功率放大电路42413.ppt

第11章信号发生电路,11.1功率放大电路的特点和分类11.2乙类双电源互补对称功率放大电路11.3OCL甲乙类互补对称功率放大电路11.4单电源互补对称功率放大电路11.5实用功率放大电路举例11.6集成功率放大器介绍本章小结,11.1功率放大电路的特点和分类11.1.1功率放大电路的特点功率放大电路又叫功率放大器。由于功率放大器的主要任务是输出较大的信号功率，故在性能要求上有下面几个主要特点：1.输出功率尽量大为了使负载获得尽可能大的功率，要求功率管应有足够大的电压和电流输出幅度。因此管子往往在接近极限运用状态下工作，这就要求在选择功率管时，必须考虑使它的工作状态不超过其本身的极限参数ICM、PCM和U（BR）CEO。2.效率要高由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，这就存在一个效率问题。所谓效率是指负载得到的有用信号功率和直流电源供给的直流功率的比值。比值越大，效率越高。我们总是希望尽量减小三极管的损耗功率，以提高能量转换的效率。,3.非线性失真要小功率放大器是在大信号下工作的，输出电压和电流的幅值都很大，所以不可避免地会产生非线性失真，而且同一功放管输出功率越大，非线性失真往往越严重，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。但是，在不同场合下，对非线性失真的要求不同，例如，在测量系统和电声设备中，这个问题显得很严重，而在工业控制系统等领域中，则以输出功率为主要目的，对非线性失真的要求就降为次要问题了。需要指出的是，分析大信号工作状态已不能用微变等效电路分析法，而普遍采用图解法及近似估算法。4.三极管的散热和保护在功率放大器中，三极管的集电结消耗较大的功率使结温和管壳温度升高。为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率，放大器件的散热就成为一个重要的问题。此外，管子承受的电压高，通过的电流大，所以还必须考虑三极管的保护问题。通常采取的措施是对三极管加装一定面积的散热片和电流保护环节。,11.1.2功率放大电路的分类根据放大电路中三极管静态工作点设置的不同，可分成甲类、乙类和甲乙类三种。甲类放大电路的工作点设置在放大区的中间，这种电路的优点是在输入信号的整个周期内三极管都处于导通状态，输出信号失真小（前面讨论的电压放大电路都工作在这种状态），如图11-1（a）所示；缺点是三极管有较大的静态电流ICQ，这时管耗PC大，而且甲类放大时，不管有无输入信号，电源供给的功率是不变的。可以证明，即使在理想条件下，甲类放大电路的效率最高也只有50%，那些对于输出功率及效率要求不高的功率放大电路可以采用甲类。,从甲类放大电路中可以看出，效率低的主要原因是静态电流ICQ太大。在没有信号输入时，电源仍然输送功率。由此可见，提高效率的办法是减小静态电流ICQ。如果把静态工作点Q向下移动，使静态电流ICQ等于零，则输入信号等于零时电源供给的功率也等于零，输入信号增大时电源供给的功率也随之增大，这样电源供给的功率及管耗都随着输出功率的大小而变，这样就能改变甲类放大时效率低的状况，这种工作方式下的电路称为乙类放大电路。可见，乙类放大电路的工作点设置在截止区，如图11-1（b）所示。乙类放大电路提高了能量的转换效率，在理想情况下效率可达78.5%，但此时却出现了严重的波形失真，在输入信号的整个周期，仅在半个周期内三极管导通，有电流流过，只能对半个周期的输入信号进行放大。如果将图11-1（b）所示输出特性曲线中的工作点Q上移一些，设在放大区但接近截止区，使三极管的导通时间大于信号的半个周期，且小于一个周期，这类工作方式下的电路称为甲乙类放大电路，如图11-1（c）所示。目前常用的音频功率放大电路中，功放管多数是工作在甲乙类放大状态。这种电路的效率略低于乙类放大，但它克服了乙类放大电路产生的失真问题，目前使用较广泛。,11.2乙类双电源互补对称功率放大电路（OCL电路）乙类放大电路具有能量转换效率高的特点，常用它作为功率放大器。但乙类放大电路只能放大半个周期的信号，为了解决这个问题，常用两个对称的乙类放大电路分别放大正、负半周的信号，然后合成为完整的波形输出，即利用两个乙类放大电路的互补特性完成整个周期信号的放大。11.2.1电路组成及工作原理1.电路组成图11-2所示是双电源乙类互补功率放大电路。T1是NPN型管，T2是PNP型管。T1和T2管的基极连在一起作为信号输入端，发射极连在一起作为信号输出端，RL为负载。这个电路实际上是由两个射极输出器组合而成。电路中正、负电源对称，两管参数对称。,2.工作原理由于两管都没有偏置电阻，故静态（ui=0）时，两管都截止，此时IBQ、ICQ、IEQ均为零，负载上无电流通过，输出电压uo=0。动态时，当输入信号uI为正半周时，ui0，两管的基极电位为正，故T1管导通，T2管截止，iC1从+VCC流出，经T1后流过负载电阻RL，在负载RL上形成正半周输出电压uo0。当输入信号ui为负半周时，ui0，两管的基极电位为负，故T2管导通，T1管截止，。ic2由公共端流经负载RL和T2到-VCC，在RL上形成负半周输出电压uo0。,不难看出，在输入信号ui的一个周期内，T1、T2管轮流导通，而且iC1、iC2流过负载的方向相反，从而形成完整的正弦波。由于静态时不取用电流，故两管都处在乙类工作状态。这种电路中的三极管交替工作，组成推挽式电路，两个管子互补对方缺少的另一个半周，且互相对称，故称为互补对称功率放大电路。这种电路又称为无输出电容的功率放大电路，即OCL（OutputCapacitorless）。11.2.2功率和效率的估算1.输出功率Po在输入正弦信号作用下，忽略电路失真时，在输出端获得的电压和电流均为正弦信号，由功率的定义得可见，输出电压Uom越大，输出功率Po越高，当三极管进入饱和区时，输出电压Uom最大，其大小为,(11-1),若忽略UCES，则最大不失真输出功率为2.直流电源提供的功率PV两个电源各提供半个周期的电流，故每个电源提供的平均电流为因此两个电源提供的功率为输出功率最大时，电源提供的功率也最大，即,(11-2),(11-3),(11-4),3.效率输出功率与电源提供的功率之比称为电路的效率。在理想情况下，电路的最大效率为%=100%78.5%（11-5）如果考虑管子的饱和管压降，该功率放大电路实际上能够达到的效率将低于此值。4.管耗PT直流电源提供的功率与输出功率之差就是消耗在三极管的功率，即管耗PT所以最大输出功率时的总管耗为,(11-6),(11-7),可求得当Uom=时，三极管消耗的功率最大，其值为每个管子的最大管耗为式（11-9）就是每管最大管耗与最大不失真输出功率的关系，可用作设计乙类互补对称功率放大电路时选择三极管的依据之一。例如，要求输出功率为10W，则应选择两个集电极最大功耗为2W的管子。由以上分析可知，若想得到预期的最大输出功率，三极管有关参数的选择，应满足以下条件：（1）每只管子的最大管耗PTM；（2）由图11-2可知，当导通管饱和时，截止管承受的反压为2VCC，所以三极管的反向击穿电压应满足U（BR）CEO2VCC；,(11-8),(11-9),（3）三极管的最大集电极电流为，因此三极管的ICM。例11-1乙类互补对称功率放大电路（OCL）如图11-2所示，直流电源VCC=24V，在输入信号ui的一个周期内T1、T2轮流导通，导通角各位1800（即半个周期），负载电阻RL=8，忽略管子的饱和压降。求电路的最大输出功率、最大输出功率时直流电源供给的总功率、效率和总管耗，并选择三极管。解：由式（11-2）可求得最大输出功率为由式（11-4）可求得直流电源共给的总功率为由式（11-5）可求得效率为%=100%=78.5%,由式（11-7）可求得总管耗为三极管参数的选择PTM0.2Pom=0.236W=7.2WU（BR）CEO2VCC=224V=48VICM根据以上结果，适当留有余量，查半导体器件手册，找到相应的NPN型和PNP型三极管。需要指出的是，管耗最大时电路的效率并不是78.5%，读者可自行分析此时的效率是多少。,11.3OCL甲乙类互补对称功率放大电路11.3.1交越失真及其消除图11-2所示的电路中，由于T1和T2的基极直接连在一起，没有直流偏置，则在输入电压ui正半周与负半周的交界处，当ui的幅度小于T1、T2输入特性曲线上的死区电压时，两管都不导电。也就是说，在T1、T2交替导电的过程中，将有一段时间两个三极管均截止。这种情况将导致iL和uo的波形发生失真，由于这种失真出现在波形正、负交越处，故称交越失真，如图11-3所示。为了消除交越失真，必须建立一定的直流偏置，偏置电压只要大于三极管的死区电压即可，这时的T1、T2管工作在甲乙类放大状态。图11-4所示为甲乙类互补对称功率放大电路。它是在图11-2的基础上，接入了两个基极偏置电阻R1、R2以及T1、T2基极之间的导电支路，该导电支路由可变电阻R和二极管D1、D2组成，这样就使得静态时存在一个较小的电流从+VCC流经R1、R、D1、D2、R2到-VCC，在T1和T2的基极之间产生一个电位差，故静态时两只三极管已有较小的基极电流，因而两管也各有一个较小的集电极电流。当输入正弦电压ui时，在正、负半周两管分别导电的过程中，将有一段短暂的时间T1、T2同时导电，避免了两管同时截止，因此交替过程比较平滑，减小了交越失真。,11.3.2由复合管组成的OCL互补对称功率放大电路如果功率放大电路输出端的负载电流比较大，必须要求互补对称管T1和T2是能输出大电流的三极管。但是，大电流的三极管一般值较低，因此就需要中间级输出大的推动电流提供给输出级。在集成运放电路中，中间级一般是电压放大，很难输出大的电流。为了解决这一矛盾，一般输出级采用由复合管构成的互补对称电路。如图11-5所示。这种互补对称电路有一个缺点，大功率三极管T3是NPN型，而T4是PNP型，它们类型不同，很难做到特性互补对称。为了克服这个缺点，可使T3和T4采用同一类型甚至同一型号的三极管，例如二者均为NPN型，而T2则用另一类型的三极管，如PNP型，如图11-6所示。此时T2与T4组成的复合管为PNP型，可与T1、T3组成的NPN性复合管实现互补。这种电路称为准互补对称电路。图中接入电阻Re1和Rc2是为了调整功率管T3和T4的静态工作点。,这里提到复合管，下面做一下简介。复合管可由两个或两个以上三极管组合而成。复合管的接法有多种，它们可以由相同类型的三极管组成，也可以由不同类型的三极管组成。例如在图11-7中，图（a）和（b）分别由两个同为NPN型或同为PNP型的三极管组成，但图（c）和（d）中的复合管却由不同类型的三极管组成。无论由相同或不同类型的三极管组成复合管时，首先，在前后两个三极管的连接关系上，应保证前级三极管的输出电流与后级三极管的输入电流的实际方向一致，以便形成适当的电流通路，否则电路不能形成通路，复合管无法正常工作。其次，外加电压的极性应保证前后两个三极管均为发射结正向偏置，集电结反向偏置，使两管都工作在放大区。,例如在图11-7（a）和（b）中，前级的iE1就是后级的iB2，二者的实际方向一致。而在图（c）和（d）中，前级的iC1就是后级的iB2，二者的实际方向也一致。至于基极回路和集电极回路的外加电压，应为如图括弧中所示的正负极性，则前后两个三极管均工作在放大区。图11-7（c）和（d）所示由不同类型三极管所组成的复合管，其和rbe分别为=1（1+2）12rbe=rbe1综合图11-7所示的几种复合管，还可以得出以下结论：（1）由两个相同类型的三极管组成的复合管，其类型与原来相同。复合管的12，复合管的rbe=rbe1+（1+1）rbe2。（2）由两个不同类型的三极管组成的复合管，其类型与前级三极管相同。复合管的12，复合管的rbe=rbe1。通过介绍可以看出，复合管与单个三极管相比，其电流放大系数大大提高，因此，复合管常用于运放的中间级，以提高整个电路的电压放大倍数，不仅如此，复合管也常常用于输入级和输出级。,11.4单电源互补对称功率放大电路（OTL电路）11.4.1电路组成及工作原理1.电路组成图11-4所示电路中，由于静态时T1、T2两管的发射极电位为零，故负载可直接连接到发射极，而不必采用耦合电容，因此称为OCL电路。其特点是低频效应好，便于集成。但需要两个独立电源，使用很不方便。为了简化电路，可采用单电源供电的互补对称功率放大电路，如图11-8所示。与图11-4相比省去了一个负电源（-VCC），在两管的发射极与负载之间增加了电容C，这种电路通常称为无输出变压器的功率放大电路，即OTL（OutputTransformless）功率放大电路。2.工作原理图11-8电路中R1、R2为偏置电阻，适当选择R1、R2阻值，可使两管静态时发射极电位为VCC/2，电容两端电压也稳定在VCC/2，这样T1、T2两管的极、射极之间如同分别加上了+VCC/2和-VCC/2的电源电压。,在输入信号正半周，T1导通，T2截止，T1以射极输出器形式将正信号传送给负载，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放电，相当于T2管的直流工作电源，时T2也以射极输出器的形式将负向信号传送给负载。这样，负载RL上得到一个完整的信号波形。,11.4.2功率和效率的估算单电源供电的互补对称功率放大电路功率和效率的计算方法与双电源供电相同，但要注意公式中的VCC应换成VCC/2，因为此时每个管子的工作电压已不是VCC，而是VCC/2。请读者自行推导OTL电路的有关公式，此处不再赘述。与双电源互补对称功率放大电路相比，单电源互补对称电路的优点是少了一个电源，故使用方便。缺点是由于有大电容C，故低频响应变差；大容量的电解电容具有电感效应，在高频时将产生相移；另外大容量的电解电容无法集成化，必须外接。例11-2假设图11-8所示的OTL电路以及图11-4所示的OCL电路中的直流电源VCC均为20V，负载电阻RL均为16，且三极管的饱和管压降军委2V，试分别估算两个电路的最大输出功率Pom。解：OTL电路的最大输出功率为,OCL的最大输出功率为可见，在相同的VCC和RL之下，OCL电路和OTL电路的最大输出功率差别很大。,11.5实用功率放大电路举例本节介绍两个实际的功率放大典型电路，一个是OCL高保真功率放大电路，另一个是OTL音频功率放大电路。11.5.1OCL高保真功率放大电路图11-9所示为OCL高保真功率放大电路，该电路可用于扩音机中。从组成来看，电路包括三个放大级：差动放大输入级、中间级和功率输出级。输入级由三极管T1、T2和T3组成的恒流源式差动放大电路构成，属单端输入、单端输出方式。恒流管T3的基极电位由电阻R1和二极管D1、D2组成的支路提供。中间级是由T4、T5组成的共射放大电路。T4管是放大管，T5是共集电极负载。T5的基极也接在电阻R1和二极管D1、D2之间。由于采用有源负载，因此可以获得较高的电压放大倍数。,输出级由T6、T7、T8、T9和T10组成，是一个OCL准互补对称放大电路。其中T7与T9构成NPN型复合管，T8与T10构成PNP型复合管三极管T6和电阻Rc4、Rc5组成所谓UBE扩大电路，其作用是给T7、T8提供一个较小的静态基极电流，使互补对称电路工作在甲乙类状态，用以减小交越失真。此外，图中电阻RF的作用是从放大电路的输出端到T2的基极之间引入一个深度交、直流电压串联负反馈，其作用是展宽频带、减小输出波形的非线性失真，降低输出电阻，提高放大电路的带负载能力，并能稳定静态工作点。本放大电路的负载通常为扬声器，属于电感性负载，电路容易产生自激振荡或出现过电压损坏三极管。电容C5和电阻R2是补偿元件，使负载接近于纯电阻。电容C2、C3和C4的作用是防止自激振荡。,11.5.2OTL音频功率放大电路图11-10所示为OTL音频功率放大电路，该电路可用于电视机的音频放大电路。图11-10所示电路共有三个放大级。前置放大级由三极管T1组成，是一个典型的静态工作点稳定电路。大电容C1、C2作为隔直电容分别与输入信号以及中间级耦合。中间级由T2组成单管共射放大电路，R9是其集电极负载电阻。功率输出级由三极管T3、T4组成OTL互补对称电路，电容C6是输出电容。该电路只需一路直流电源VCC。静态时，电容C6上的电压为VCC/2。为使电路工作在甲乙类状态，以减小交越失真，在T3和T4的基极之间接有电阻R6、R7和R8。以保证在静态时T3和T4已有一个较小的基极电流。R8是一个负温度系数的热敏电阻，若环境温度升高，R8的阻值将减小，则输出级两个功率管的基极之间的电压也下降，从而抑制了静态电流的上升。电阻R10是负反馈电阻，发射极的小电阻R11和R12用来限流。电阻R14引入电压串联负反馈，用以改善放大电路的性能，例如可以减小非线性失真，提高带负载能力以及展宽频带等等。小电容C2、C4和C7是校正电容，其作用是避免产生自激振荡。,11.6集成功率放大器介绍随着线性集成电路的发展，集成功率放大器的应用已日益广泛。与分立元件三极管低频功率放大器相比，集成功率放大器具有体积小、重量轻、成本低、外接元件少、调试简单、使用方便等特点，而且在性能上也十分优越。例如，温度稳定性好、功耗低、电源利用率高、失真小。在集成功率放大器的电路中设计有许多保护措施，如过流保护、过压保护以及启动、消噪电路等等，所以可靠性大大提高。因此，集成化是低频功率放大器的发展方向。集成功率放大器品种比较多，有单片集成功率组件，输出功率1W左右，以及由集成功率驱动器外接大功率管组成的混合功率放大电路，输出功率可达几十瓦。近几年，国内已生产出VMOS功率场效应管，如产品VN系列，输出功率可达100W。本节以TDA2030A音频功率放大器为例加以介绍，希望读者在使用时能举一反三，灵活应用其他功率放大器件。,11.6.1TDA2030A音频集成功率放大器简介TDA2030A是目前使用较为广泛的一种集成功率放大器，与其他功放相比，它的引脚和外部元件都较少。TDA2030A的电器性能稳定，并在内部集成了过载和热切保护电路，能适应长时间连续工作，由于其金属外壳与负电源引脚相连，因而在单电源使用时，金属外壳可直接固定在散热片上并与地线（金属机箱）相接，无需绝缘，使用很方便。TDA2030A多用于收音机和有源机箱中，作音频功率放大器，也可作其他电子设备中的功率放大。因其内部采用的是直接耦合，亦可以作直流放大。主要性能参数如下：电源电压VCC：3V18V输出峰值电流：3.5A输入电阻：0.5M静态电流：60mA（测试条件：VCC