放大器的概念与音频功率放大器的设计

1、放大器的概念与音频功率放大器的设计2014.5一、 放大器的基本概念1、什么是放大器？u 放大器是将幅度较小的电信号放大成幅度较大的电信号的电路。u 放大器的输入、输出信号可以是电流、电压、功率，得到： 电压放大器，电流放大器，功率放大器，电压电流转换器，电流电压转换器u 放大器只能消耗能量，不能产生能量。所以放大器严格来讲是一个控制器或受控源。放大器的输出是在输入信号的控制下将电源提供的能量转换为和输入信号具有相同形式的能量输出。一、放大器的基本概念2、放大器的主要技术指标与测量方法（1）放大器增益或放大倍数： 电压放大倍数定义为: AU=uo/ui 电流放大倍数定义为: AI=io/ii

2、互阻增益定义为: Ar=uo/ii 互导增益定义为: Ag=io/ui 功率增益为： Ap=Po/Pi放大器增益测量注意的问题： 放大器工作在线性状态：失真与输入输出幅度有关，应该在没有明显的失真获失真小于规定值的情况下。非线性状态下增益的测量没有意义。 放大器工作在中心频率或增益最高的频率上：增益与频率有关，有些放大器对测试的频点有要求。 电压测量：要用高阻仪器，电压表比示波器的精度要高，要排除仪器的干扰，有些放大器特别是宽带放大器输入输出不能同时测量，会引起地线干扰。 电流一般不能直接测量，因为复杂的仪器不能浮地使用。可以使用电流探头获串接电阻间接测量。一、放大器的基本概念（2）放大器的幅

3、频特性 放大器对不同的频率具有不同的放大能力，能够放大的频率范围总是有限的，也就产生了按频率划分的各种放大器：直流、低频、音频、中频、高频、宽带、射频等。能够放大的频率范围称为通频带。频带内的最大增益与最小增益差称为带内波动。测量时注意事项：可以用信号源+示波器（或电压表）逐点描图的方式，但必须保证输入信号的幅度不变，放大器工作在正常状态。可以使用扫频仪（频率特性测试仪）测量，射频的使用频谱分析仪或网络分析仪测量。对于高增益放大器，选用输出信号小的信号源或加装衰减器，小信号测量时注意干扰和早上的影响。通频带：通频带：fbw=fHfL一、放大器的基本概念（3）放大器的输入、输出阻抗 输入阻抗是从

4、放大器输入端看进去的等效阻抗；输出阻抗是从输出端看进去的等效阻抗。一般来说， Ri越大越好。Ri越大，ii就越小，从信号源索取的电流越小。当信号源有内阻时， Ri越大， ui就越接近uS。输出电阻是表明放大电路带负载能力的，Ro越小，放大电路带负载的能力越强，反之则差。射频放大器要求阻抗匹配。测量时主义的问题：输入电流不能直接测量，串接电阻的阻值和输入电阻相当；输出电阻 不能按定义直接测量，更不能采用开路电压和短路电流法测量。一般是给定输入下通过改变负载电阻（已知）测量输出电压进行计算。输出电阻一般是在额定输出状态下测量。测量时注意散热和放大器安全。交流测量应注意分布参数和仪表的影响。一、放大

5、器的基本概念（4）放大器的瞬态响应和压摆率在输入为理想上升沿或下降沿时，输出信号的变化速率，既输出电压在脉冲时的最大摆动速率或转换速率。一般情况下，速率高的放大器带宽也宽。带宽是稳态参数，压摆率是瞬态参数。他们之间的近似关系： 设 则 一、放大器的基本概念（5）放大器的失真度 严格来说，放大器是非线性的，都会存在非线性失真，是输出端产生了输入端所没有的新频率分量。失真的大小用失真度来衡量，其定义是信号中全部谐波分量电压的有效值与基波分量电压的有效值之比。失真度的测量基本上有两种方法：滤波法和频谱分析法。 对于音频功放来讲，要求失真度越小越好，失真度小的音响称为高保真度音响，即HIFI。有些地方

6、也会提到线性失真的概念二、音频功率放大器分析1、主要要求 额定输出功率大： 小功率：1瓦以下，中功率1-10瓦；大功率10瓦以上 工作效率尽可能高：甲类50%; 甲乙类78.5%; 丁（D）类：95%左右。 失真度尽可能低： 一般在0.1%以下， 压摆率： 失真度与压摆率的矛盾，是反馈与开环的矛盾，稳态与瞬态的矛盾 频率范围： 一般 60Hz-15kHz，20Hz-20kHz，直流-100kHz 输出电阻： 几十毫欧 负载阻抗： 4欧或8欧 电源功率： 满足功放的使用，裕量足够，动态特性好 散热能力： 控制温升 功率管安全：高电压、大电流、高耗散功率，不能击穿不能烧坏2、其他功能： 音调控制，

7、频谱显示，立体声解码，DB降噪，数字音量，混响，各种保护等3、音频功率放大器的： 音响扩音，大功率负载驱动，功率信号源等4. 甲甲类功率放大器分析类功率放大器分析（1）三）三极管的静态功耗：极管的静态功耗：若若CCCEQVU21%0效率,的静态功耗相等三极管和负载电阻LRCQCEQTIUP CQCCEIVP 电源提供的平均功耗：电源提供的平均功耗：CQCCRLTIVPP21则则+uVCCLRb1RiIcuceQuceQIcQ2022年6月11日星期六4时35分27秒9（2）动）动态功耗态功耗当输入信号当输入信号Ui 输输出功率出功率:omomomom2122IUIUP o 要想要想PO大，就要

8、使功大，就要使功率三角形的面积大，即必率三角形的面积大，即必须使须使Vom 和和Iom 都要大。都要大。最大输出功率最大输出功率:CQCComIVP )21(21MNUomIom功率三角功率三角形形iCuCEQUCEQICQVCC10此电路的最高效率此电路的最高效率 输出功率输出功率小，小， 静态功率大，效率低静态功率大，效率低（3）BJT的几种工作状态的几种工作状态甲类：甲类：Q点适中，在正弦信号的整个点适中，在正弦信号的整个周期内均有电流流过周期内均有电流流过BJT。甲乙类：甲乙类：介于两者之间，导通角介于两者之间，导通角大于大于180iCuCEQ1UCEQICQVCCiCuCEQ3ICQ

9、VCC乙类：乙类：静态电流为静态电流为0，BJT只在正弦只在正弦信号的半个周期内均导通。信号的半个周期内均导通。iCuCEQ2ICQVCC2022年6月11日星期六4时35分27秒11结构互结构互补对称：补对称： 电路中采用两个晶体管：电路中采用两个晶体管：NPN、PNP各一支；各一支； 两管特性一致。组成互补对称式射极输出器两管特性一致。组成互补对称式射极输出器。轮流交替工作轮流交替工作（4） 乙类互补对称功率放大电路乙类互补对称功率放大电路 2022年6月11日星期六4时35分27秒12ic1ic2uiuououo 死区电压死区电压交越失真交越失真组合特性分析组合特性分析图解法图解法负载上

10、的最大不失真电压为负载上的最大不失真电压为Uom=VCC- UCESuuVCCVCCoiLRiC1uCEiC2QVCCUCESUCESUom2022年6月11日星期六4时35分27秒13最大不失真输出功率最大不失真输出功率PomaxL2CCL2CESCComax22)(RVRUVP 1.输出功率输出功率PoL2omLomomooo222=RURUUIUP 分分析计算析计算uuVCCVCCoiLR2022年6月11日星期六4时35分28秒14一个管子的管耗一个管子的管耗)(d )(21=0LooCCT1tRuuVP 2.管耗管耗PT两管管耗两管管耗)d( sin)sin(210LomomCCtR

11、tUtUV )4(12omomCCLUUVR T1T2=PP)4(22omomCCLUUVR uuVCCVCCoiLR2022年6月11日星期六4时35分28秒153.电源供给的功率电源供给的功率PE ToE=PPPLomCC2RUV 当当时， CComVU 2L2CCEmRVP 4.效率效率 CComEo4=VUPP 时时， CComVU % 78.54max 最高效率最高效率 max2022年6月11日星期六4时35分28秒16三三极管的最大管耗极管的最大管耗 )4(1)d(sin)sin(21=2omomCCLom0omT1UUVRtRtUtUVPLCC omL2CCT1max2 . 0

12、22 . 0PRVP 问：问：Uom=？ PT1最大最大, PT1max=？用用PT1对对Uom求导，并令导数求导，并令导数=0，得出：，得出：PT1max发生在发生在Uom=0.64VCC处。处。将将Uom=0.64VCC代入代入PT1表达式表达式：2022年6月11日星期六4时35分28秒17选功率管的原则：选功率管的原则：1. PCM PT1max =0.2PoM2CCCEOBRVU2)( L2CCoM2RVP uuVCCVCCoiLR2022年6月11日星期六4时35分28秒18 tuo交越失真交越失真ui t存在交越失真存在交越失真乙类互补对称功放的缺点乙类互补对称功放的缺点uuVC

13、CoiLRVCCuu-oLRi2RD12R1VCCDVCC2022年6月11日星期六4时35分28秒19 静态时静态时: T1、T2两管发射结电压分别为二极管两管发射结电压分别为二极管D1、 D2的正向导通压降，致使两管均处的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态于微弱导通状态甲乙类工作状态甲乙类工作状态动态时：动态时：设设 ui 加入正弦信号。正半周加入正弦信号。正半周 T2 截止，截止，T1 基极电位进一步提高，进入良好的导通基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；负半周状态；负半周T1截止，截止，T2 基极电位进一步基极电位进一步降低，进入良好的导通状态。降低，进入良好的导通状态。电路

14、中增加电路中增加 R1、D1、D2、R2支路支路1.1.基本原理基本原理 （5）甲）甲乙类互补对称功率放大电路乙类互补对称功率放大电路一一. 甲乙类双电源互补对称电路甲乙类双电源互补对称电路uuRoLi2R1DD2VCC1RVCC2022年6月11日星期六4时35分28秒20uB1tUTtiBIBQ波形关系：波形关系：ICQiCuBEiBib特点：特点：存在较小的静态电流存在较小的静态电流 ICQ 、IBQ 。每管导通。每管导通时间大于半个周期，时间大于半个周期，基本不失真。基本不失真。 iCQuceVCC /ReVCCIBQ2022年6月11日星期六4时35分28秒212.2.带前置放大级的

15、功率放大器带前置放大级的功率放大器 （甲乙类互补对称电路甲乙类互补对称电路的计算同乙类的计算同乙类）-+uu*CCVUPLRO1RR3R4DVCCIR2iT12TT32022年6月11日星期六4时35分28秒223. 电路中增加复合管电路中增加复合管增加复合管的目的：增加复合管的目的：扩大电流的驱动能力。扩大电流的驱动能力。 1 2晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。复合复合NPN型型复合复合PNP型型cebCibieiT12TcbeibTTe1C2iibcebiTiCeibecieiiCTb2022年6月11日星期六4时35分28秒234. 带复合

16、管的带复合管的OCL互补输出功放电路：互补输出功放电路： T1：电压推动级（前置级）电压推动级（前置级） T2、R1、R2：UBE扩大电路扩大电路 T3、T4、T5、T6：复合管构成互补对称功放复合管构成互补对称功放 输出级中的输出级中的T4、T6均为均为NPN型晶体管，两者型晶体管，两者特性容易对称。特性容易对称。 合理选择合理选择R1、R2，b3、b5间可得间可得到到 UBE2 任意倍的电压。任意倍的电压。22122RRRUUBECE uuLRT3TT65oT41T2Ti3RR12R2022年6月11日星期六4时35分28秒241、基本原理、基本原理. 单电源供电；单电源供电；. 输出加有

17、大电容。输出加有大电容。（1）静态偏置）静态偏置二二. 甲乙类单电源互补对称电路甲乙类单电源互补对称电路 调整调整RW阻值的大小，阻值的大小，可使可使CCP21VU 此时电容上电压此时电容上电压CCC21VU +uuTT1324TTC8RVCC1R2RRLR5R6WRUPiO2022年6月11日星期六4时35分28秒25（2）动态分析）动态分析（电容起到了负电源（电容起到了负电源的作用）的作用）Ui负半周时，负半周时，T1导通、导通、T2截止；截止；Ui正半周时，正半周时，T1截止、截止、T2导通。导通。+uuTT1324TTC8RVCC1R2RRLR5R6WRUPiO2022年6月11日星期

18、六4时35分28秒26（3）输出功率及效率）输出功率及效率若忽略交越失真的影响。则：若忽略交越失真的影响。则：LCCLooRVRUP8)2(22maxmax %5 .78max 2maxCCoVU 此电路存在的问题：此电路存在的问题：输出电压正方向变化的幅度受到限制，达不到输出电压正方向变化的幅度受到限制，达不到VCC/2。+uuTT1324TTC8RVCC1R2RRLR5R6WRUPiO2022年6月11日星期六4时35分28秒272. 带自举电路的单电源功放带自举电路的单电源功放静态时静态时CCP21VU C1充电后，其两端有充电后，其两端有一固定电压一固定电压动态时动态时由于由于C1很大，两端电压基本很大，两端电压基本不变，使不变，使C1上端电位随输出上端电位随输出电压升高而升高。保证输出电压升高而升高。保证输出幅度达到幅度达到VCC/2。+uuRCCTL1CRR2PR0R837CU2R1RTRiTW5V416TC1、R7为自举电路为自举电路2022年6月11日星期六4时35分28秒283.带运放前置放大级的功率放大电路带运放前置放大级的功率放大电路运放运放A接成同相输入方式作前置放大级。引入了电压接成同相输入方式作前置放大级。引入了电压串联负反馈。整个电路的电压放大倍数：串联负反馈。整个电路的电压放大倍数： aRRuuAfiou1