11.1 功率放大器概述

在电子电路中，信号得到放大后最终是要以一定大小的功率输出给负载的，因此多级放大电路的输出级往往由功率放大电路组成，它给负载提供足够大的信号功率。

电压放大电路是小信号放大器，其任务是在不失真的前提下放大微弱的信号，电压器件工作在微变状态；而功率放大器则要求它在允许失真的条件下输出足够大的功率，放大器件几乎工作在极限状态。因此，功率放大电路是大信号放大器。

本章在电路方面从射极输出器入手，通过分析、改进逐步演算到互补对称输出电路，详细分析了其工作原理及输出功率、效率的计算。

11.1  功率放大器概述

11.1.1  功率放大器的特点

功率放大器因其任务与电压放大器不同，所以具有以下的特点：

（1）为了获得尽可能大的输出功率，要求功放中的功放管其电压和电流应有足够大的输出幅度。

（2）由于输入信号幅度大，因此不能用微变等效电路分析法来分析功放电路，而只能用图解法来分折。

（3）任何放大电路的实质都是能量转换，在功率放大电路中不仅要尽可能大的输出功率，同时还希望有可能高的功率转换效率。

（4）由于晶体管工作在极限状态，所以提高输出功率和减小非线性失真是一对主要矛盾。

（5）在实际使用中，功率放大电路的散热问题是不容忽视的。

11.1.2  功率放大器的性能指标

1．输出功率要足够大

如输入信号是某一频率的正弦信号，则输出功率表达式为

                                                 （11.1.1）

式中：I_o、U_o均为有效值。如用振幅值表示，则，，带入上式

                                           （11.1.2）

2．效率要高

放大器实质上是一个能量转换器，它是将电源供给的直流能量转换成交流信号的能量输送给负载，因此，要求转换效率高。为定量反映放大电路效率的高低，引入参数h，它的定义为

                                         （11.1.3）

式中：P_o为信号输出功率，P_E是直流电源向电路提供的功率。在直流电源提供相同直流功率的条件下，输出信号功率愈大，电路的效率愈高。

3．非线性失真要小

为使输出功率大，由式（11.1.2）可知I_om、U_om也应大，故功率放大器采用的三极管均应工作在大信号状态下。由于三极管是非线性器件，在大信号工作状态下，器件本身的非线性问题十分突出，因此，输出信号不可避免地会产生一定的非线性失真。当输入是单一频率的正弦信号时，输出将会存在一定数量的谐波。谐波成分愈大，表明非线性失真愈大，通常用非线性失真系数g表示，它等于谐波总量和基波成分之比。通常情况下，输出功率愈大，非线性失真就愈严重。

11.1.3  功率放大器的几种工作方式

功率放大电路的输出功率、转换效率及非线性失真等性能指标均与放大管的工作状态有关。根据放大管静态工作点Q在特性曲线中的不同位置可分为3种工作状态，如图11-1所示。

1．甲类工作状态

如图11-1（a）中，Q点设置在特性曲线的中点处，在信号的整个周期中，放大管均处于导通状态。

在没有输入信号时，直流电源要提供较大的直流功率，消耗在放大管和电阻元件上，即静态功耗。在有输入信号时，部分直流功率转换为输出功率。在理想情况下，甲类工作状态下的放大电路最高效率为50%。

缺点：由于I_C较大，静态动耗较大，效率较低。

2．乙类工作状态

在图11-1（b）中，Q点设在I_C≈0处，放大管只在输入信号的半个周期内导通，而在另半个周期内截止。此类状态称为乙类工作状态。由于I_C=0，因此乙类工作状态的静态功耗等于零，提高了转换效率。在理想情况下，乙类工作状态下的功率放大电路其效率可达78.5%。为了得到完整的输出波形，功率放大电路应采用互补对称输出。

图11-1  功率放大电路的3种工作方式

3．甲乙类工作状态

在图11-1（c）中，Q点设在较接近I_C=0处。放大管在信号的多半个周期内导通。此类状态称为甲乙类工作状态。由于I_C很小，因此静态功耗及转换效率接近于乙类工作状态。

注意，乙类或甲乙类工作状态的功率放大电路与甲类工作状态的功率放大电路相比，虽提高了效率，但都存在着波形严重失真的问题。这就需要在电路结构中采取相应的措施。