功率输出放大电路

5．1．3　功率输出放大电路

为驱动伺服电机、光线示波器中的动圈、力矩马达等负载，仪器必须提供功率输出。功率输出时负载电流均远远超过电压输出时的负载电流，因此必须采用功率放大器以提供足够的输出功率。

目前，功率放大电路大多采用晶体管电路。功率放大级与前置电压放大级间的耦合，除采用有输出变压器的变压器耦合推挽式功率放大外，目前都趋向于无输出变压器的直接耦合方式。功率输出级则采用由一对射极跟随器组成的互补型放大器［见图5．16（a）］。为提高线性度，推挽功率放大电路常给晶体管零输出电流；而互补型放大器则无零输出电流，有信号输入时，两管交替导通实现对信号的放大。

图5．16　互补型放大器和达林顿复合管电路

作为功率输出级使用的三极管，其耐压、最大允许电流和耗散功率要求都较高。由于功放级负载电流往往很大（数十安甚至数百安），故当仅用单个晶体三极管难以满足时，可按达林顿提出的方法将两个三极管按图5．16（b）所示方式复合在一起，此时有：

式中：β₁、β₂分别为三极管VT1和VT2的电流放大系数。

根据不同的控制要求，功率放大器可分为电压反馈型和电流反馈型。直流伺服电机采用前者，力矩马达及直流比例电磁铁采用后者。

（1）电压反馈型功率放大器

直流伺服电机的转速是通过对其电枢绕组的电压控制来实现的，因此采用带输出电压负反馈的功率放大器，如图5．17所示。

由于电压负反馈的存在，该放大器的输出阻抗可以减小到无反馈时的，其中A₀为放大器A的开环增益，F₀为反馈增益。

图5．17　电压反馈型功率放大器电路

图5．18　带电流负反馈的功率放大器电路

（2）电流反馈型功率放大器

对动圈式和动铁式力矩马达，负载线圈的电感一般较大，如采用上述电压负反馈方式放大器，则其与负载组成的回路的时间常数变得不可忽略，这个时间常数会降低力矩马达的响应频率。为此，采用电流反馈型功率放大器，使负载中的电流与放大器的输入电压成正比，而时间常数变得几乎为0。

图5．18是带电流负反馈的功率放大器电路，图中R＊为反馈电流采样电阻，R_C、L_C分别为负载电阻、电感，R₀为放大器输出端内阻。放大器工作时，对称互补三极管轮流工作，电流由＋V_S、经VT1、R₀、负载R_C、L_C和采样电阻R^＊到参考地；或由地经R^＊、R_C，、L_C、R₀、VT2到－V_S，推动负载工作。与此同时，流过R＊的电流形成的压降V_R＊被R_f反馈到集成运放A的负输入端。由于V_R＊＝i_R＊R^＊，故根据集成运放反相工作的原理，V_R＊＝－V_iR_f／R₁，故有：

因集成运放输入端阻抗很大，且R₁和R_f均远大于R^＊，故忽略i_Rf的影响，则i_R＊≈i_C，式（5．35）变为：

式中：i_C为负载电流。

式（5．36）表明，此种放大器的负载电流i_C与输入电压V_i成正比，消除了由原负载电阻R_C、电感L_C和放大器内阻R₀组成的时间常数的影响。

图5．18中，二极管VD1、VD2、VD3用于消除晶体管放大电路的交越失真，从而改善电路的线性度。可以证明，此时时间常数为，因A₀，R₁均很大，故T′《T。