低频功率放大电路.doc

209Error! No text of specified style in document.第9章 低频功率放大电路本章要点l 功放的特点与分类l OCL电路原理与特性分析l OTL电路原理与调试方法l BTL电路组成与原理l VMOS功放的特点与应用本章难点l OCL电路性能指标分析l OTL电路调试方法无论分立元件放大器还是集成放大器，其末级都要接实际负载。一般负载上的信号的电流和电压多要求较大，即负载要求放大器输出较大的功率以便推动如扬声器、电动机之类的功率负载，故称之为功率放大器，简称功放。功率放大电路的主要任务是：放大信号功率。功率放大电路按放大信号频率，可分为低频功率放大电路和高频功率放大电路。前者用于放大音频范围(几十赫兹到几千赫兹)的信号，后者用于放大射频范围(几百千赫兹到几十兆赫兹)的信号。本章仅介绍低频功率放大电路。9.1 功率放大电路概述9.1.1 功率放大电路的特点功率放大器的主要任务是向负载提供较大的信号功率，故功率放大器应具有以下几个主要特点。1. 输出功率要足够大为获得足够大的输出功率，功放管的电压和电流变化范围应很大。如输入信号是某一频率的正弦信号，则输出功率的表达式为 Po =IoUo (9-1)改用振幅值表示，公式9-1又为 Po = IomUom (9-2)2. 效率要高功率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。 (9-3)式中， Po为信号输出功率，PDC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. 非线性失真要小功率放大器是在大信号状态下工作，电压、电流摆动幅度很大，而且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。在实际应用中，要采取措施减少失真，使之满足负载 要求。4. 图解法进行估算由于功放工作在大信号状态，实际上已不属于线性电路的范围，故不能用小信号微变电路的分析方法，通常采用图解法对其输出功率、效率等指标作粗略估算。9.1.2 功率放大器工作状态的分类功率放大电路按放大器中三极管静态工作点设置的不同，可分为甲类、乙类和甲乙类三种，如图9-1所示。甲类功率放大电路的特征是工作点在负载线线性段的中点，在输入信号的整个周期内，晶体管均导通，有电流流过，功放的导通角=360。乙类功率放大电路的特征是工作点设置在截至区，在输入信号的整个周期内，晶体管仅在半个周期内导通，有电流流过，功放的导通角 =180。甲乙类功率放大电路的特征是工作点设置在放大区内，但很接近截至区，管子在大半周期间导通，有电流流过，功放的导通角1800，三极管T1导通，T2截止，T1管的射极电流ie1经+VCC自上而下流过负载电阻，在RL上形成正半周输出电压，uo 0。当输入信号工作在正半周时，由于Ui 0。不难看出，在输入信号ui的一个周期内，即T1、T2管交替工作，流过RL的电流为一完整的正弦波信号。9.2.2 性能分析双电源互补对称电路工作图解分析如图9-3所示。图9-3(a)为T1管导通时的工作情况。图9-3(b)是将T2管的导通特性倒置后与T1特性画在一起，让静态工作点Q重合。形成两管合成曲线，图中交流负载线为一条通过表态工作点的斜率的直线AB。由图9-3可看出输出电流、电压的最大允放变化范围分别为2Icm和2Ucem，Icm和Ucem分别为集电极正弦电流和电压的振幅值。有关性能指标计算如下。图9-3 双电源互补对称电路图解分析1. 输出功率Po (9-4)当考虑饱和压降Uces时，输出的最大电压幅值为 Ucem=Ucc-Uces (9-5)一般情况下输出电压的幅值Ucem总是小于电源电压VCC值，故引入电源利用系数 (9-6)将式9-6代入式9-4得 (9-7)当忽略饱和压降Uces时，即=1，输出功率Pom可按下式估算 (9-8)2. 效率图9-4 集电极电流ic波形 由式9-3可知计算效率应先求出电源供给功率PDC。在乙类互补对称放大电路中，每个晶体管的集电极电流的波形均为半个周期的正弦波形。其波形如图9-4所示，其平均值ID(AV)为 (9-9)因此，直流电源Vcc供给的功率为 (9-10)因考虑是正负两组直流电源，故总的直流电源的供给功率为 (9-11)将式(9-7)、式(9-11)代入式(9-3)是则得 (9-12)当=1时，效率最高，即 (9-13)【例9-1】 在图9-2所示乙类互补对称放大电路中，已知Vcc=12V，RL=8，试求：当输入信号足够大，集电极电压充分运用时的Pom、PDCm、。解 输入信号足够大时，忽略管子饱和压降，输出电压幅值约等于电源电压，由式(9-8)得，最大输出功率为(W)由式(9-11)得，=1时，电源供给最大功率为(W)此时的效率为9.2.3 交越失真的消除实际中晶体管输入特性的门限电压不为零，且电压、电流关系也不是线性关系，在输入电压较低时，输入基极电流很小，故输出电流也很小，因此输出电压在输入电压较小时，存在一小段死区，此段输出电压与输入电压不存在线性关系，产生了失真。由于这种失真出现在通过零值处，故称为交越失真。交越失真波形如图9-5所示。克服交越失真的措施就是避开死区电压区，使每一个晶体管处于微导通状态。输入信号一旦加入，晶体管立即进入线性放大区，而在静态时，虽然每一个晶体管处于微导通状态，由于电路对称，两管静态电流相等，流过负载电流为零，从而消除了交越失真。图9-6是OCL电路设置静态偏置消除交越失真的一种方法。偏置电路主要由二极管D1、D2和电位器RP组成。调节RP可以使三极管T1和T2的基极直流电位之差稍大于两管的死区电压之和，这样每个管子就能得到一个合适的静态偏压。而且二极管的接入还具有温度补偿作用，可以稳定T1、T2管的静态工作点。对于变化信号而言，由于二极管的动态电阻和电位器RP的值很小，可以认为加到T1、T2管基极上的信号电压基本相等，输出信号正负半周仍然对称。 图9-5 交越失真的产生 图9-6 消除交越失真的电路9.2.4 用复合管组成互补对称电路功率放大电路的输出电流一般很大。例如当有效值为12V的输出电压至8的负载上，将有1.5A的有效值电流流过功率管，其振幅值约为2.12A。而一般功率管的电流由放大系数均不大，若设=20，则要求基极推动电流为100mA以上，这样大的电流由前级供给十分困难，为此需要进行电流放大。一般通过复合管来解决此问题。由复合管组成的互补功率放大电路如图9-7所示，图中，要求T3和T4即要互补又要能对称，这对于NPN型和PNP型两种大功率管来说，一般是比较难以实现的(尤其一个是硅管，而另一个是锗管时)。为此最好选T3和T4是同一种型号的管子，通过复合管的接法来实现互补，这样组成的电路称为准互补电路，如图9-8所示，调节图中的Rb和Rc可使T3和T4有一个合适的工作点。 图9-7 复合管互补对称功放 图9-8 准互补对称功放由上所述，复合管不仅解决了大功率管值低的困难，而且也解决了大功率管难以实现互补对称的困难，故在功率放大电路中广泛采用了复合管。9.2.5 OCL电路的应用分析图9-9为OCL准互补对称功率放大电路，它由输入极、中间级、输出极及偏置电路组成。输入极是由T1、T2和T3组成的单端输入、单端输出的共射组态恒流源式差动放大电路，并从T1的集电极处取出输出信号加至中间级。中间级是由T4、V5组成的共射组态放大电路，T5是恒流源，作为T4的有源负载。输出极是由T7、T8、T9、T10组成的准互补对称电路，其中T7、T9为由NPNNPN组成的NPN型复合管；T8、T10为由PNPPNP组成的PNP型复合管，各管电阻Re7、Re8、Re9、Re10的作用是改善温度特性。T6、Re4、Re5组成了Ube倍压电路，为输出极提供所需的静态工作点，以消除交越失真。由R1、D1、D2、T3、T5组成恒流源电路，R1、D1、D2提供基准电流。Rf、C1、Rb2构成交流串联电压负反馈，用来改善整个放大电路的性能。OCL电路最大的优点在于，其低频特性很好，输入输出跟随性好(带负载能力强)，不足之处是需采用双电源供电，这在电路中很不方便。部分常见的低频大功率管主要参数见书后附录。图9-9 OCL互补对称功率放大电路9.3 单电源互补对称电路(OTL电路)图9-2所示互补对称功率放大电路中需要正、负两个电源。但在实际电路中，如收音机、扩音机中，常采用单电源供电。为此，可在输出端接一个大容量的电容器，该电容的充放电时间常数应远大于信号周期，用它来代替一个直流电源。如图9-11所示单电源供电互补对称功率放大电路。这种形式的电路无输出变压器，而有输出耦合电容，简称OTL电路。9.3.1 电路特性单电源互补对称电路的特性如下。l 输出电容起到负电源作用。l 电路的频率响应宽，低频频响主要由输出电容器的容量来决定。l 电路便于加深度负反馈，电路稳定性高。l 电路由阻容元件和晶体管组成，易于集成化。9.3.2 电路原理图9-10 OTL基本电路图9-10所示电路中，管子工作在乙类状态。静态时，因电路对称，两管发射极e点电位为电源电压的一半VCC，负载中没有电流。电容C两端的电压也稳定在VCC，这样两管的集射极之间如同分别加上VCC和VCC的电源电压。 动态时，在输入信号正半周，T1导通，T2截止，T1以射极输出的形式向负载RL提供电流，使得负载RL上得到正半周输出电压，同时对电容C充电；在输入信号负半周，T1截止，T2导通，电容C通过T2、RL放电，T2也以射极输出的形式向负载RL提供电流，负载RL上得到副半周输出电压，电容C这时起到负电源的作用。这样，负载RL上得到一个完整的信号波形。由上可以看出，其工作过程除C代替一组电源外，其工作过程与双电源相同，功率、效率计算也相同，只需将公式中的VCC用VCC代替即可。9.3.3 电路实例图9-11为一典型的OTL功放电路。由运算放大器A组成前置放大电路，T4T7组成互补对称电路，D1、D2、D3提供偏置电压，R11和R1构成电压并联负反馈。静态时，由R4、R5、D1、D2、D3提供偏置电压使T4T7微导通，ie6= ie7，中点电位为，uo=0V。动态时，当输入信号ui为负半周时，集成运放对输入信号进行放大，使互补对称功放基极电位升高，T4、T6导通，T5、T7截止，ie6由上而下流过负载，输出电压uo为正半周。当输入信号ui为正半周时，集成运放对输入信号进行放大，使互补对称功放基极电位降低，T4、T6截止，T5、T7依靠C2上的存储电压导通，ie7由下而上流过负载，输出电压uo为负半周。这样负载上就获得一个完整的正弦电压波形。图9-11 OTL功放电路实例9.3.4 调试方法图9-12是一个典型的复合互补对称OTL功放电路。T1为前置放大级，其发射极电阻R5上加有从放大器输出端经反馈电阻R12和反馈电容C9引入的负反馈，用于改善音质。T2是激励级，其偏流电阻R6不是接电源的负端，而是借到放大器的输出端，这样可以自动稳定放大器的工作点。电阻R11两端的压降供给T3、T4以合适的偏压。T3、T4组成复合管互补输出极。R13、R14一方面使T3、T4维持一定的工作电流，同时又保证T5、T6有合适的静态射基偏压，提高电路稳定性。R15 、R16起电流负反馈作用，使末级工作点更加稳定。图9-12 OTL功率放大电路图9-12所示电路的调试方法如下。调节电阻R1的阻值，调试T1的静态工作电流。调节R6使放大器输出端(K点)的对地电位为，然后通过R11调节复合管的静态电流。但调节R6和调节R11是互相影响的，所以，必须反复调节R6直至满足要求为止。调试时千万注意，切不可断开R11，因为R11一旦断开，有烧坏晶体管的可能。经上述调试后，电路就能正常工作。从信号发生器向OTL放大器送入一个比额定输入信号电压小的正弦波信号，再进一步观察输出波形，并对波形出现的问题进行调整。1. 交越失真大信号输出时波形良好，而小信号输出时出现比较明显的交越失真，这时，调节可变电阻(使R11的有效阻值增大)增加功放管的静态电流即可克服交越失真。2. 输出波形不对称造成输出波形不对称的原因一般有两个。一是激励信号的波形不对称；二是四只输出管特性配合不好。如果原来波形不对称的情况是上半波形比下半波形高。可先将两只输出管T5 和T6 交换位置试一试。如果交换后波形不对称情况下没有变化，仍是上大下小，则说明是激励信号本身不对称。这时，可以在T4的发射极串一只小阻值(一般是几欧到几十欧)的电阻，使输出波形上下对称。如果输出管交换位置后，波形的不对称情况与原来相反，即由原来的上大下小变成上小下大，则说明是输出管特性不配合，应更换输出管。3. 小信号输出波形正常，但大信号输出时有半边波形的顶部变平这是由于激励级T2的电流IC2不合适造成的。这时可以调节电阻R10和可变电阻R6的阻值来克服。但需注意，在调节R6、R10时，不要使放大器的输出端的电位偏离中点电位。9.4 BTL集成功率放大电路BTL功率放大电路又称桥接推挽式放大电路，其主要特点是，在同样电源电压和负载电阻条件下，它可获得比OCL和OTL大几倍的输出功率。9.4.1 BTL功放组成及其工作原理BTL基本电路组成如图9-13所示，四个功放管T1T4组成桥式电路。静态时，电桥平衡四个功放管T1T4组成桥式电路。静态时，电桥平衡，负载RL中为直流电流。动态时，各桥臂功放管轮流导通。当ui0时，T1、T4导通，T2、T3截止，流过负载RL的电流如图9-13中实线所示；当ui0时，T1、T4截止，T2、T3导通，流过负载RL的电流如图9-13中虚线所示。由以上分析可以看出，与OCL电路相比在相同电源下，BTL电路中流过负载RL的电流增大了一倍，理论上BTL电路的最大输出功率是同样电源下OCL电路四倍。实际上获得的输出功率是OCL电路的23倍。图9-13 BTL基本电路9.4.2 集成BTL电路BTL电路有各种不同输出功率和不同电压增益的多种型号的集成电路。本节以TDA1556为例介绍集成BTL电路的应用。TDA1556为2通道BTL电路，可作为立体声扩音机左右两个声道的功放，其闭环增益为26dB。TDA1556内部具有待机、净噪功能以及有短路、电路反向、过电压、过热和扬声器保护等。图9-14为其基本用法电路。查阅手册可知，当VCC=14.4V，RL=4时，若要求总谐波失真为0.1%，则Pom22W。BTL电路的优点是在较低电源电压下，能获得较大的输出功率。但需要注意的是，对于BTL电路，负载的任何一端都不能与公共地线短接，否则会烧坏功放集 成块。图9-14 集成BTL电路基本用法电路9.5 集成功率放大器4100系列简介我国目前已成批生产各种系列单片集成功率放大电器，它是低频功放的发展方向。本节以CD4100系列单片集成功放电路为例进行介绍。CD4100是负载电阻4、电源电压为6V、输出功率为1W的单片式功率放大电路。该电路广泛应用于磁带收录机、收音机和对讲机等输出极中。CD4100的外形与引脚排列图如图9-15所示。CD4100集成功放典型接线图如图9-16所示。图9-15 CD4100引脚示意图图9-16 CD4100典型接线图外部元件的作用如下：RF、CF 与内部电阻组成交流负反馈支路。CB 相位补偿。CC 输出端电容，两端充电电压等于。CD 反馈电容，消除自激振荡。CH 自举电容，使复合管的导通电流不随输出电压的升高而减小。C3、C4 滤除波纹。C2 电源退耦滤波，可消除低频自激。9.6 VMOS功率放大器第4章所介绍的普通MOS场效应管是平面沟道结构，这种结构场效应管的缺点是，导电沟的电阻较大，特性曲线的线性度差，频率特性差，硅片面积利用率低。这使它在许多领域中的应用受到限制。垂直导电MOS功率器件(简称VMOS管)不仅保留了普通MOS管的优点而且实现了短沟道，并设置了高电阻率的漏极漂移区，从而大大提高了器件的耐压能力、电流处理能力和工作频率。目前VMOS管的耐压水平已经提高到1000V，电流处理能力达到200A，工作频率为数百兆赫。9.6.1 功率场效应管(VMOS)简介VMOS场效应管的工作原理与第4章中介绍的N沟道增强型MOS管类似。当栅源电压UGS为负值时，栅极下面的P型区表面(V型外侧)堆积大量的空穴，不能沟通源区和漏区。当栅源电压UGS为正值但比较小时，P形区表面为耗尽区，仍不导电。这时即使加上漏源电压UDS，也不能形成漏极电流ID，VMOS处于截止状态。当正的栅源电压增大到一定数值时，会在栅极下面的P型区表面形成由电子构成的N型反型层，这就是沟通源区和漏区的导电沟道。此时，如果在漏极和源极之间加上电压UDS，就会有漏极电流ID流过，其方向与电子流动方向相反。电子从源极经过N型导电沟道流到 N 漂移区，然后垂直地流到漏极，如图9-17中虚线所示。可见电流不再是沿表面水平方向流动，而是利用V型槽实现了垂直方向流动，故又称为VVMOS结构。图9-17 VVMOS结构示意图VMOS功率场效应管不仅保留了普通MOS管的全部优点，而且还吸引了双极型晶体管的一些优点，因而它具有两者的优点。(1)垂直地安置漏极，充分利用硅片面积，实现了垂直传导漏源电流，可以得到较大的高输出电流。(2)设置了高电阻率的N型漂移区，提高了器件的耐压能力。(3)实现了短沟道，使器件具有良好的线性。(4)工作频率高、开关速度快。(5)热稳定性好，具有温度自动调解能力。9.6.2 功率场效应管(VMOS)电路实例VMOS功率效应管具有接近理想的线性和开关特性，因而应用领域十分广阔。由于它是电压控制器件，输入阻抗很高，输出数安数十安的电流时，只需100nA数量级的驱动电流，直流电流放大系数高达108109。由于VMOS管具有良好的线性，因此在音频功率放大电路中用VMOS管作功率放大器件可以使电路简单，并具有高保真和自保护等优点。下面介绍VMOS管功率放大器应用实例。图9-18 是一个两管4W VMOS音频功率放大器。输入极是由结型场效应管VF1组成的自偏压式共源极放大电路。输入极是用VMOS功率场效应管VF2(型号为VN66AF)组成的单管功率放大电路。RG2和VF2是输出极的偏置电路，其栅源电压由二者分压确定，从输出端经RF和RS1引入极间电压串联负反馈，改善了放大电路的性能。该电路输出端采用变压器偶合，对实际负载进行阻抗变换，以实现阻抗匹配，使功率放大电路向负载输出尽可能大的功率。图9-18 VMOS音频功率放大器图9-18中接在VMOS管栅极和源极之间的稳压二极管(也称齐纳二极管)起输入保护作用，用来限制栅极驱动电压。它可以制作在VMOS管内部，也可以外接。当栅源电压为正值时，其数值不能超过稳压管的击穿电压。当栅源电压为负值时，二极管处于正向偏置，这时栅源电压的大小不会超过PN结的正向压降。9.7 实训 功率放大器的组装与测试1. 实训目的(1)理解功率放大器的组成和工作原理。(2)学会OTL电路和调试及主要性能指标的测试方法。2. 实训器材(1)+5V直流电源 (2)函数信号发生器 (3)双踪示波器 (4)交流毫伏表(5)直流电压表(6)直流毫安表(7)晶体三极管 3DG61(90111) 3DG121(90131) 3DG121(90121) 晶体二极管 2CP1(8)8喇叭1，电阻器、电容若干。3. 实训原理图9-19所示为OTL低频功率放大器。其中由晶体三极管T1组成推动级(也称前置放大级)，T2、T3是一对参数对称的NPN和PNP型晶体三极管，它们组成互补推挽OTL功放电路。由于每一个管子都接成射极输出器形式，因此具有输出电阻低，负载能力强等优点，适合作功率输出极。T1管工作于甲类状态，它的集电极电流IC1由电位器RP1进行调节。IC1的一部分流经电位器RP2及二极管D，给T2、T3提供偏压。调节RP2，可以使T2、T3得到合适的静态电流而工作于甲乙类状态，以克服交越失真。静态时要求输出端中点A的电位，可以通过调节RP1来实现，又由于RP1的一端接在A点，因此在电路中引入交、直流电压并联负反馈，一方面能够稳定放大器的静态工作点，同时也改善了非线性失真。当输入正弦交流信号ui时，经T1放大，倒相后同时作用于T2、T3的基极，ui的负半周使T2管导通(T3管截止)，有电流通过负载RL，同时向电容CO充电，在ui的正半周，T3导通(T2截止)，则已充好电的电容器CO起着电源的作用，通过负载RL放电，这样在RL上就得到完整的正弦波。9-19 OTL低频功率放大器4. 实训内容与步骤(1)静态工作点的测试按图9-19连接实验电路，电源进线中串入直流毫安表，电位器RP2置最小值，RP1置中间位置。接通+5V电源，观察毫安表指示，同时用手触摸输出极管子，若电流过大，或管子温升显著，应立即断开电源检查原因(如RP2开路，电路自激，或输出管性能不好等)。如无异常现象，可开始调试。调节输出端中点电位 调节电位器RP1，用直流电压表测量A点电位，使。 调整输出极静态电流及测试各极静态工作点调节RP2，使T2、T3 管的。从减小交越失真角度而言，应适当加大输出极静态电流，但该电流过大，会使效率降低，所以一般在510mA，左右为宜。由于毫安表是串在电源进线中，因此测得的是整个放大器的电流。但一般T1的集电极电流较小，从而可以把测得的总电流近似当作末级的静态电流。如要准确得到末级静态电流，则可从总电流中减去IC1的值。调整输出极静态电流的另一方法是动态调试法。先使RP2=0。在输入端接入f = 1kHz的正弦信号ui。逐渐加大输入信号的幅度时，输出波形会出现较严重的交越失真(注意:没有饱和和截止失真)，然后缓慢增大RP2，当交越失真刚好消失时，停止调节RP2，恢复 ui =0，此时直流毫安表读数即为输出极静态电流，一般数值也应在510mA左右，如过大，则要检查电路。注意：在调整 RP2 时，一是要注意旋转方向，不要调得过大，更不能开路，以免损坏输出管。输出管静态电流调好，如无特殊情况，不得随意旋动RP2的位置。(2)最大输出功率Pom和效率的测试测量Pom输入端接f=1kHz的正弦信号，输出端用示波器观察输出电压uo波形。逐渐增大ui ,使输出电压达到最大不失真输出，用交流毫安表测出负载RL上的电压uom，则测量当输入电压为最大不失真输出时，读出直流毫安表中的电流值，此电流即为直流电源供给的平均电流ID(AV) (有一定误差)。由此可近似求得PDC=VCCID(AV)，再根据上面测得的Pom，即可求出5. 预习要求(1)复习有关OTL工作原理的内容。(2)交越失真产生