低频功率放大电路

1、第 9 章低频功率放大电路本章要点功放的特点与分类OCL 电路原理与特性分析 OTL 电路原理与调试方法 BTL 电路组成与原理 VMO 助放的特点与应用本章难点OCL 电路性能指标分析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

2、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=IoUl(9-1)改用振幅值表示，公式9-1 又为1Po=Ion(J)m(9-2)22. 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。模拟电子技术=邑(9-3)PDC式中，F0为信号输出功率，

3、Rc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

4、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9=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9=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180 90，三极管 Ti导通,T2截止，Ti管的射极电流iei经+Vx 自上而下流过负载电阻，在R上形成正半周输出电压,Uo0。当输入信号工作在正半周时，由于U0。

5、图 9-2 基本 OCL 电路2.效率 n由式 9-3 可知计算效率应先求出电源供给功 率 PD(。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1.2n.2 n1ID(AV)=0idd( t)=oIcmSin 灿 t)= lcm(92 nn因此，直流电源 Vx 供给的功率为11 UKV2P =I V= l V =cemV =ccDC1 D(AV) cccm ccccnn R_n RL196模拟电子技术图 9-3双电源互补对称电路图解分析1.输出功率PoP =U cem lcm= |U:02 2 2cm ce

6、m1 U2cem(9-4)当考虑饱和压降2 R.1 |p卡4 i r rrAt曰,-4 rl-r十曰 /古U)es时，输出的最人电压幅值为般情况下输出电压的幅值UCem=UCc-UCesUem总是小于电源电压，二竝VCC(9-5)VCc值，故引入电源利用系数(9-6)将式 9-6 代入式 9-4 得p_lU：em2、/ 2VCC2 RL(9-7)当忽略饱和压降UCes时,即 =1，输出功率Pom可按下式估算Pom_ 1 VCC=2 R?(9-8)9)(9-10)f Jul(b)(a)图 9-4 集电极电流 i c 波形精品文档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将式（9-7）、

7、式（9-11）代入式（9-3）是则得当=1 时，效率最高，即 nmax78.5%4【例 9-1】 在图 9-2 所示乙类互补对称放大电路中，已知当输入信号足够大，集电极电压充分运用时的FU PDCm叫。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

8、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，由于电路由式（9-11）得，=1 时，电源供给最大功率为2 V244斤Cm=芒=Pom= 9=11.5 (W) n R_nn此时的效率为m=F)m=9=78.5%m 11.52 RL1 VC2CPom122F8= 9(W)PDC=(9-11)PoPDC(9-12)(9-13)VCc=12V, R_=8l】，试求:2 . U2cc4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 O

9、CL 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Di、D2和电位器 FF组成。调节 R 可以使三极管 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 、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FF的值很小，可以认为加到 干、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。197欢迎下载模拟电子技术924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

10、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3=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T3和 T4有一个合适的工作点。198B：图 9-6消除交越失真的电路醛0图 9-7 复合管互

11、补对称功放3 值低的困难，而且也解决了大功率管难以实由上所述，复合管不仅解决了大功率管精品文档现互补对称的困难，故在功率放大电路中广泛采用了复合管。925 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 Ti、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 Ti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、Tio组成的准互补对称电路，其中 T7、T9为由 NPNk NPN 组成的 NPN 型复合管

12、；T*、Tio为由 PNP- PNP 组成的 PNP 型 复合管，各管电阻Re7、Re8、R9、Rio的作用是改善温度特性。T6、Re4、R5组成了Ue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R、D、D、T3、T5组成恒流源电路，R、D、D2提供基准电流。Rf、C、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。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

13、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-II 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。I99欢迎下载模拟电子技术931电路特性单电源互补对称电路的特性如下。输出电容起到负电源作用。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。电路便于加深度负反馈，电路稳定性高。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 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

14、极e 点电位为电源电压的一半Vx,负载中没有电流。电容C两端的电2压也稳定在1VCc，这样两管的集射极之间如同分别211加上一 Vx 和Vcc的电源电压。22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 R 提供电流，使得 负载 R 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、R 放电，T2 也以射极输出的形式向负载R933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，D、D、D3提供偏置电压，R1和R构成电压并联负反馈。静态时，由R、民、D

15、l、D2、D3提供偏置电压使T4T7微导通，ie6=ie7,中点电位为1VCC,Uo=0Vo2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200I8 +H Ik图 9-10 OTL 基本电路提供电流，负载R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，其工作过程除效率计算也相同，只需将公式中的C代替一组电源外，其工作过程与双电源相同,Vx 用1Me 代替即可。功率、周。当输入信号Ui为正半周时，集成运放对输入信号进行

16、放大，使互补对称功放基极电1位降低，T4、T6截止，T5、T7依靠 G 上的存储电压4CC导通，ie7由下而上流过负载，输出2精品文档电压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934调试方法图 9-12 是一个典型的复合互补对称OTL 功放电路。Ti为前置放大级，其发射极电阻民上加有从放大器输出端经反馈电阻R2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R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Ri两端的压降供给 Ts、T4以合适的偏压。T3、T4组成复合管互补输出极。R3、R4方面使

17、 Ts、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。R5、R6起电流负反馈作用，使末级工作点更加稳定。图 9-12 所示电路的调试方法如下。调节电阻R的阻值，调试 T1的静态工作电流。调节民使放大器输出端（K 点）的对地V仝h!0pF/50V 22kl243 6V10gF/50VT2T3百十3AM1 -吟0)_G-】00恥卜OkQ-9VRM16kQIk側局 olOOgF200Q201欢迎下载模拟电子技术1电位为VCC,然后通过R1调节复合管的静态电流。但调节R和调节R1是互相影响的，2所以，必须反复调节 民直至满足要求为止。调试时千万注意，切不可断开R，因

18、为R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R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

19、 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Ro和可变电阻 民的阻值来克服。但需注意，在调节艮、Ro时，不要使放大器的输出端的电位偏离中点电位Vcc。29.4 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

20、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 TT4组成桥式电路。静态时，电桥 平衡四个功放管 干T4组成桥式电路。静态时，电桥平衡，负载R.中为直流电流。动态时，各桥臂功放管轮流导通。当Ui0 时，、T4导通，TaTs截止，流过负载 R 的电流如图 9-13 中实线所示；当uT,:T 昇IkJ ITS图 9-13 BTL 基本电路942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 BT

21、L 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 , R_=4Q 时，若要求总谐波失真为0.1%，贝 U PO 22WBTL 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。203欢迎下载A|此OTDA1556160+Zi.i-c=HI17* 0.22pF匕0卫2陰爭0.22HF图 9-14 集成 BTL 电路基本用法电

22、路模拟电子技术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 4Q、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。 所示。外部元件的作用如下：RF、G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VCc。2CD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 V

23、MOS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204CD4100 的外形与引脚排列图如图 9-15CD410 0 集成功放典型接线图如图9-16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 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VMO场效应管的工作原理与第 4 章中

24、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

25、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VVMO 结构。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

26、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VMOST 功率放大器应用实例。图 9-18 是一个两管 4W VMOSt 频功率放大器。输入极是由结型场效应管VR 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。FG2和 VH 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FF和 RB1引入极间电压串联负反馈

27、，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。精品文档VMOS 管的耐压水平已经提高到1000V,电流处理能1丨丨iiiHiH丨丨|丨hii 1 miiiii丨厂丨iiiiif图 9-17 VVMOS 结构示意图S9 G?205欢迎下载模拟电子技术图 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

28、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) 交流毫伏表直流电压表(6) 直流毫安表(7) 晶体三极管 3DG6 X1(9011 X1)3DG12X1(9013 X1)3DG12 X1(9012 X1)晶体二极管 2CPX1(8) 8 Q 喇叭 X1,电阻器、电容若干。3.实训原理206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(也称前置放精品

29、文档大级），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。Ti管工作于甲类状态，它的集电极电流lei由电位器RPi进行调节。lei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1电位 VA= -VCC，可以通过调节 金来实现，又由于 金的一端接在 A 点，因此在电路中引入2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

30、，同时也改善了非线性失真。当输入正弦交流信号u时，经 Ti放大，倒相后同时作用于 T2、T3的基极，u的负半周 使 T2管导通（T3管截止），有电流通过负载R,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 Q 起着电源的作用，通过负载 R 放电，这样在 RL上就 得到完整的正弦波。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FP2置最小值，RPi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 R2开路，电路自激，或输出管性能

31、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 R1,用直流电压表测量 A 点电位，使 VAUVCC。2207欢迎下载模拟电子技术调整输出极静态电流及测试各极静态工作点调节 R2,使 T2、T3管的|C2= IC3=510mA。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Ti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lei的值。调整输出极静态电流的另一方法是动态调试法。先使R2=

32、0。在输入端接入f= 1kHz的正弦信号u。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 R2,当交越失真刚好消失时，停止调节R2,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。1在调整 恳2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。2输出管静态电流调好，如无特殊情况，不得随意旋动R2的位置。(2)最大输出功率Pom和效率的测试测量FOm输入端接f=1kHz 的正弦信号，输出端用示波器观察输出电压使输出电压达到最大不失真输出，用交流毫安表测出负载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FDc=VeCI D(AV)，再根据上面测得的Pom,即可求出PDC5.预习要求(1)复习有关 OTL 工作原理的内容。(2)交越失真产生的原因是什么？怎样克服交越失真？(3)电路中电位器 金2如果开路或短路，对电路工作有何影响?为了不损坏输出管，调试中应注意什么问题？(5)如电路有自激现象，应如何消除？6.实训报告(1)整理实验数据，计算静态工作点，最大不失真输出功率 论值进208Ui,R上的电