第三节音频功率放大器

1、第七节：音频功率放大器一、双管乙类功率放大器的功能和问题如图所示：1、能够双向输出电流当输入信号为零的时候，电路的静态工作电流为零。当输入信号正半周的时候，NPN三极管的基极和发射给处于正向偏置状态而输出正半周的电流。当输入信号负半周的时候，PNP三极管的基极和发射极处于正向偏置状态而输出负半周的电流。2、问题方面：会产生严重的交越失真当输入正半周电压从零开始向正的方向增加的时候，只有当基极电压增加到超过0.6V左右时，NPN三极管的基极与发射极之间才会导通，负载的电压才能开始向正半周跟随变化。当输入负半周从零开始向负的方向增加的时候，只有当基极电压电压变化到超过0.6V左右时，PNP三极管的

2、基极与发射极之间才会导通，负载的电压才能开始向负半周跟随变化。输出电压产生了严重的交越失真，而且这种交越过程不连续的、存在信息缺失的失真是不可修复的。二、双管甲乙类功率放大器的功能和问题 、电路结构如图所示：根据电路结构，Rb1Z1和R2Z2串联回路的b1和b2点分别为三极管A和B的基极提供了一个正向偏置电压。两个使三极管的基极电压处与正常偏置状态。当输入信号电压上下波动时，由于大容量电容C1和C2的作用，使两个三极管基极的正向偏置电压基本保持不变。、运行原理如图所示： a、当输入信号正半周的时候，两个三极管的基极电压在保持一个设定电压差的情况下共同向上变化。由于两个三极管都处于微小导通的状态

3、，不像乙类放大器那样存在一个0.7V左右的截止区。所以输出端立刻就可以随输入信号的上升而上升。也正由于三极管此时处于微小导通的状态，所以输出端电压的上升速率要小于输入信号。随着输入信号的继续上升，三极管A的导通电流越来越大，输出电压的上升速率越来越接近输入信号。三极管B的导通电流越来越小，但不会完全截止。如图中Qb1+和Qb2+的位置。 b、当输入信号负半周的时候，两个三极管的基极电压在保持一个设定电压差的情况下共同向负极变化。与正半周的原理一样，输出端同样立刻就可以随输入信号向负极变化。 同样也由于三极管此时处于微小导通的状态，所以输出端电压向负极变化的速率明显小于输入信号。随着输入信号的继

4、续向负极变化，三极管B的导通电流越来越大，输出电压的向负极变化的速率越来越接近输入信号。三极管A的导通电流越来越小，但不会完全截止（如图B所示）。如图中Qb1-和Qb2-的位置。c、由此可见，NPN和PNP三极管输出电压的交越过程是连续的，输出信号电压在接近零的区域与纯乙类放大器相比不仅交越失真小得多，而且不存在信息的丢失。这种柔性的失真很容易用负反馈的方式予以纠正。d、用负反馈的方式予以纠正该类失真的办法如图所示：晶体管的温度系数问题如图所示： 二极管在正向导通电压一定的前提下，正向导通电流与温度成正比。 反过来，二极管在正向导通电流一定的前提下，正向导通电压与温度成反比。 三极管的电流放大

5、倍数与温度成正比。 这就使三极管的所谓正温度系数。 三极管的输出效率最高只能达到70%，所以电路在运行中，三极管的温度一定会升高。 根据三极管正温度系数的原理: a、在三极管基极正向偏置电压一定的情况下，温度越高，三极管的值就越大，静态工作电流就越大，就会使温度上升得更多。 b、在三极管基极正向偏置电压一定的情况下，温度越高，基极静态偏置电流就越大，集电极静态偏置电流随也就越大，又会使温度上升得更多。 c、前两个因素共同使三极管的温度上升得更多，而上升得更多的温度，又使三极管的B值更严重的增大、基极静态偏置电流以及集电极静态偏置电流也更严重的增大，从而进一步使三极管的温度更加严重的上升。如此恶

6、性循环，很快就会将三极管烧毁。音频功率放大器所带动的扬声器的阻抗10欧姆，所以音频功率放大器最首先要解决的是三极管的正温度系数问题。第三节、温度负反馈工作原理如图所示： 将功率三极管与温度补偿二极管在工艺上组合成顺利的热传导结构。 如图B所示：在理想热传导的条件下，当功率三极管温度上升的时候，热量也传导至温度补偿二极管。功率三极管的静态偏置电流因温度的升高而升高，因为功率三极管的基极和发射极的PN节与温度补偿二极管具有同样的性质，所以也具有同样的温度系数。因此温度补偿二极管的正向导通电压因为温度的升高而而得到同等系数的降低。从而使功率三极管基极的静态偏置电压因温度的升高而得到同等系数的降低，最

7、终使功率三极管的静态工作电流回到不变的水平。然而，现实的条件总是不理想的，这种不理想使该电路存在的问题有：1、根据热学原理，热传导系统总是存在热阻的。功率三极管集电极的发热点与温度补偿二极管之间存在着温度梯度；也就是在发热过程中，温度补偿二极管的温度总是低于三极管的集电极发热点。在降热过程中，温度补偿二极管的温度总是高于三极管的集电极发热点。所以在放热过程中，温度补偿二极管并不能及时足量地对功率三极管的基极偏置电压进行恰到好处地反向补偿。 2、大功率三极管B值只有100左右，假设该电路输出1A的电流，基极就必须得到10mA的输入电流。这是能够胜任音频功率放大器推动级工作的大部分运算放大器所难以

8、胜任的负载能力。 解决问题的方案如图所示： 1、功率三极管采用复合管结构，使复合管的总体B值等于两个三极管值的乘积。从而使推动级运算放大器的输出电流负载能力减轻两个数量级。 2、功率三极管采用复合管的结构时候，复合管的基极与发射极正向电压增加了一倍。温度补偿二极管也改为两个二极管向串联的结构，使偏置电压与复合管的参数相适应。 3、复合管的前一级三极管与功率三极管没有热传导关系，因此基本不受功率三极管的温度影响。 4、功率三极管与两个温度补偿二极管一起在工艺上组成热传导结构。因此功率三极管在发热的时候，能同时使两个温度补偿二极管受热。虽然在发热阶段，温度补偿二极管温度的升高滞后于功率三极管，但两

9、个二极管因温度升高而降低的正向导通电压的差值之和却大于一个功率三极管的基极电压所降低的电压差。如图所示：从而使功率三极管的静态工作电流随着温度的升高反而会略有下降。由此可见，这样的电路结构，能够使功率输出电路在整体上具有一个比较小的负温度系数。从而保护功率三极管在大功率和大热量运行的条件下不被烧毁。第四节、音频功率输出部分电路具体方案如图所示： a、推动级运算放大器与功率输出电流组成了一个完整的深度负反馈体系。在输出电压有交越失真的区域内，相当于功率输出级的电压传输系数偏小。 b、设输入信号为小信号正半周，推动级运算放大器的是反相输入端电压而升高，输出电压因此而下降；功率输出端的电压也因此而下

10、降。尽管功率输出级此时的电压传输系数偏小，但运算放大器推动级输出端必须使功率输出端的电压达到UL=R2/R1才能使自己反相输入端的电压等于同相输入端的电压。由此可见，功率输出级虽然存在不大的交越失真，但在深度负反馈的作用下，被得到精确纠正而符合高保真的要求。c、正向偏置恒压电容的作用 假设输入正半周信号接近电源电压的时候，偏置电阻Rb1上的电压就会变得很小；甚至有可能等于零，此时IRb1也就会变得很小；甚至有可能等于零。这种情况下，提供偏置电压的二极管就不可能可靠的具有合适的正向导通电压，电路就难以正常工作。 如果设置容量足够大的正向偏置恒压电容，在输入信号波动的时候，电容两端的电压则因为储存

11、电荷的能力而基本保持不变。从而使偏置电阻Rb上的电压即使降到零的时候，电容所贮存的电荷也能保证提供偏置电压的二极管为是合适的正向导通偏置电压。偏置恒压电容的容量与功率输出器的输入阻抗之间的数量关系还决定了功率输出级的低频截止频率。 3、电路参数 a、功率放大器输出级的输入阻抗等于输入偏置电阻的并联值；与复合管组成的设计输出线的输入阻抗的并联。如图所示：输入偏置电阻的并联值很容易计算 b、复合管设计输出器的输入阻抗Zi=B1B2RL，约等于100*100*8欧姆=80K欧姆输出器的输出阻抗与输出级输出电流的瞬时值有关，在小信号输出状态下，输出阻抗等于功率三极管发射极静态偏置电流下的二级管导通动态

12、阻抗，加上功率三极管积极之前电路系统的等效阻抗之和。第五节、音频功率放大器的系统设计 1、负载参数和性质的确定 2、最大输出功率的确定a、最大输出电压的确定 因为三极管必须工作在大于保和电压的线性放大区，所以功率放大器的最大输出电压等于电源电压减去复合管的饱和电压 ULm=E-Uccb、最大输出电流由两个因素决定 第一个因素是最大输出电压与负载阻抗的关系，由欧姆定律决定。 第二个因素是功率三极管的电气特性，它有无欧姆定律所决定的最大输出电流的能力。 c、最大输出电压和最大输出电流决定了最大的输出功率W=UmIm/2。d、功率输出级的最大输出电压决定了推动级运算放大器的最大电源工作电压必须大于功