课题四音频功放设计与制作

1、课题四音频功放设计与制作1第1页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三课题四 音频功率放大器的设计与制作第一讲 音频功放电路 互补对称 功率放大电路的基本原理第二讲 集成功放电路及其应用第三讲 功放管的连接和散热2第2页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三例1： 扩音系统执行机构问题一：功率放大电路的功能和特点功率放大器的作用： 用作放大电路的输出级，以驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、 仪表指针偏转等。 第一讲 音频功放电路的基本原理功率放大电压放大信号提取3第3页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三例2：温度控制R1-R3:标准电

2、阻Ua : 基准电压Rt :热敏电阻A：电压放大器RtTUOT 温度调节过程UbUO1R1aR2uoUsc+R3Rt 功 放b温控室A+-uo1加热元件4第4页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三分析功放电路应注意的问题(1) 功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。 ICMPCMUCEMIcuce5第5页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三(2) 电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。(3) 电源提供的能量尽可能转换给负载，减少 晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（）。Po

3、max : 负载上得到的交流信号功率。PE ： 电源提供的直流功率。6第6页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三不合适，因为效率太低 。 uotuo射极输出器输出电阻低，带负载能力强，可以用做功率放大器吗？问题讨论1:ibRbuoUSCuiRE估算射极输出器的效率 ：QicuceUSC(设RL=RE)7第7页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三为使输出信号的幅值尽可能大(要保证不失真)，静态工作点（Q）设置较高（靠近负载线的中部）。若忽略晶体管的饱和压降和截止区，输出信号uo的峰值最大只能为：uo的取值范围QIcuCEUSC直流负载线交流负载线UCEQ =

4、0.5USC 静态工作点：8第8页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三放大电路的输出没有失真的工作方式称为甲类放大。1. 直流电源输出的功率2. 最大负载功率3. 最大效率(RL=RE时)9第9页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三方法1：提高电源电压 选用耐压高、容许工作电流大和耗散功率大的器件方法2：改善器件的散热条件 直流电源提供的功率，大部分消耗在放大器件上，使器件的温度升高，如果散热条件不好，极易烧坏放大器件。实际应用时需加散热片或用风扇冷却。 怎样提高输出功率？问题讨论2:10第10页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三如何解决

5、效率低的问题？办法：降低Q点。既降低Q点又不会引起截止失真的办法：采用推挽输出电路，或互补对称射极输出器。缺点：但又会引起截止失真。问题讨论3:11第11页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三问题二：互补对称功率放大电路的基本原理 互补对称功放的类型 无输出变压器形式 （ OTL电路）无输出电容形式 （ OCL电路）OTL: Output TransformerLessOCL: Output CapacitorLess互补对称：电路中采用两支晶体管，NPN、 PNP各一支；两管特性一致。类型：12第12页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三1、 无输出电容的

6、互补对称功放电路一、工作原理（设ui为正弦波）电路的结构特点：ui-USCT1T2uo+USCRLiL1. 由NPN型、PNP型三极管构成两个对称的射极输出器对接而成。2. 双电源供电。3. 输入输出端不加隔直电容。13第13页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三ic1ic2动态分析：ui 0VT1截止，T2导通ui 0VT1导通，T2截止iL= ic1 ;ui-USCT1T2uo+USCRLiLiL=ic2T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方式，称为乙类放大。因此，不需要隔直电容。静态分析：ui = 0V T1、T2均不工作 uo = 0V14第14页，共51页，2

7、022年，5月20日，8点29分，星期三乙类放大的输入输出波形关系:ui-USCT1T2uo+USCRLiL交越失真死区电压uiuououo tttt交越失真：输入信号 ui在过零前后，输出信号出现的失真便为交越失真。15第15页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三ui-USCT1T2uo+USCRLiL(1) 静态电流 ICQ、IBQ等于零；(2) 每管导通时间等于半个周期 ； (3) 存在交越失真。 乙类放大的特点：16第16页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三二、最大输出功率及效率的计算假设 ui 为正弦波且幅度足够大，T1、T2导通时均能饱和，此时

8、输出达到最大值。ULmax负载上得到的最大功率为：iL-USCRLuiT1T2UL+USC若忽略晶体管的饱和压降，则负载（RL)上的电压和电流的最大幅值分别为：17第17页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三电源提供的直流平均功率计算： 每个电源中的电流为半个正弦波，其平均值为:两个电源提供的总功率为：USC1 =USC2 =USCtic118第18页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三效率为：19第19页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三三、电路的改进1. 克服交越失真交越失真产生的原因： 在于晶体管特性存在非线性，ui IB，则23第

9、23页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三3. 电路中增加复合管增加复合管的目的是：扩大电流的驱动能力。复合管的构成方式：cbeT1T2ibicbecibic方式一：24第24页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三becibic 1 2晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。方式二：cbeT1T2ibic复合管构成方式很多。不论哪种等效方式，等效后晶体管的性能确定均如下：25第25页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三改进后的OCL准互补输出功放电路： T1：电压推动级 T1、R1、R2： UBE倍增电路 T3、T4、T5、T6： 复合管构

10、成的输出级准互补 输出级中的T4、T6均为NPN型晶体管，两者特性容易对称。+USC-USCR1R2RLuiT1T2T3T4T5T626第26页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三-UEE+UCCERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第4级：互补对称射极跟随器差动放大器第2级第1级：差动放大器第3级：单管放大器集成运放内部的功率放大器27第27页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三2、无输出变压器的互补对称功放电路一、特点1. 单电源供电；2. 输出加有大电容。二、静态分析则 T1、T2 特性对称，令：0.

11、5USCRLuiT1T2+USCCAUL+-UC28第28页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三三、动态分析设输入端在 0.5USC 直流电平基础上加入正弦信号。若输出电容足够大， UC基本保持在0.5USC ，负载上得到的交流信号正负半周对称，但存在交越失真。ic1ic2交越失真RLuiT1T2+USCCAUL+-时，T1导通、T2截止；时，T1截止、 T2导通。0.5USCuit29第29页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三四、输出功率及效率若忽略交越失真的影响，且 ui 幅度足够大。则：uLULmaxuitt30第30页，共51页，2022年，5月2

12、0日，8点29分，星期三实用OTL互补输出功放电路调节R,使静态UAQ=0.5USCD1 、 D2使b1和b2之间的电位差等于2个二极管正向压降，克服交越失真。Re1 、 Re2：电阻值12，射极负反馈电阻，也起限流保护作用。D1D2ui+USCRLT1T2T3CRBRe1Re2b1b2A31第31页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三 实际功放电路这里介绍一个实用的OCL准互补功放电路。其中主要环节有 ： (1) 恒流源式差动放大输入级（T1、T2、T3）；(2) 偏置电路（R1、D1、D2）；(3) 恒流源负载（T5）；(4) OCL准互补功放输出级（T7、T8、T9、

13、T10）；(5) 负反馈电路（Rf、C1、Rb2构成交流电压串联负反馈）； (6) 共射放大级（T4）；(7) 校正环节（C5、R4）；(8) UBE倍增电路（T6、R2、R3）；(9) 调整输出级工作点元件（Re7、Rc8、Re9、Re10）。32第32页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三+24VuiRLT7T8RC8-24VR2R3T6Rc1T1T2Rb1Rb2C1RfR1D1D2T3Re3T4Re4C2T5Re5C3C4T9T10Re10Re7Re9C5R4BX差动放大级反馈级偏置电路共射放大级UBE倍增电路恒流源负载准互补功放级保险管负载实用的OCL准互补功放电路：

14、33第33页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三输出功率的估算：输出电压的最大值约为 19.7V，设负载 RL= 8 则最大输出功率为：实际输出功率约为 20W。注：该实用功放电路的详细分析计算请参考模拟电子技术基础（童诗白主编）。34第34页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三利用变压器的阻抗变换功能，可实现功放电路和负载间的匹配，以弥补其它类型功放电路的不足。一、特点例：OCL电路中，若 RL=80 、需要输出功率 PO=50W。根据公式 得电源电压：90V的电压对电子电路显然不合适。利用变压器阻抗变换关系( RL= K2 RL)，把阻抗变小，便可解决以

15、上问题。 变压器耦合式功放电路35第35页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三 （变阻抗）变压器原、副边阻抗关系从原边等效：结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以变比的平方。 36第36页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三二、乙类变压器耦合式推挽功率放大器1.原理电路uiT2T1RL+-USCiLN2N1N1放大器：由两个共射极放大器组成，两个三极管的射极接在一起。37第37页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三输入变压器：将输入信号分成两个大小相等相位相反的信号，分别送两个放大器的基极，使 T1、T2 轮流导通。输出变压器：将两

16、个集电极输出信号合为一个信号，耦合到副边输出给负载。uiT2T1RL+-USCiLN2N1N138第38页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三uiT2T1RL+-USCiLN2N1N12. 动、静态分析静态分析：ui = 0 ， T1、T2 均截止，iL = 0 。变压器线圈对于直流相当于短路。39第39页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三uiT2T1RL+-USCiLN2N1N1动态分析： ui 0 时： T1导通、T2 截止，ic1 经变压器耦合给负载，iL的方向由 ic1决定。 若ui 为正弦信号，则 iL近似为正弦波。 ui 0 时： T2导通、T

17、1截止，ic2 经变压器耦合给负载，iL的方向由 ic2决定。ic2ic1T1、T2都只在半个周期内工作，存在交越失真。40第40页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三3. 输出功率及效率分析方法和前述互补对称功放电路类似，请自行分析。这里的负载为变压器原边等效负载 RL。uiT2T1RL+-USCiLN2N1N141第41页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三三、甲乙类变压器耦合式推挽功率放大器Rb1、 Rb2、 Re 的作用：克服交越失真。USCT1T2RLiLuiReRb2Rb142第42页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三两个三极

18、管都构成静态工作点稳定的共射极放大器。其静态工作点都设在刚刚超过截止区， IB很小，IC 也很小，从而降低了直流功耗。直流通道变压器线圈对于直流相当于短路：USCT1T2ReRb2Rb143第43页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三第二讲 集成功放电路及其应用44第44页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三 集成功率放大器特点：工作可靠、使用方便。只需在器件外部适当连线，即可向负载提供一定的功率。集成功放LM386：生产厂家：美国半导体器件公司电路形式：OTL输出功率：8负载上可得到700mW功率电源电压：412V 45第45页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三LM386内部结构：8172365446第46页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三集成功放 LM386管脚说明:6- 电源端（ Vcc）4 - 接地端（ GND）2、3 反、同相输入端 5 - 输出端（经250 电容接负载）)123456781、8 -空脚（NC），或接RC串联电路改变增益7 -空脚（NC），或接旁路电容47第47页，共51页，2022年，5月20日，8点29分，星期三集成功放 LM386 外部电路典型接法：250+-