第四章多级放大电路及其在工程中的应用

1、第四章第四章 多级放大电路及其在工程中的应用多级放大电路及其在工程中的应用第四节第四节 多级放大器的功率输出级多级放大器的功率输出级 一、功率放大器概述一、功率放大器概述 二、双电源互补对称推挽功放（二、双电源互补对称推挽功放（OCL功放）功放） 三、单电源互补对称推挽功放（三、单电源互补对称推挽功放（OTL功放）功放） 四、平衡式桥接推挽功放（四、平衡式桥接推挽功放（BTL功放）功放） 五、功率放大器使用应注意的问题五、功率放大器使用应注意的问题 六、集成功率放大器六、集成功率放大器 模拟电子技术基础 一、功率放大器概述一、功率放大器概述 电压放大器工作在小信号状态，研究的主要问题是如何电压

2、放大器工作在小信号状态，研究的主要问题是如何使使“负载负载”得到大的不失真电压信号，主要讨论的指标为电得到大的不失真电压信号，主要讨论的指标为电压或电流增益、输入电阻和输出电阻。而功率放大器工作在压或电流增益、输入电阻和输出电阻。而功率放大器工作在大信号状态下，是研究如何使负载得到尽可能大的功率，主大信号状态下，是研究如何使负载得到尽可能大的功率，主要讨论的指标是输出功率、效率、非线性失真等。要讨论的指标是输出功率、效率、非线性失真等。 （一）功率放大器的基本要求（一）功率放大器的基本要求 1 1输出功率足够大输出功率足够大omomomomooo2122IUIUIUP功率放大器必须在保证功功率

3、放大器必须在保证功放管安全工作的条件下，放管安全工作的条件下，输出足够大的功率。输出足够大的功率。 图图4-37 4-37 功率三角形功率三角形一、功率放大器概述一、功率放大器概述（一）功率放大器的基本要求（一）功率放大器的基本要求 2非线性失真要小非线性失真要小图图4-38 4-38 功率放大器的非线性失真功率放大器的非线性失真（a a）波顶失真）波顶失真 （b b）交越失真）交越失真 功放电路中，输出功率和非线性失真成为一对功放电路中，输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。要求非线性失真小，就必须限制输出功主要矛盾。要求非线性失真小，就必须限制输出功率。率。 （a）波顶失真）波顶失真（b）

4、交越失真）交越失真一、功率放大器概述一、功率放大器概述（一）功率放大器的基本要求（一）功率放大器的基本要求 3效率要高效率要高在功放电路确定后，应尽可能提高功放电路的效率。在功放电路确定后，应尽可能提高功放电路的效率。 CCoPPoP：放大器输出最大交流功率：放大器输出最大交流功率 CCP：电源供给的直流功率：电源供给的直流功率 直流电源的直流电能一部分转换为所需交流输出功率，其它直流电源的直流电能一部分转换为所需交流输出功率，其它部分几乎都消耗在功放管中。部分几乎都消耗在功放管中。 一、功率放大器概述一、功率放大器概述4功放管的散热要好功放管的散热要好（一）功率放大器的基本要求（一）功率放大

5、器的基本要求 为了保证功放管安全工作，除限制它的最大集电极电压和电流为了保证功放管安全工作，除限制它的最大集电极电压和电流外，还应限制功放管的结温，为此，必须采取良好的散热措施，外，还应限制功放管的结温，为此，必须采取良好的散热措施，通常功放管都具有金属散热外壳。通常功放管都具有金属散热外壳。图图4-52 4-52 散热片的安装散热片的安装（a a）卧式安装（）卧式安装（b b）立式安装）立式安装图图4-39 4-39 功放管外形功放管外形（二）功率放大器的分类（二）功率放大器的分类一、功率放大器概述一、功率放大器概述1. 按静态工作点位置不同分按静态工作点位置不同分 图图4-40 4-40

6、功率放大器的工作状态功率放大器的工作状态（a a）甲类放大）甲类放大 （b b）乙类放大）乙类放大 （c c）甲乙类放大）甲乙类放大甲类功放结构简单，线性好甲类功放结构简单，线性好，失真小，但管耗大，输出，失真小，但管耗大，输出功率小、效率低。乙类和甲功率小、效率低。乙类和甲乙类则是由两个功放管组成乙类则是由两个功放管组成的的“推挽推挽”功率放大器，静功率放大器，静态时电流小，降低了静态损态时电流小，降低了静态损耗，效率较高，理想效率可耗，效率较高，理想效率可达达78785 5。所以功率放大器。所以功率放大器常采用双管推挽式电路。常采用双管推挽式电路。 （二）功率放大器的分类（二）功率放大器的

7、分类一、功率放大器概述一、功率放大器概述2按耦合方式不同分按耦合方式不同分主要用于甲类的末级放主要用于甲类的末级放大电路，通常向负载提供的功率不是很大。大电路，通常向负载提供的功率不是很大。通过变压器耦合可通过变压器耦合可起到阻抗匹配的作用，使负载获得最大功率。但由于变起到阻抗匹配的作用，使负载获得最大功率。但由于变压器体积大、笨重、频率特性差，且不便于集成化，这压器体积大、笨重、频率特性差，且不便于集成化，这种耦合方式在低频功率放大器中已逐渐被淘汰。种耦合方式在低频功率放大器中已逐渐被淘汰。包括包括OCLOCL、OTLOTL和和BTLBTL以以及集成功率放大器，直接耦合功放电路是目前电子产品

8、及集成功率放大器，直接耦合功放电路是目前电子产品未级放大电路中较广泛应用的电路形式。未级放大电路中较广泛应用的电路形式。二、双电源互补对称推挽功放（二、双电源互补对称推挽功放（OCL功放）功放） 1电路组成和工作原理电路组成和工作原理 图图4-41 4-41 双电源互补对称推挽功放（双电源互补对称推挽功放（OCLOCL功放）功放）由一对特性相同、类型不同的互补三极管（由一对特性相同、类型不同的互补三极管（NPNNPN、PNPPNP）组）组成对称的射极输出器电路。输入信号接于两管基极，负载成对称的射极输出器电路。输入信号接于两管基极，负载接在两管发射极上，由正、负等值的双电源供电。接在两管发射极

9、上，由正、负等值的双电源供电。 推挽功率放大器目前广泛采用推挽功率放大器目前广泛采用OCLOCL、OTLOTL和和BTLBTL电路，这些电路，这些电路具有结构简单，体积小，频率响应好，易于集成等电路具有结构简单，体积小，频率响应好，易于集成等优点。优点。2性能分析性能分析二、双电源互补对称推挽功放（二、双电源互补对称推挽功放（OCL功放）功放）图图4-42 OCL4-42 OCL电路的图解分析电路的图解分析2性能分析性能分析二、双电源互补对称推挽功放（二、双电源互补对称推挽功放（OCL功放）功放）图图4-42 OCL4-42 OCL电路的图解分析电路的图解分析（1 1）输出功率）输出功率 oP

10、LomLomRURUUIUP2omooo2122理想情况下，理想情况下， 最大不失真输出功率：最大不失真输出功率： LCCLcemLommRURURUP222o2121212性能分析性能分析二、双电源互补对称推挽功放（二、双电源互补对称推挽功放（OCL功放）功放）（2 2）直流电源供给的功率）直流电源供给的功率 CCPLomCC0LomCC0omCCCCCCCC2)d(sin22)d(sin22=RUUttRUUttIUIUP当输出电压幅值达到最大，当输出电压幅值达到最大，即即 ：CComUULCCmRUP2CC2图图4-42 OCL4-42 OCL电路的图解分析电路的图解分析2性能分析性能分

11、析二、双电源互补对称推挽功放（二、双电源互补对称推挽功放（OCL功放）功放）（3 3）效率）效率 一般情况下，一般情况下， CComCCoUUPP4理想情况下，理想情况下， CComUU效率达最大效率达最大 %5 .784CCoPP图图4-42 OCL4-42 OCL电路的图解分析电路的图解分析2性能分析性能分析二、双电源互补对称推挽功放（二、双电源互补对称推挽功放（OCL功放）功放）（4 4）管耗）管耗两个功放管的总管耗：两个功放管的总管耗： L2omLomCCoCCT22=RURUUPPP图图4-42 OCL4-42 OCL电路的图解分析电路的图解分析3功放管的选择功放管的选择二、双电源互

12、补对称推挽功放（二、双电源互补对称推挽功放（OCL功放）功放）功放管的极限参数应满足下列条件：功放管的极限参数应满足下列条件： omCMPP2 . 0CCCEOBRUU2)(LCCCMRUI以上三式可作为选择功放管的依据。以上三式可作为选择功放管的依据。二、双电源互补对称推挽功放（二、双电源互补对称推挽功放（OCL功放）功放）4交越失真及消除方法交越失真及消除方法当输当输入信号很小时，入信号很小时，达不到三极管的达不到三极管的开启电压，三极开启电压，三极管不导通。因此管不导通。因此在负载上合成的在负载上合成的输出电压将在两输出电压将在两个半波交界处，个半波交界处，跨越正、负半波跨越正、负半波时

13、发生失真，时发生失真， 为了消除交越失真，必须设置基极偏置电路使互补为了消除交越失真，必须设置基极偏置电路使互补放大电路工作在甲乙类状态，方法是在两管的基极回路中加一放大电路工作在甲乙类状态，方法是在两管的基极回路中加一合适的偏置电压，使管子的导通角略大于合适的偏置电压，使管子的导通角略大于180 180 ，使管子工作，使管子工作在甲乙类状态。在甲乙类状态。图图4-43 4-43 交越失真及其消除交越失真及其消除（a a）交越失真产生）交越失真产生 （b b）消除交越失真）消除交越失真二、双电源互补对称推挽功放（二、双电源互补对称推挽功放（OCL功放）功放）4交越失真及消除方法交越失真及消除方

14、法图图4-44 4-44 克服交越失真的偏置电路克服交越失真的偏置电路（a a）二极管偏置）二极管偏置 （b b）三极管偏置）三极管偏置利用两只硅二极管串联的正向管利用两只硅二极管串联的正向管压降为两功放管提供所需偏置，压降为两功放管提供所需偏置，以避免交越失真。以避免交越失真。 利用利用 VT3VT3管的压降管的压降U UCE3CE3作为功放管作为功放管的偏置电压，的偏置电压，克服交越失真。克服交越失真。三、单电源互补对称推挽功放（三、单电源互补对称推挽功放（OTL功放）功放）1电路组成及工作原理电路组成及工作原理两个互补对称的功放管。与两个互补对称的功放管。与OCLOCL电路相比，它省去了

15、负电源电路相比，它省去了负电源，输出端加接了一只大容量电容器。，输出端加接了一只大容量电容器。 2性能分析性能分析三、单电源互补对称推挽功放（三、单电源互补对称推挽功放（OTL功放）功放） OTL OTL功放电路的输出功率、效率、管耗等计算方法与功放电路的输出功率、效率、管耗等计算方法与OCLOCL功放电路完全相同。它们之间的差别仅是功放电路完全相同。它们之间的差别仅是OTLOTL为单电源供电为单电源供电。 理想情况下：理想情况下：2CComUULCCLCCLommRURURUP222o81)2/(2121选管条件：选管条件： omCMPP2 . 0CCCEOBRUU)(LCCCMRUI213

16、采用复合管的采用复合管的OTL功放功放三、单电源互补对称推挽功放（三、单电源互补对称推挽功放（OTL功放）功放）把两个及以上三极管按一定方式连接起来，等效为把两个及以上三极管按一定方式连接起来，等效为一个三极管使用。一个三极管使用。 4. 实用的实用的OTL功放电路功放电路三、单电源互补对称推挽功放（三、单电源互补对称推挽功放（OTL功放）功放）VT2VT2、VT4VT4及及VT3VT3、VT5VT5：组成互补复合管。：组成互补复合管。VT1VT1：前置电压甲类放大电路。：前置电压甲类放大电路。R4R4、VDVD：偏置电路，使复合管工作在甲乙类状态，以消除交：偏置电路，使复合管工作在甲乙类状态

17、，以消除交越越 失真，同时失真，同时VDVD还起到温度补偿作用。还起到温度补偿作用。R RP P：VT1VT1管的偏置电阻，同时起交、直流负反馈的作用，调整管的偏置电阻，同时起交、直流负反馈的作用，调整它使中点电压它使中点电压U UB B=U=UCCCC/2/2。 R7R7、R8R8：穿透电流分流电阻。：穿透电流分流电阻。R9R9、R10R10：输出限流电阻，用于稳定：输出限流电阻，用于稳定Q Q点、减少非线性失真。点、减少非线性失真。C2C2、R6R6：组成自举电路，扩大输出的动态范围。：组成自举电路，扩大输出的动态范围。C3C3、C6C6：交流负反馈电容，用于消除自激振荡。：交流负反馈电容

18、，用于消除自激振荡。 4. 实用的实用的OTL功放电路功放电路三、单电源互补对称推挽功放（三、单电源互补对称推挽功放（OTL功放）功放）四、平衡式桥接推挽功放（四、平衡式桥接推挽功放（BTLBTL功放）功放） 用两组对称和互补电路组成用两组对称和互补电路组成BTLBTL电路，输出功率可增大好几电路，输出功率可增大好几倍倍, ,同时提高电源同时提高电源利用率。利用率。 图图4-49 BTL4-49 BTL电路组成方框图电路组成方框图 两路功输入信号是反相的，所以负载一端的电位升高时，另一端两路功输入信号是反相的，所以负载一端的电位升高时，另一端则降低，因此负载上获得的信号电压要增加一倍。则降低，

19、因此负载上获得的信号电压要增加一倍。有输入信号时：有输入信号时：图图4-50 BTL4-50 BTL功放部分工作原理图功放部分工作原理图 四、平衡式桥接推挽功放（四、平衡式桥接推挽功放（BTLBTL功放）功放）静态时：静态时： LR中没有电流流过。中没有电流流过。 最大输出功率：最大输出功率：)21(42122oLCCLommRURUPBTLBTL放大电路输出功率较大，频响、失真等性能也比较好，放大电路输出功率较大，频响、失真等性能也比较好，负载可以不接地，既可以使用单电源也可以使用双电源。负载可以不接地，既可以使用单电源也可以使用双电源。 五、功率放大器使用应注意的问题五、功率放大器使用应注

20、意的问题1功放管的并联应用功放管的并联应用功放管并联工作时，功放管并联工作时，由于管子的特性不一由于管子的特性不一致，会使两个管子的致，会使两个管子的电流分配不均匀，造电流分配不均匀，造成某个管子过电流以成某个管子过电流以致损坏。故，在各管致损坏。故，在各管的发射极电路中接入的发射极电路中接入均流电阻均流电阻R RE E 2保持良好的散热保持良好的散热功放管的允许管耗受功放管的允许管耗受管子允许结温的限制管子允许结温的限制，与管子的散热情况，与管子的散热情况有密切的关系。采取有密切的关系。采取散热措施，能保证管散热措施，能保证管子安全工作，增加功子安全工作，增加功放管的输出功率。放管的输出功率

21、。五、功率放大器使用应注意的问题五、功率放大器使用应注意的问题图图4-52 4-52 散热片的安装散热片的安装（a a）卧式安装（）卧式安装（b b）立式安装）立式安装3防止二次击穿防止二次击穿五、功率放大器使用应注意的问题五、功率放大器使用应注意的问题管耗并未超过允许的管耗并未超过允许的P PCMCM值，且管子也不是很值，且管子也不是很烫，管子却突然失效或者性能显著下降。烫，管子却突然失效或者性能显著下降。 一次击穿出现后，若不采取措施，一次击穿出现后，若不采取措施，i iC C继续增大，三继续增大，三极管的工作状态将会迅速移向低压大电流区出现二次击穿极管的工作状态将会迅速移向低压大电流区出

22、现二次击穿，造成永久损坏。，造成永久损坏。 选择功放管时，极限参数的选择要留有余地，选择功放管时，极限参数的选择要留有余地，但功放管的安全工作范围相应地也变小了。但功放管的安全工作范围相应地也变小了。3防止二次击穿防止二次击穿五、功率放大器使用应注意的问题五、功率放大器使用应注意的问题4采取保护措施采取保护措施为了保证功率管安全工作，电路中应采取过压、过流为了保证功率管安全工作，电路中应采取过压、过流和短路保护等措施。和短路保护等措施。六、集成功率放大器六、集成功率放大器1集成功率放大器概述集成功率放大器概述采用平面集成工艺，把功率放大器中的晶体管和电采用平面集成工艺，把功率放大器中的晶体管和

23、电阻都制作在同一硅片上。阻都制作在同一硅片上。（1）性能好、体积小、管耗低、可靠性高、电源利用率性能好、体积小、管耗低、可靠性高、电源利用率高、价格便宜，安装调试简单、方便，只需外接负载和电高、价格便宜，安装调试简单、方便，只需外接负载和电容器即可。容器即可。（2）晶体管的对称性和静态电流都处于最佳状态，所以）晶体管的对称性和静态电流都处于最佳状态，所以失真度小，温度稳定性好，失真度小，温度稳定性好，（3）有过热、过流、过压保护电路，器件损坏率低，）有过热、过流、过压保护电路，器件损坏率低，广泛应用在收音机、录音机、对讲机、电视机广泛应用在收音机、录音机、对讲机、电视机和直流伺服系统中的功率放

24、大部分和直流伺服系统中的功率放大部分2. LM386小功率音频集成功放小功率音频集成功放六、集成功率放大器六、集成功率放大器图图4-55 LM 3864-55 LM 386外形与管脚排列外形与管脚排列（a)a)外形图外形图 （b)b)管脚排列图管脚排列图（1 1）主要性能指标）主要性能指标额定工作电压额定工作电压:4:416V16V。、脚开路时带宽、脚开路时带宽300kHZ300kHZ，总谐波失真为，总谐波失真为0.2%,0.2%,输入阻抗为输入阻抗为50K50K。电源电压为电源电压为9V9V，负载阻抗，负载阻抗为为88时，输出功率可达时，输出功率可达1.3W 1.3W 。一般使用时不需散热片。一般使用时不需散热片。、脚间外接电阻、脚间外接电阻R R，则：，则： RRRRAuf/2435、之间交流短路时、之间交流短路时： 200235RRAuf2. LM386小功