音频功率放大器设计.ppt

第二章 音频功率放大器设计,第一节,第三节,第二节,各类放大电路,集成功率放大器,概述,第四节,功率放大器设计,例： 扩音系统,功率放大器的作用： 用作放大电路的输出级，以驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、 仪表指针偏转等。,2.1概 述,功率放大器的种类,目前，功率放大器已经有了很多种形式。 （一）按耦合方式分，有两大类， 1、变压器耦合功放 ：（1）变压器耦合单管甲类功放 （2）变压器耦合乙类推挽功放 2、无变压器耦合功放 ：（1）OTL功放 （2）OCL功放 （3）DC（直流）功放 （4）超甲类功放 （二）按工作状态分，有 1、甲类：在输入正弦波电压信号的整个周期中，管子都导通的一种工作状态。设正弦波周期为T，管子导通时间为t，则甲类工作时，tT。,功率放大器的种类,2、乙类：tT/2，管子只导通半个周期，另半个周期截止。 3、甲乙类：T/2 tT ，管子导通时间大于半个周期，截止时间小于半个周期。 4、丙类：tT/2，管子的导通时间小于半个周期，大部分时间截止。 5、丁类：又称开关型功放，管子工作于开关状态，即“饱和导通完全截止”两个极端状态。 6、超甲类：是对甲乙类的改进，即甲乙类工作状态时有一小段截止状态，而在超甲类时，这一小段时间中管子仍维持小电流导通状态。,（2） 晶体管在极限条件下工作: ICM 、UCEM 、 PCM 。,（1）输出功率Po尽可能大,功率放大电路的要求,(3) 电流、电压信号比较大，注意减小波形失真,(4) 注意提高电路的效率（）。,Pomax : 负载上得到的交流信号功率。 PE ： 电源提供的直流功率。,（5）功放管散热和保护问题,功放电路与普通放大电路的比较,1.共同点：都是能量转换电路，把直流能量转换为交变能量。 2.不同点： (1)普通放大电路：要求负载得到不失真电压信号，不要求输出功率；电路工作在小信号状态，研究的问题是电压放大倍数、输入和输出电阻、带宽等。 (2)功率放大电路：要求负载得到一定的不失真或失真较小的输出功率；电路工作在大信号状，研究的问题是提高输出功率和效率。,功放电路研究的主要问题,要求输出功率尽可能大：要求输出电流和电压都大，管子运行在极限状态。 电路效率要高：效率是指负载得到的有用信号功率与电源供给的直流功率之比，比值越大效率越高。 非线性失真尽可能小：功率与失真是一对矛盾，一般输出功率越大失真越严重。 半导体的散热问题：功放电路中很大一部分功率被集电结消耗掉，使结温上升，为充分利用允许的管耗输出足够大的功率，散热非常重要。 功放管的保护问题：为输出足够大的功率，管子承受的电压很高，通过的电流很大，管子较容易损坏。,二. 甲类功率放大器分析,1.三极管的静态功耗：,若,电源提供的平均功耗：,则,2.动态功耗,（当输入信号Ui时）,输出功率:,要想PO大，就要使功率三角形的面积大，即必须使Vom 和Iom 都要大。,最大输出功率:,电源提供的功率,此电路的最高效率,甲类功率放大器存在的缺点：,输出功率小 静态功率大，效率低,三. BJT的几种工作状态,甲类：Q点适中，在正弦信号的整个周期内均有电流流过BJT。,甲乙类：介于两者之间，导通角大于180,动画演示,乙类：静态电流为0，BJT只在正弦信号的半个周期内均导通。,晶体管的三种工作状态：,要提高效率就要减小直流静态电流，让功率放大电路工作在乙类状态。,上页,下页,返回,翻页,第二章 音频功率放大器设计,第一节,第三节,第二节,集成功率放大器,概述,第四节,功率放大器设计,各类放大电路,2.2 互补对称电路,T1、T2：参数互补对称，称为互补对称电路。VI=0 时 VO=0。,T1和T2分别组成射极输出器,VI0 时 T1 导通T2截至的等效电路 。,T1和T2分别组成射极输出器,VI0 时 T1 截至T2导通的等效电路,2.2 互补对称电路,2. 2 .1双电源互补对称电路（OCL),1.OCL电路,上页,下页,电路组成,返回,翻页,静态功率如何,功率计算,Uom 最大可达到 UCC ，,上页,下页,返回,翻页,4.功率管选择：PCMAX0.2POM,OCL乙类功率放大电路,OCL甲乙类功率放大电路,利用二极管提供偏置电压,工作在乙类状态的放大电路，当输入信号很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不导电。因此在正、负半周交接处产生波形的非线性失真，称为交越失真。,可给三极管稍稍加一点偏置，使两管均处微导通状态，使之工作在甲乙类,OCL甲乙类功率放大电路,利用二极管提供偏置电压,利用三极管恒压源提供偏置,如图所示运算放大器电流扩展电路，可将输出电流扩展到安培级。若负载阻抗为8,依图结构设计电路，要求放大器输入电阻为1K ，放大倍数为100，输出电流0.5A。,运放与单元组合电路的分析,集成运放驱动的OCL电路：,实用的OCL甲乙类功率放大电路,实际功放:,甲乙类准互补对称OCL电路,电路组成与工作原理,2. 2.2单电源互补对称电路（OTL电路）,上页,下页,返回,翻页,静态直流偏置,OTL乙类功率放大电路,单电源互补功率放大电路如图所示。当电路对称时，输出端的静态电位等于VCC /2。为了使负载上仅获得交流信号，用一个电容器串联在负载与输出端之间。这种功率放大电路也称为OTL互补功率放大电路。,OTL甲乙类功率放大电路,1、基本原理,. 单电源供电；,. 输出加有大电容。,（1）静态偏置,甲乙类单电源互补对称电路,调整RW阻值的大小，可使,此时电容上电压,（2）动态分析,（电容起到了负电源的作用）,Ui负半周时， T1导通、T2截止；,Ui正半周时， T1截止、T2导通。,动画演示,（3）输出功率及效率,若忽略交越失真的影响。则：,此电路存在的问题：,输出电压正方向变化的幅度受到限制，达不到VCC/2。,2. 带自举电路的单电源功放,静态时,C1充电后，其两端有一固定电压,动态时,由于C1很大，两端电压基本不变，使C1上端电位随输出电压升高而升高。保证输出幅度达到VCC/2。,C1、R7为自举电路,OTL功率放大器电路,实用电路,上页,下页,返回,翻页,总结：互补对称功放的类型,第二章 音频功率放大器设计,第一节,第三节,第二节,概述,第四节,功率放大器设计,各类放大电路,集成功率放大器,集成功率放大电路大多工作在音频范围， 除具有可靠性高、 使用方便、 性能好、 重量轻、 造价低等集成电路的一般特点外， 还具有功耗小、 非线性失真小和温度稳定性好等优点。并且集成功率放大器内部的各种过流、 过压、 过热保护齐全， 其中很多新型功率放大器具有通用模块化的特点， 被称之为“傻瓜”型的集成功放， 使用更加方便安全。 集成功率放大器是模拟集成电路的一个重要组成部分， 广泛应用于各种电子电气设备中。,3 集成功率放大器,上页,下页,返回,3 集成功率放大器,TDA2030集成音频功率放大器,翻页,集成功放应用简介 1SHM1150型集成功率放大器 SHM1150型集成功率放大器是由双极型三极管和单极型VMOS管组成的功率放大器， 图6-13（a）为SHM1150型集成功率放大器的内部简化原理图。 其中输出级采用的是功率VMOSFET管， 可以提供较大的功率输出。 和双极型功率管相比， 功率VMOS管具有很多优点， 比如耐压可高达1000 V以上， 最大连续电流可达200 A。 并且由于VMOS管的输入电阻极高， 需要的驱动电流非常小， 因此可以达到很高的功率放大倍数。,SHM1150型集成功率放大器 （a） 内部简化电路; （b） 外部接线图,从图（a）可以看出， 输入级由V1、 V2组成带恒流源的差动输入级， 为单入双出形式， 第二级由PNP管V4、 V5组成双入单出的差动电路。 由于V4、 V5的输入信号分别来自V1、 V2的集电极信号uC1和uC2， 是大小相等、 方向相反的一对差模信号， 所以V4、 V5完成了将输入级的双端输出信号转换成单端输出信号的功能， 并由V5集电极输出， 提供给输出级。 V5、 V6及R9、 R10构成了可调偏置电压电路， 用来使功率输出管工作于甲乙类状态， 消除交越失真。输出级为准互补对称功率输出级， V7和V9 组成复合NPN管， V8和V10组成复合PNP管。,由于输出管是功率VMOS管， 因此使本电路的输出功率大大增强。 负反馈支路由R4和R2 组成， 构成级间的电压串联负反馈， 起到稳定整个电路的静态工作点和放大倍数的作用。 电容C为相位补偿电容， 以消除自激。 恒流源I1为输入级提供稳定的静态工作点， 并增强了电路抑制漂移的能力， I2 是V4、 V5的有源负载。 SHM1150接上电源即可作为双电源互补对称电路直接使用， 如图（b）所示。 该电路可在（1250