ? 0 iC2 ? Icmsin? t
集 - 射极间电压,
VCE1 = VCC ? Vcmsin? t,VCE2 = ? VCC ? Vcmsin? t
通过 RL 的电流,tIiiiii ?s i n
cmC2C1EE1L ????? 2
相应产生的电压,tVv ?s i n
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 = 2VCCIC0 = 2VCCIcm/?
② 若充分激励,与 RL 相匹配的输入激励 (不出现饱和
失真的最大激励 )。
令 VCE(sat) = 0,ICEO = 0，则 Vcm = VCC,Icm = VCC/RL
相应 Po 和 PD 达到最大,即
L
2
CCcmcm
om ax 2 2 R
VIVP ??
o m a x
L
2
CC
L
2
CCcmCC
D m ax
4)
2(
422 P
R
V
R
VIVP
????????
乙类功放的最大集电极效率
%5.784C m a x ???? 比甲类 功放 高
③ 若激励不足
Vcm 减小, 引入 电源电压利用系数 ? 表示 Vcm的减小程
度 。
定义 ? = Vcm/VCC
o m a x
2
L
CC
2
2
L
cm
2
o 2
1
2
1 P
R
V
R
VP ?? ????
o m a x
L
2
CC
L
CCCCcmCC
D
4222 P
R
V
R
VVIVP ???
????????
?? 4
D
o
C
???
P
P
集电极管耗,
o m a x
2
o m a x
2
oDC2C1 )2
12()4(
2
12/)( PPPPPP ???? ?
????????
分析,当输入激励由大减小, 即 ? 减小时, Po,PD、
?C 均单调减小, 而 PC1 和 PC2 的变化非单调,
时最大, 其值为
636.02 ????
o m a xo m a x2m a x2Cm a x1C 2.0
2 PPPP ?
???
PD,?C
?Cmax(0.785)
?C
图 1–2–7
功放性能随 ? 变化的特性,
? 小时, PD, Po, ?C 小；
? 接近 1 时, PD, Po, ?C 大 。
结论,
① PC 非单调变化, 两
头小, 中间大 。
② PD 随 ? (激励 )线
性增大, 与甲类 (不变 )不
同 。
(3) 管安全
由 2
L
2
CC
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,
( B R ) C E OCCC E m a x 2 VVv ??
CM
L
CC
cmC m a x IR
VIi ???
PC1max ? PC2max ? 0.2Pomax < PCM
?
?
?
?
?
???
???
CMm a xo
CM( B R ) C E OCMCCm a xo
5
4
1
2
1
PP
IVIVP 取其中的小值
检查二次击穿。
