低频功率放大器(课件)

LMMa 1 4 1概述4 2功率放大器的组成和工作特性4 3互补推挽功率放大器4 4功率放大器的保护电路4 5其它形式的功放电路 第四章 低频功率放大器 返回主目录 LMMa 2 在多路放大电路末级 集成功率放大器 集成运算放大器等模拟集成电路的输出级 往往要求有较高的输出功率或要求具有较大的输出动态范围以驱动下一级负载 如音箱等 4 1 概述 这类主要用于向负载提供功率的放大电路称为功率放大电路 LMMa 3 4 1 1功率放大器的主要指标 1 输出功率Po 功率放大器应在输出不失真的情况下给出最大的交流输出功率Po以推动负载工作 为此 功放管一般工作在大信号状态 以不超过管子的极限参数 ICM BVCEO PCM 为限度 这就使功放管安全工作成为功率放大器的重要问题 LMMa 4 2 效率 功率放大器的效率定义为功率放大器的输出信号功率Po直流电源供给功率放大器功率PE之比 用 表示 即 功率放大器要求高效率地工作 一方面是为了提高输出功率 另一方面是为了降低管耗 直流电源供给的功率除了一部分变成有用的信号功率以外 剩余部分变成晶体管的管耗PC PC PE Po 管耗过大将使功率管发热损坏 所以 对于功率放大器 提高效率也是一个重要问题 LMMa 5 3 非线性失真 功率放大器为了获得足够大的输出功率 需要大信号激励 从而使信号动态范围往往超出晶体管的线性区域 导致输出信号失真 因此减小非线性失真 成为功率放大器的又一个重要问题 概括起来说 要求功率放大器在保证晶体管安全运用的情况下 获得尽可能大的输出功率 尽可能高的效率和尽可能小的非线性失真 LMMa 6 由于功率放大电路的输出电压和输出电流都很大 信号作用的范围进入了晶体管特性的非线性区 所以在分析时不可再用微变等效电路 而应采用图解法 LMMa 7 4 1 2 功率放大器的分类 放大电路按三极管在一个信号周期内导通时间的不同 可分为甲类 乙类以及甲乙类放大 功率放大电路类型很多 目前电子电路中广泛采用乙类 或者甲乙类 互补对称功率放大电路 LMMa 8 在一个周期内 管子只有半个周期有电流流通的 称为乙类放大 在整个输入信号周期内 管子都有电流流通的 称为甲类放大 若一个周期内有半个多周期内有电流流通 则称为甲乙类放大 图4 1放大器工作状态的类型 a 甲类 b 乙类 c 甲乙类 d 丙类 若一个周期内有小于半个多周期内有电流流通 则称为丙类放大 LMMa 9 甲类放大的优点是波形失真小 但由于静态工作点电流大 故管耗大 放大电路效率低 所以它主要用于小功率放大电路中 乙类与甲类放大由于管耗小 放大电路效率高 在功率放大电路获得广泛应用 由于乙类与甲乙类放大输出波形失真严重 所以在实际电路中均采用两管轮流导通的推挽电路来减少失真 前面所讨论的放大电路主要用于增大电压幅度 通常称为电压放大电路 一般输入 输出信号幅度都比较小 故均采用甲类放大 LMMa 10 4 2 1乙类推挽功率放大器的工作原理4 2 2乙类推挽功率放大器的分析计算4 2 3乙类推挽功率放大器的非线性失真 4 2互补推挽功率放大器 LMMa 11 电路和工作原理 OCL OutputCapacitorLess 无输出电容 互补对称式功率放大电路 简称OCL电路 如图所示 4 2 1 乙类双电源互补对称功率放大电路OCL互补对称式功率放大电路 OCL电路 OCL电路 LMMa 12 静态 即ui 0时 由于两管特性对称 供电电源对称 两管射极电位UE 0 V1 V2均截止 电路中无功率损耗 此时电路不消耗功率 两个三极管的静态电流均为0 这种只在信号半个周期内导通的工作状态称为乙类工作状态 动态时 忽略发射结死区电压 在ui的正半周内 V1导通 V2截止 V1以射极输出器的形式将正方向的信号变化传递给负载 电流方向如图中实线箭头所示 工作原理 LMMa 13 由于V1 V2管轮流导通 相互补足对方缺少的半个周期 RL上仍得到与输入信号波形相接近的电流和电压 故称这种电路为乙类互补对称放大电路 又因为静态时公共发射极电位为零 不必采用电容耦合 故又简称OTL电路 在正半周期 V1导通 V2截止最大输出电压幅度受V1管饱和的限制 约为 UCC 在负半周期 V2导通 V1截止 V2以射极输出器的形式将负方向的信号变化传递给负载 电流方向如图中虚线箭头所示 最大输出电压幅度受V2管饱和的限制 约为 UCC LMMa 14 b OCL电路的工作波形 LMMa 15 在如图电路中 尽管两只三极管都只在半个周期内导通 工作在乙类状态 但它们交替工作 使负载得到完整的信号波形 这种形式称为 互补 射极输出器输出电阻很低 所以 互补对称放大电路具有较强的负载能力 即它能向负载提供较大的功率 实现功率放大作用 所以又把这种电路称为乙类互补对称功率放大电路 LMMa 16 该电路的特点是 电路简单 效率高 低频响应好 易集成化 缺点是 电路输出的波形在信号过零的附近产生失真 见图 b 由于三极管输入特性存在死区 在输入信号的电压低于导通电压期间 0 7V 0 7V V1和V2都截止 输出电压为零 出现了两只三极管交替波形衔接不好的现象 故出现了图 b 中的失真 这种失真称为 交越失真 2 输出功率和效率 在OCL电路中 每只三极管集电极静态电流为零 因而该电路效率高 LMMa 17 1 输出功率Po 当输入正弦信号时 每只三极管只在半周期内工作 忽略交越失真 并设三极管饱和压降UCES 0 在Uom UCC时输出电压幅度最大 最大交流输出功率为 式中 Iom为集电极交流分量电流最大值 Uom为三极管c e极间交流电压最大值 其中 LMMa 18 2 每个直流电源提供的功率 两个直流电源提供的总功率 LMMa 19 3 效率 OCL电路的效率为 其中 Po为电路输出功率 PDC为直流电源提供的功率 OCL电路最高效率为 LMMa 20 4 管耗 直流电源送入电路的功率 一部分转化为输出功率 另一部分则损耗在三极管中 LMMa 21 3 乙类互补对称功率放大器的非线性失真 1 乙类互补对称功放电路对偶次谐波的抑制 在推挽放大器中 若两管的特性完全一致 那么它们的电流 电压波形完全对称 这样 iC1 iC2可分别写成 iC2 I0 Icm1cos 1t 1 Icm2cos 2 1t 2 2 Icmncos n 1t n iC1 I0 Icm1cos 1t 1 Icm2cos 2 1t 2 Icmncos n 1t n LMMa 22 iL iC1 iC2 2Icm1cos 1t 1 2Icm3cos 3 1t 3 可见输出电流 或电压 中没有偶次谐波成分 即推挽电路可以抑制偶次谐波 实际上由于两管特性的差异及电路的不完全对称 输出电流 或电压 中总会有些偶次谐波成分 这就要求尽量精选配对管子 减小非线性失真 LMMa 23 在乙类互补对称放大器中 由于V1 V2管没有基极偏流 静态时 当输出信号小于晶体管的死区电压时 管子仍处于截止状态 因此 在输入信号的一个周期内 V1 V2轮流导通时形成的基极电流波形在过零点附近一个区域内出现失真 从而使输出电流和电压出现同样的失真 这种失真称为 交越失真 如下图 LMMa 24 乙类互补对称功率放大电路的交越失真 LMMa 25 为了消除交越失真 可分别给两个晶体管的发射结加很小的正偏压 是两管在静态时均处于微导通状态 两管轮流导通时 交替得比较平滑 从而减小了交越失真 但此时管子已工作在甲乙类放大状态 实际电路中 静态电流通常取得很小 所以这种电路仍可以用乙类互补对称电路的有关公式近似估算输出功率和效率等指标 4 2 2 甲乙类互补对称功率放大电路 LMMa 26 Vcc VEE V1 V2 R3 V4 R1 R2 R4 b 利用放大电路进行偏置的电路 甲乙类互补对称功率放大电路如下图 RL 利用二极管进行偏置的电路 Vcc VEE V1 V2 VD1 V3 RC3 a VD2 Re3 ui RL LMMa 27 当ui为负半周期时 经V3倒相加在V1和V2的基极 使V1导通 V2截止 电流经C流向RL 同时对电容C进行充电 工作原理 LMMa 28 当ui为正半周期时 经V3倒相加在V1和V2的基极 使V 导通 V 截止 电流经C流向V2 电容C充当电源对V2进行放电 电容C要足够大 使电容的充放时间远大于ui的周期 这样在ui周期变化的过程中 uc基本不变 从而使负载RL上获得稳定的交流电 LMMa 29 由图可以看出 在相同激励信号作用下 丙类功放集电极电流的流通时间最短 一个周期平均功耗最低 而甲类功放的功耗最高 分析表明 相同输入信号下如果维持输出功率不变 4类功放的效率满足 甲 甲乙 乙 丙 理想情况下 甲类功放的最高效率为50 乙类功放的最高效率为78 5 丙类功放的最高效率可达85 90 但丙类功放要求特殊形式的负载 不适用于低频 低频功率放大器只使用前3种工作状态 LMMa 30 4 3 1功放管的管耗与散热 4 3 2保护电路 4 3功率放大器的保护电路 LMMa 31 4 3功率放大器的保护电路 4 3 1功放管的管耗与散热功放管的管耗是通过热传导的形式以散热的方式消耗掉的 所谓热传导 是指热能从高温点向低温点传送的现象 为衡量媒质导热能力的强弱 引入热阻的概念 一般地 若A B两点的温度分别为TA T 其间导热材料的热阻为RT 则A B两点间传送的热功率P与TA TB RT之间 有如下关系 LMMa 32 式中 P为热功率 单位为W RT为热阻 单位为 C W 具体到功放电路中 当功放管在环境温度Ta下工作时 由于集电极消耗的功率 即管耗PC 转换为热能 使结温升高为Tj Tj Ta 显然 可见 当Ta RT一定时 功放管的最高结温Tjmax对应着集电极最大允许功耗PCM 式中 Tjmax取决于管子的半导体材料 锗管的Tjmax约为75 100 硅管约为 175 200 LMMa 33 一般来说 环境温度越高 其允许最大的集电极功耗越小 手册上给出的PCM是在环境温度为25 条件下得到的 在设计功放电路时 为了安全工作起见 常取最高环境温度下的集电极最大允许功耗PCM Tamax 的90 作为功耗的极限值 即 对于大功率晶体管一般需要加散热板以改善散热条件 减小热阻 从而提高PCM PC 0 9PCM Tamax LMMa 34 4 3 2保护电路从前面的讨论中可以看出 管耗PC过大将导致功放管损坏 限制管耗即可有效地保护功放管 限制管耗的常用方法是限制流过功效管集电极的电流 即输出电流Io 基于这一思路 功放保护电路的常见形式如图所示 图中所示电路中采用二极管输出限流保护电路 VD3 VD4是附加的限流二极管 正常情况下 VD3 VD4不起作用 LMMa 35 输出级保护电路 a 二极管保护 b 三极管保护 U i E C V 1 U o V D 2 V D 1 R R L R e3 E E b V 3 V 4 V 2 R e2 I o V 5 U i E C V 1 U o V D 2 V D 1 V D 4 V D 3 R 1 V 3 R L R e2 R e3 E E a V 2 LMMa 36 如果正向电流过大 则RE2上的压降增大 使VD3正向偏置 由截止变为导通 从而分去V2的一部分基极电流 使输出电流减小 最大输出电流约为 如果设UD3 0 6V RE2 10 则Iomax 60mA 由于UD3 0 6V 具有负的温度系数 因此当环境温度升高时 二极管的正向电压降低 从而使输出电流的最大值也相应减小 这也有利于控制功放管的结温不致于升高 如果负向电流过大 则VD4导通 其保护原理不再赘述 LMMa 37 4 4 1单电源供电的互补推挽电路 4 4 2准互补推挽功率放大器 4 4 3桥式平衡功率放大器 4 4 4场效应管功率放大器 4 4 5具有输出自举作用的功放电路 4 4 6集成功放电路 4 4其它形式的功放电路 LMMa 38 4 4其他形式的功放电路 4 4 1单电源供电的互补推挽电路双电源互补推挽电路有时使用不便 因此提出单电源供电的互补推挽电路 如图所示 V1组成激励级 工作在甲类放大状态 V2 V3组成互补推挽功放级 输出端通过大电容C2与负载RL相接 由V1的静态电流在电阻R4两端产生的电压UBB 为 2 V3提供正向偏置电压 以消除交越失真 LMMa 39 OTL电路 U i R 1 E C R 2 R 3 R 4 B B C 3 U E V 1 V 2 V 3 C 2 i c 2 i c 3 R L C 1 LMMa 40 C3用来旁路R4 使加到V2 V3基极的激励信号电压相等 调整激励级V1的静态工作点 改变电阻R1 使B点电位UB约等于EC 2 0 7V 则UE EC 2 由于C2容量很大 大于200 F 其充放电时间常数远大于信号的半个周期 所以在两管轮流导通时 电容器两端电压基本不变 恒等于EC 2 因此V2和V3两管的等效电源电压为EC 2 这与乙类互补对称放大电路正负两组电源供电情况是相同的 上图所示的推挽电路的输出功率 效率 功耗等的计算方法与乙类互补对称放大电路的也完全相同 只需用EC 2取代公式中的EC即可 上图所示电路又称为OTL OutputTrantsformerLess 电路 LMMa 41 4 4 2准互补推挽功率放大器 图 a 为两只NPN管等效一只NPN管 这种复合接法称为达林顿接法 图 b 中V1为PNP管 V2为NPN管 二者等效一只PNP管 可见 复合管的类型取决于第一个晶体管的类型 在构成复合管时应保证两管的基极电流能流通 而且第一管的集电结不能和第二管的发射结接在一起 以免集电结电压受发射结电压的钳制 1 复合管的构成 LMMa 42 复合管的两种形式图 LMMa 43 准互补OTL电路 U i R E 2 C R L V 2 V D 2 V D 1 V 4 R B1 R 1 V 3 E C U o R E 1 V 5 V 1 如图所示是一准互补OTL电路 图中V1 V3等效为NPN管 V2 V4等效为PNP管 V3 V4是同类晶体管 不具互补性 互补作用是靠V1 V2实现的 这毕竟和完全互补不同 故称为准互补 2 准互补推挽电路 LMMa 44 4 4 3桥式平衡功率放大器对于便携式的设备 如收音机 录音机等 其功率放大器通常采用单电源供电的OTL电路 为了获得足够大的输出功率 应提高电源电压 这需要携带较多的电池 增加了重量 因此 对这类设备 输出功率与电源电压成为突出矛盾 为此 人们研究出了低电压下能输出大功率的电路 平衡式无变压器电路 又称BTL BalancedTransformerLess 电路或桥式平衡电路 前面分析过的OCL或OTL中 推挽输出的两只大功率管有一个共同点 即V1在 推 时 V2在 休息 V2在 挽 时 V1在 休息 LMMa 45 也就是说 推 和 挽 不是同时进行的 它们只是在不同的半周里互相 补齐 信号 可以设想 若V1在扬声器一端 推 时 V4在扬声器的另一端 挽 在V2 挽 时 V3 推 则输出情况将大大改观 这就是BTL电路设计的出发点 如图所示为桥式平衡功率放大器的原理电路 它由4只管子组成 静态时 RL上无电流流过 当输入信号Ui为正半周时 V1 V4导通 若忽略它们的饱和压降 则负载RL上的输出电压幅度为EC 当Ui为负半周时 V2 V3导通 RL上的输出电压幅度也为EC 这样 RL上得到的是完整的输出信号波形 LMMa 46 BTL原理电路 E C R L U o U i i 2 i 1 V 1 V 2 V 3 V 4 LMMa 47 在负载一定的条件下 BTL电路的输出功率可达OTL电路的4倍 BTL电路虽为单电源供电 却不需要输出耦合电容 输出端与负载可直接耦合 它具有OTL或OCL电路的所有优点 但要注意 BTL电路的负载是不能接地的 上述BTL功率放大器可以用两组分立元件制作的OCL放大器组成 但这种结构所需的元件较多 特别是需要4只大功率晶体管 因此一般很少用分立元件来制作 集成功率放大器 只需简单的连线 就可方便地组成BTL放大器 对于本身包含两个功率放大器的集成块来说 用一块就可直接连成BTL电路 装配和调试都非常简单 LMMa 48 4 4 4场效应管功率放大器1 VMOS功率场效应管VMOS功率场效应管 简称VMOS管 是一种短沟道 垂直导电型MOS功率器件 它不同于第3章中介绍的平面水平沟道结构的MOS管 由于这种场效应管在内部结构上采用纵向沟道结构并设置有高电阻率的漏极漂移区 其耐压能力 电流处理能力和工作频率均得到大大提高 顺应了大功率器件的要求 因而发展迅速 应用领域正迅速扩大 目前VMOS管耐压水平已提高至1000V 电流处理能力达200A 工作频率可达数百兆赫 VMOS功率场效应管根据内部沟道形状的不同还可细分为VVMOS管 VUMOS管及VDMOS管 LMMa 49 如图为VVMOS管的结构示意图 在N 型硅衬底上生长一层N 外延层 N N 型区共同构成漏区 在其上引出漏极 D极 在N 外延层上掺杂扩散形成P层及N 层 以此为源极区并在其上引出金属电极作为源极 S极 最后利用光刻技术刻蚀出纵向 或垂直方向 的V型槽 在整个表面氧化生成SiO2层 并在V型槽表面蒸发一层金属层形成栅极 G极 VVMOS管的结构示意图 LMMa 50 当栅源间加上正向电压且电压值较高时 栅极下面的P层沿V型槽外侧生成反型层 由电子构成 该反型层将原本被P层隔开的源区和漏区连通 形成一个垂直 或纵向 的导电沟道 形成导电沟道后 一旦漏源间加上正压 电子便经源极 导电沟道流到漏极 由于这种管子的沟道为V型且垂直导电 故称为VMOS管 LMMa 51 由于VMOS管独特的结构设计 它不仅有普通MOS管的所有优点 还兼有双极型晶体管的一些长处 1 垂直导电 充分利用了硅片面积 可提高输出电流 2 由于N 外延层电场强度低电阻率高 具有较高的击穿电压 使整个器件的耐压得以提高 3 由于N 外延层的存在 使漏区PN结结宽加大 极间电容减小 器件的工作频率及开关速度大大提高 4 短沟道的设计使器件具有良好的线性 5 由衬底和N 外延层共同构成的漏极使散热面积明显增大 有利于器件大功率工作 VMOS管的上述性能不仅使MOS管跨入了功率器件的行列 而且在计算机接口 通信 微波 雷达等方面获得了广泛应用 LMMa 52 2 VMOS管功率放大电路由VMOS管构成的低频功率放大器 电路简单 非线性失真小且具有自保护功能 如图所示即为VMOS管构成的两级低频功率放大器 结型管V1组成自偏压共源放大器 作为激励级为功放提供大信号输入 VMOS管V2构成单管共源功放 ED R5和R6构成电阻偏置电路 VMOS管功率放大器 LMMa 53 则静态栅源偏压为 LMMa 54 输出为变压器耦合 以便为功放电路提供最佳的匹配阻抗 输出信号通过R7 R3反馈至输入端 构成电压串联负反馈 以稳定输出电压 提高输入电阻 改善放大器性能 VMOS管也可以构成推挽功率放大电路 但由于缺乏配对的大功率PMOS管 因而应给构成推挽功率放大器的两个VMOS管的栅极加大小相等 极性相反的信号 LMMa 55 4 4 5具有输出自举作用的功放电路图中为一具有输出自举作用的OCL电路 V1为激励级 和V4 V5组成互补准推挽功率放大器 VD1 VD2和RW为输出级偏置电路 静态时为功放管提供微弱的正偏电压 以消除交越失真 LMMa 56 具有输出自举作用的OCL电路 R 1 R 2 U i R E1 C E1 V 1 V 4 V 5 R L R 3 V D1 V D2 V 2 V 3 R W A C C B R 4 R 3 E C E C R E5 R E3 U o LMMa 57 调整RW可改变静态电流 VD1 VD2具有补偿UBE随温度上升而下降的作用 R3是热敏电阻 用作温度补偿 其阻值随温度上升而下降 此外 R3的加入 可有效避免在调节RW的触点而产生瞬时开路时 使V1的负载电流全部流过V2 V4的发射结 导致管子烧坏的可能 LMMa 58 该电路引入了自举电容CC 目的是提高输出电压幅度 获得大的输出功率 为了说明自举电容的作用 暂时去掉CC 假设输入信号足够大 当V1管输入信号达到正半周峰值时 V1饱和 输出电压摆幅为 Uom EC UCES1 而当V1管输入信号达到负半周峰值时 1截止 输出电压摆幅为 Uom EC Ibm2 R3 R4 由此可见正 负电压摆幅是不一样的 这限制了输出级的动态范围 使最大输出功率减小 解决的办法是加入自举电容CC LMMa 59 接入CC后 当输入信号为零时 电路处于静态 Uo 0V 电容CC上的电压UCC UB EC IC1R3 当V1输入信号为负半周时 UC1 V1集电极电位 升高 uA升高 则uo上升使uB上升 CC容量很大 为100 200 F CC两端电压可以看成不变 电容CC一端电位上升 则另一端电位必然上升 相当于提高了V2 V3的偏流电源电压 即B点电压 从而扩展了输出电压的动态运用范围 由于CC的存在 B点的电位将随着输出端电位的上升而自动举高 所以称CC为自举电容 自举 作用本质上是一种正反馈 CC就起着正反馈的作用 LMMa 60 4 4 6集成功放电路目前集成功放电路已大量涌现 其内部电路一般均为OTL或OCL电路 集成功放除了具有分立元件OTL或OCL电路的优点外 还具有体积小 工作稳定可靠 使用方便等优点 因而获得了广泛的应用 LM386是一种低电压通用型低频集成功放 该电路功耗低 允许的电源电压范围宽 通频带宽 外接元件少 广泛用于收录机 对讲机 电视伴音等系统中 LMMa 61 LMMa 62 LM386内部电路如图所示 共有3级 V1 V6组成有源负载单端输出差动放大器 用作输入级 其中V5 V6构成镜像电流源用作差放的有源负载以提高单端输出时差动放大器的放大倍数 中间级是由V7构成的共射放大器 也采用恒流源I作负载以提高增益 输出级由V8 V10组成准互补推挽功放 其中VD1 VD2组成功放的偏置电路以消除交越失真 LMMa 63 a LM386集成功率放大器内部结构图 R 1 V D2 2 反相输入 15k V 1 50k V 5 V 2 150 7 旁路 15k 8 R 2 1 35k 1 V 6 V 4 V 3 15k R 3 3 50k 同相输入 V D1 E C V 7 V 9 6 5 输出 4 地 V 10 增益设定 I LMMa 64 LM386 8 1 2 4 3 7 6 5 b LM386集成功率放大器的管脚排列图 增益设定 反相输入 同相输入 地 增益设定 旁路 EC 输出 LMMa 65 LM386为双列直插塑料封装 其管脚功能为 2 3脚分别为反相 同相输入端 5脚为输出端 6脚为正电源端 4脚接地 7脚为旁路端 可外接旁路电容以抑制纹波 1 8脚为电压增益设定端 当1 8脚开路时 负反馈最深 电压放大倍数最小 此时Auf 20 当1 8脚间接入10 F电容时 内部1 35k 电阻被旁路 负反馈最弱 电压放大倍数最大 此时Auf 200 46dB 当1 8脚间接入电阻R和10 F电容串联支路时 调整R可使电压放大倍数Auf在20 200间连续可调 且R越大 放大倍数越小 LMMa 66 LM386典型应用电路图 u i R 1 C 1 3 2 4 C 2 7 E C 6 10 F 1 8 R 2 5 C 3 R 3 C 4 R L LM386 LM386的典型应用电路如图所示 LMMa 67 参照上面的说明 我们可以知道 5脚输出 R3 C3构成串联补偿网络 与呈感性的负载 扬声器 相并 最终使等效负载近似呈纯阻 以防止高频自激和过压现象 7脚旁路 外接C2去耦电容 用以提高纹波抑制能力 消除低频自激 1 8脚设定电压增益 其间接R2 10 F串联支路 R2用以调整电压增益 当R2 1 24k 时 Auf 50 将上述电路稍作变动 如在1 5脚间接入R C串联支路 则可以构成带低音提升的功率放大电路 LMMa 68 例 如图所示为一扩音机的部分电路 1 分析电路 说明电路由哪几部分组成 各部分分别属于何种电路形式 2 假设V9 V1