电子技术项目教程11低频功率放大电路的测试

电子技术项目教程2023/1/1512.5低频功率放大电路的测试2.5.1低频功率放大电路的特点与分类实训2-10：乙类互补对称功率放大电路的测试2.5.2乙类互补对称功率放大电路2.5.3甲乙类互补对称功率放大电路实训2-11：甲乙类单电源互补对称功率放大电路的测试实训2-12：甲乙类OTL互补对称功率放大电路的仿真测试2.5.4集成功率放大器实训2-13：集成音频功率放大器的调整与测试实训任务2.5低频功率放大电路的测试2023/1/152电子设备的放大系统，一般由多级放大器组成，其末级都要接实际负载。这就要求有较大的电压、电流，即能够输出足够大的功率来带动一定的负载工作。能够为负载提供足够大功率的放大器，称为功率放大器，简称“功放”。实训任务2.5低频功率放大电路的测试2023/1/153功率放大电路主要任务:

不失真（或较小失真）、高效率地向负载提供足够的输出功率。

特点：（1）尽可能大的输出功率；

（2）尽可能高的功率转换效率；

（3）非线性失真尽可能小。2.5.1低频功率放大电路的特点与分类2023/1/1541.功率放大电路特点及主要技术指标1）尽可能大的输出功率；

为了获得尽可能大的输出功率，功率放大器常常工作在接近极限的工作状态。2.5.1低频功率放大电路的特点与分类2023/1/1551.功率放大电路特点及主要技术指标1）尽可能大的输出功率；

假定输入信号为某一频率的正弦信号，则输出功率：

式中IO、UO、IOM、UOM分别为负载上的正弦信号的电流、电压的有效值，电流、电压的最高值。

最大输出功率POM

是指在正弦输入信号下，输出波形不超过规定的非线性失真指标时，放大电路最大输出电压和最大输出电流有效值的乘积。2.5.1低频功率放大电路的特点与分类2023/1/1561.功率放大电路特点及主要技术指标2）尽可能高的功率转换效率

放大电路的效率反映了功放把电源功率转换成输出信号功率（即有用功率）的能力。

式中PO为信号输出功率，PE为直流电源向电路提供的功率。2.5.1低频功率放大电路的特点与分类2023/1/1571.功率放大电路特点及主要技术指标3）非线性失真尽可能小

大信号工作状态，输出波形不可避免地存在着非线性失真。

不同的功放电路对非线性失真有不同的要求。在实际使用时，要将非线性失真限制在允许的范围内。4）有效的散热措施

由于功放管工作在极限的状态，有相当大的功率消耗在功放管的集电极上，造成功放管温度升高，性能变差，严重时甚至损坏，因此功放管散热措施需要重视。

2.5.1低频功率放大电路的特点与分类2023/1/1581.功率放大电路特点及主要技术指标5）分析方法

由于功放管工作在大信号状态，因此只能采用图解法对其输出功率和效率等指标作粗略估算。2.5.1低频功率放大电路的特点与分类2023/1/1591.功率放大电路特点及主要技术指标6）选择功放管注意点（1）注意极限参数的选择，保证管子安全使用；（2）合理选择功放的电源电压及工作点；（3）对晶体管加散热措施。7）主要技术指标最大输出功率转换效率2.5.1低频功率放大电路的特点与分类2023/1/15101.功率放大电路特点及主要技术指标根据功放管导通时间不同，可以分为甲类、乙类、甲乙类三种。2.5.1低频功率放大电路的特点与分类2023/1/15111）甲类特点：①输入信号的整个周期内，晶体管均导通；②效率低，一般只有30％左右，最高只能50％。应用：小信号放大电路。2.功率放大电路工作状态的分类2.5.1低频功率放大电路的特点与分类2023/1/15122）乙类

特点：①输入信号的整个周期内，晶体管仅在半个周期内导通；②效率高，最高可达78.5％。③缺点是存在交越失真。应用：乙类互补功率放大电路根据功放管导通时间不同，可以分为甲类、乙类、甲乙类三种。2.功率放大电路工作状态的分类2.5.1低频功率放大电路的特点与分类2023/1/15133）甲乙类特点：①输入信号的整个周期内，晶体管导通，时间大于半周而小于全周；②交越失真改善；③效率较高（介于甲类与乙类之间）。应用：互补对称式低频功率放大电路。根据功放管导通时间不同，可以分为甲类、乙类、甲乙类三种。2.功率放大电路工作状态的分类测试电路：Q1、Q2分别为NPN型和PNP型晶体管，其特性和参数对称，由正、负等值的双电源供电。当输入信号ui=0时，两个晶体管都工作在截止区，此时，静态工作电流为零，电路工作在乙类工作状态当有输入信号时，Q1和Q2轮流导电，交替工作，使流过负载RL的电流为一完整的正弦信号。实训2-10：乙类互补对称功率放大电路的测试2023/1/1514

由于两个不同极性的管子互补对方的不足，工作性能对称，所以这种电路通常称为互补对称式功率放大电路。实训流程：（1）按图画好电路。（2）用万用表XMM1、XMM2测量两管集电极的电流IC1、IC2值，用万用表XMM3测量输出电压；用示波器XSC1观察信号源波形和输出信号波形。（3）使输入信号为0，测量两管集电极静态工作电流IC1

，IC2。结论：此电路静态功耗

（基本为0/比较大）。实训2-10：乙类互补对称功率放大电路的测试2023/1/1515实训流程：（4）加入输入信号，其有效值为2V，频率1kHz，用示波器观察信号源波形和输出信号波形。结论：输出信号波形在过零点处

（无明显失真/有明显失真）。实训2-10：乙类互补对称功率放大电路的测试2023/1/1516有明显失真实训流程：（5）将输入信号的有效值改为8.5V，频率1kHz，用示波器观察输出信号波形，并记录幅值UOM=

。

计算=

。

实训2-10：乙类互补对称功率放大电路的测试2023/1/1517

（6）用万用表测量电源提供的平均直流电流IO值，计算电源提供的功率PE、单个功放管管耗PT和效率η。IO=

，PE=2VCCIO=

，PT=（PE-PO）=

，结论：该电路输出信号的效率

（大于50%/小于50%），效率

（较高/较低）。11.27V63.5mW3.45mA82.8mW19.3mW76.7%大于50%较高VT1、VT2分别为NPN型和PNP型晶体管，要求VT1和VT2管特性对称，并且正负电源对称。1.电路的组成和工作原理双电源互补对称、无输出电容的功率放大电路，这种功放电路简称为OCL电路。2.5.2乙类互补对称功率放大电路2023/1/1518由于两个不同极性的管子互补对方的不足，工作性能对称，所以这种电路通常称为互补对称式功率放大电路。（1）静态分析当输入信号ui=0时，两个晶体管都工作在截止区，此时，静态工作电流为零，负载上无电流流过，输出电压为零，输出功率为零。（2）动态分析当有输入信号时，VT1和VT2轮流导电，交替工作，使流过负载RL的电流为一完整的正弦信号。2.5.2乙类互补对称功率放大电路1.电路的组成和工作原理2023/1/1519输出电流最大允许变化范围:2Iom。输出电压最大允许变化范围:2Uom。OCL乙类互补对称功率放大电路的图解分析2.5.2乙类互补对称功率放大电路2.性能指标估算

2023/1/15201）输出功率输出功率：当信号足够大，使最大不失真输出功率：理想状态下：UCES＝0最大不失真输出功率：2.5.2乙类互补对称功率放大电路2.性能指标估算

2023/1/15212）效率直流电源UCC提供给电路的功率考虑正负两组直流电源提供给电路，总的功率效率输出信号达到最大不失真时，效率最高。2.5.2乙类互补对称功率放大电路2.性能指标估算

2023/1/15223）单管最大平均管耗PT1m

不记其它耗能元件所消耗功率时管子消耗功率单管平均管耗最大平均管耗

（）时PT1最大2.5.2乙类互补对称功率放大电路2.性能指标估算

2023/1/1523（1）每只晶体管的最大允许管耗（或集电极功率损耗）PCM≥PT1max=0.2Pomax；

（2）考虑到当VT2接近饱和导通时，忽略饱和压降，此时VT1管的uCE1具有最大值，且等于2UCC。因此，应选用UCEO>2UCC的管子；

（3）通过晶体管的最大集电极电流约为UCC/RL，所选晶体管的ICM≥UCC/RL。2.5.2乙类互补对称功率放大电路3.选管原则2023/1/1524ui/V

ωt00.6-0.6uo/V

ωt00.6-0.6过零处的交越失真由于两管工作时存在死区2.5.3甲乙类互补对称功率放大电路1．交越失真及其消除方法

在实训2-10中可以看到，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。2023/1/15252.5.3甲乙类互补对称功率放大电路1．交越失真及其消除方法

为减小交越失真，改善输出波形，通常设法使晶体管在静态时提供一个较小的能消除交越失真所需的正向偏置电压，使两个晶体管处于微导通状态，放大电路工作在接近乙类的甲乙类工作状态。如图2-62所示就是双电源甲乙类互补对称功放电路。

由于该类电路静态工作点Q的位置设置很低，以避免降低效率，工作情况与乙类相近，可采用乙类双电源互补对称功放电路计算公式估算。甲乙类互补对称功放电路2023/1/15262.5.3甲乙类互补对称功率放大电路2．甲乙类单电源互补对称功率放大电路特点：单电源供电，输出端通过大电容量的耦合电容C与负载电阻RL相连。这种电路也称为OTL（无输出变压器）电路。

双电源互补对称功率放大电路也称为OCL（无输出电容）电路。C的电容量很大，静态时，R1、R2调整恰当，可使两二极管的发射极节点A稳定在VCC/2的直流电位上。2023/1/15272.5.3甲乙类互补对称功率放大电路2．甲乙类单电源互补对称功率放大电路

在信号输入时，由于VT1组成的前置放大级具有倒相作用，因此，在信号负半周时，VT2导通，VT3截止，VT2以射极输出器的形式将正向信号传送给负载，同时对电容C充电；在信号正半周时，VT2管截止，VT3管导通，电容C放电，充当VT3管的直流工作电源，使VT3管也以射极输出器形式将输入信号传送给负载。

这样，只要选择时间常数RLC足够大（远大于信号最大周期），单电源电路就可以达到与双电源电路基本相同的效果。2023/1/15282.5.3甲乙类互补对称功率放大电路2．甲乙类单电源互补对称功率放大电路

在该电路中，VT1的上偏置电阻R2一端与A点相连，起到直流负反馈作用，能使A点的直流电位稳定，且容易获得VCC/2值；R2还引入交流负反馈，使放大电路的动态性能得到改善。

用VCC/2取代OCL功放有关公式中的VCC，就可以估算OTL功放的各类指标。2023/1/15292.5.3甲乙类互补对称功率放大电路【例2-7】互补对称功放电路如图2.72所示，已知VCC=12V，RL=8Ω，试求：（1）考虑UCES=0.5V时，电路的最大输出功率Pom、电源供给功率PE、效率η和单管管耗PT1；（2）不考虑UCES时电路的Pom、PE、η和PT1；（3）在正弦信号ui=8sinωtV的作用下，电路的输出功率Po、效率η、管耗PT和电源提供的功率PE。（4）如果功放晶体管的极限参数为ICM=2A，UCEO=30V，PCM=5W，说明所给晶体管能否正常工作。2023/1/1530解：（1）当UCES=0.5V时Uom=VCC-UCES=12-0.5=11.5(V)2.5.3甲乙类互补对称功率放大电路2023/1/1531解：（2）不考虑UCES，即UCES=0时2.5.3甲乙类互补对称功率放大电路2023/1/1532解：（3）在正弦信号ui=8sinωtV的作用下由于互补对称功放电路为射极输出器，Au≈1，uo≈ui，因此有Uom=Uim=8V2.5.3甲乙类互补对称功率放大电路2023/1/1533解：（4）选择功放管时，要求所选的功放管足参数的要求，故能安全工作。实训2-11：甲乙类单电源互补对称功率放大电路的测试

实验电路为OTL互补功率放大电路，在该电路中VT1管的R1和RP组成的上偏置电阻的一端与M点相连，即引入直流负反馈，只要适当选择RP值，就可以使M点直流电压稳定并容易得到UM=VCC/2。同时，此反馈也是交流负反馈，可以使放大电路的动态指标得到改善。2023/1/1534实训2-11：甲乙类单电源互补对称功率放大电路的测试实训流程：（1）按图在实验板上接好线路。2023/1/1535（2）调静态工作点静态时，调节电位器使得V2、V3的发射极节点电压为电源电压的一半，即电容C两端的直流电压为0.5Vcc。（3）当输入信号时，由于C上的电压维持不变，可近似的看成恒压源，因而根据OCL电路工作原理可以得出以下各类指标：最大不失真输出电压：最大不失真输出电流：最大不失真输出功率：实训2-11：甲乙类单电源互补对称功率放大电路的测试实训流程：2023/1/1536

接负载RL=5.1k，输入端加f=1kHz交流正弦波信号，逐渐增大输入幅值，用示波器观察使输出幅值增大到最大不失真。用数字万用表测量此时的交流电压有效值Uo和集电极平均直流电流值Io。Uo=

；Io=

。求出输出功率PO=UO2/RL=

。求出电源功率PE=IOUCC

。效率

η=Po/PE*100%=

。实训2-11：甲乙类单电源互补对称功率放大电路的测试实训流程：2023/1/1537

（4）改变电源电压，测量同时比较输出功率和效率。在输入端接f=1kHz交流正弦波，幅值调到使输出幅度最大而不失真。按表2-13中要求填写。（5）改变负载，测量并比较输出功率和效率。在输入端接f=1kHz交流正弦波，幅值调到使输出幅度最大而不失真。按表2-14中要求填写。实训2-11：甲乙类单电源互补对称功率放大电路的测试【想一想】2023/1/1538

改变电源电压或者改变负载，功率放大电路的输出功率如何变化？效率如何变化？为什么会出现这种现象？实训2-12：甲乙类OTL互补对称功率放大电路的仿真测试2023/1/1539实训流程：（1）按图画好电路。（2）仿真观察电容C2的直流电压UA=

。（3）加入输入信号，其有效值为2V，频率1kHz，用示波器观察信号源波形和输出信号波形：在过零点处

（无明显失真/有明显失真）。2.5.4集成功率放大器2023/1/1540

集成功率放大器具有具有性能优越，工作可靠，输出功率大，外围元件少，调试方便等优点，广泛应用于收音机、电视机、扩音机、伺服放大电路等音频领域。

集成功放种类很多，从用途上划分，有通用型和专用型功放；从输出功率上划分，有小功率功放和大功率功放等。1．LM386内部电路LM386是一种音频集成功放，具有自身功率低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于收录机和收音机中。2.5.4集成功率放大器2023/1/15411．LM386内部电路

输入级为差分放大电路，VT1和VT2、VT4和VT6分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；VT3和VT5组成镜像电流源作为VT2和VT4的有源负载；信号从VT1和VT6管的基极输入，从VT4管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。2.5.4集成功率放大器2023/1/15421．LM386内部电路

中间级为共射放大电路，VT7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。

输出级中的VT8和VT10管复合成PNP型管，与NPN型管VT9构成准互补输出级。二极管VD1和VD2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。2.5.4集成功率放大器2023/1/15431．LM386内部电路

电阻R6