【模电】功率放大电路总结
1.主要特点
功率放大电路（简称功放），主要关注下面四点
1）大输出功率
2）效率更高
3）非线性失真小
4）器件散热
功放和电压放大电路本质上都是能量转换电路。
但两者工作目的不同，电压放大电路主要是为了得到不失真的电压信号，而功放则主要关注失真较小的输出功率。
这也导致两者分析方式的不同，分析电压放大电路主要是用交流小信号模型，分析功放则是利用图解法分析大信号。
2.功放分类
根据器件在一个周期的导通时间，整个周期都有电流流过放大器件的称为甲类放大（即class A），半个周期导通的为乙类（即class B），大于半个周期则称为甲乙类（即class AB）。
下面主要介绍前三种功放的工作特性。
2.1甲类
耦合阻性负载
Pros：
1）结构简单。只需要一个三极管和其他器件就可以工作；
2）线性度好。因为被偏置在输出曲线的最线性区域，所以线性失真小；
3）不受交越失真影响。管子一直处于工作状态，所以乙级和甲乙级存在的交越失真现象不会影响甲级功放。
Cons：
1）效率低到发指。直接耦合阻性负载最高只有25%效率，耦合变压器理论最高也只有50%；
2）使用寿命短。由于器件一直处于导通状态，因此使用寿命不长。
不难分析出导致甲类功放效率低的原因是静态电流。因为无论有没有信号输入，管子一直处于导通状态有电流流过。
耦合变压器
可通过变压器耦合来提高理论效率最高至50%。
如果有信号的时候打开管子，没信号的时候管子关闭，不就可进一步提升效率吗？
下面介绍乙类功放的基本工作原理。
2.2乙类
Pros：
1）静态低功耗。没有信号输入时可以，几乎没有电流不消耗能量；
2）效率高。理论上最高可达78.5%。
Cons：
1）线性度比甲类差；
2）产生交越失真。在Ui小于门坎电压（比如0.6V）时，会出现T1和T2都关闭，负载RL上没有电流的死区时间，这种现象被称为交越失真；
解决交越失真的关键在于如何偏置T1和T2的基区电压，下面介绍甲乙类功放。
2.3甲乙类
2.3.1双电源互补对称电路
最简单的偏置方式是利用二极管在正向导通时产生的固定压降，来给T1和T2提供适当电压偏置，使两管处于微弱导通状态。
但这样有一个弊端是，两个管子基区静态偏置电压不容易调节，所以在这个思路上在做一点改进。
VBE扩大电路只需调节R1/R2，就可以改变两个管子基区的静态偏置电压。
2.3.2单电源互补对称电路
采用单电源也可以实现甲乙类功放，代价是在输出串联一定大小的电容。工作时可基本认为电容对信号短路，等效为Vcc/2的直流电压源。
工作参数计算和甲乙类一样，只需要把之前式中Vcc换成Vcc/2即可。
总结就是甲乙类通过牺牲部分效率来改善线性度，通常认为是一个较好的折衷方案。
2.4对比总结
| 功放种类 | 甲类(A) | 甲乙类(AB) | 乙类(B) |
| 导通角θ | 2π | 2π>θ>π | θ=π |
| 线性度linearity | high | medium | low |
| 效率η | low | medium | high |
3.功率BJT选择
以乙类功放为例，从以下三个角度考虑功率管的选取
1）管子功耗Pcm
Pcm>0.2Pom
2）耐压Vbr
Vbrceo>2Vcc
3）最大承受电流Icm
Icm>Vcc/RL
PS：如果不能忽略饱和压降，则需按照Pcm=Vcc^2/(RL*(pi^2))，计算功率管最大功耗。
4.其他问题
4.1失真分析及解决办法
以一道例题为例说明交越失真，饱和失真和截止失真原因，以及解决方案。
1）交越失真
如前面2.2节所说，这是一种乙类功放工作特点所导致的现象。为了减少交越失真，需要增加VT2和VT3基极压差，可以通过增大R4电阻的方式来增加R4两端压降。
如果调小R3，则为了保证静态输出点，可能还需要进一步调节R2/R1或者R5。相较增加R4不够直接。
2）削峰失真
削峰削的是输出电压波形失真，有两种类型——上削峰失真和下削峰失真。其中上削峰失真对应截止失真，下削峰失真对应饱和失真。
回到题目，出现了削峰失真，说明是VT2和VT3的发射极电压VE2未处于Vcc/2。
如果是上削峰失真（截止失真），则表示VE2高于Vcc/2，输入信号处于负半周时将管子压入截止区，最终导致输出波形的上半部分波形缺失。
为了降低VE2电压，需要增加VT1工作电流IC1，则需要抬高VB1，根据VB1=VE2/(1+R1/R2)
所以应该降低R1/R2。
如果是下削峰失真（饱和失真），则表示VE2小于Vcc/2，输入信号处于正半周时将管子压入饱和区，最终导致输出波形的下半部分波形缺失。
需要提高R1/R2。
4.2功率放大电路组成模块分析
4.2.1例题一
21年Q10
互补推挽式的甲乙类功率放大电路
组成模块：
1）电阻Rb1和Rb2保证输出点的静态工作点；
2）VT5和R1,R2组成的「VBE扩大电路」
利用R2两端压降VBE固定，来给VT1和VT2提供适当直流偏置，克服交越失真；
3）VT1和VT2组成「NPN型达林顿管」，VT2和VT4组成「PNP型达林顿管」
VT1和VT2实现互补输出。
电阻Re1和Rc2分别给VT1的穿透电流Iceo1和VT2的穿透电流Iceo2提供旁通支路，避免全部流入基极而被电流放大管VT3和VT4放大。
电阻Re3和Rc4为防止输出电流过大的保护电阻。
达林顿管补充
因为穿透电流Iceo或Icbo主要由容易受温度影响的少子构成，如果全部被第第二级放大会严重影响达林顿管的热稳定性。
所以需要给穿透电流提供泄放通路，解决方案如上图所示。
1）电阻R1负责给Icbo1提供旁通支路，R2给Iceo1提供旁通支路；
2）二极管D1为达林顿管接感性负载时的续流二极管，防止感性负载回路断开瞬间产生的高压击穿三极管。
4.2.2例题二
《电子技术基础 模拟部分》Q9.4.6
组成模块：
1）VT1和VT2组成的「NPN型达林顿管」构成输入级。恒流源I作为有源负载，提高输入级增益；
2）VT3和R1,R2组成的「VBE扩大电路」，给VT4和VT5提供适当直流偏置，克服交越失真；
3）VT5和VT6组成「PNP型达林顿管」，VT4和VT5实现互补输出。
二极管D1、D2和电阻R3和R4共同作用为电流过载保护。
电流过载保护原理：
以正向电流保护为例，已知
VD1=VBE4+VR3-VR1，VR3=Io*R3
近似认为VR1和VBE4不变，当正向电流Io过大，VR3也增加，使得D1导通，分流T4基极部分输入电流从而达到限制输出电流的目的。
负向电流分析同理。
4.3功率管参数总结
24年Q2
根据上面的结论，易判断出 Pomax=5W。
5.参考资料
1.《电子技术基础 模拟部分》第六版 康华光
2.https://en.wikipedia.org/wiki/Power_amplifier_classes
3.Class B Power Amplifiers
4.https://zhuanlan.zhihu.com/p/476491340
5.一个，两个三极管还不够？达林顿管凑
6.https://www.st.com/resource/en/datasheet/tip102.pdf