教学材料《电子技术》-项目八

一、项目要求知识目标:(1)理解功率放大电路的基本概念和分类。(2)理解功率放大电路的特点(与电压放大电路比较)及类型。(3)OCL和OTL互补对称功率放大电路的结构、特点及工作原理。(4)掌握功率、效率和管耗的计算及相互关系。(5)掌握功放管的选择。能力目标要求:(1)能正确运用集成功率放大器;会分析典型应用电路。(2)会制作、分析及测试功率放大器。(3)掌握电路故障排除的方法。返回任务一、功率放大电路制作(一)电路设计图8.1所示是一个小巧、线路简单但性能不错的三管音频放大器。此电路适合于制作成耳机放大器或其他小功率放大器用。下一页返回任务一、功率放大电路制作如图8.1所示，输入级(9014)的基极工作电压等于两

输出级三极管的中点电压，一

般为电源电压的一半，这个电

压的稳定由输出三极管基极的

两个二极管控制。3.3Ω电阻

串联在输出三极管的发射极上，

以稳定偏流，减小环境温度、

不同器件(如二极管、输出三

极管)参数的差别对电路的影

响。当偏流增加时，输出三极此电路输入阻抗为500Ω

，在使用8Ω扬声器时，电压增益为5，电路在不失真输出50mW的功率时，扬声器上有约2V的电压摆动。增加电源电压可提高输出功率，但此时应注意输出晶体管散热问题。在9V电源电压时，电路耗电约30mA。上一页下一页返回任务一、功率放大电路制作(二)电路制作1.清检元件表8.1元件清单2.电路制作利用PropelDXP软件绘制原理图和PCB图。要求使用单面覆铜板。尺寸为:100mmx100mm，用热转印法制作出PCB板，然后焊接元件。上一页返回任务二、功率放大电路分析(一)功率放大电路的主要特点功率放大电路与电压放大电路从能量转换的观点来看没有本质的区别，但两者所要完成的任务不同。对于电压放大电路，它的主要要求是使负载得到不失真的电压信号，输出的功率并不要求很大。而对于功率放大电路，它的主要要求是获得一定的不失真(或失真程度在允许范围内)的输出功率。功率放大电路通常在大信号状态下工作，其工作特点和对电路的要求与电压放大电路不同。功率放大电路具有以下主要特点。

下一页返回任务二、功率放大电路分析(1)要求功放电路的输出功率足够大，因而需要输出电压和电流的幅值足够大。(2)处于大信号输入工作状态，动态工作范围很大。(3)通常采用图解分析方法分析功放电路。(4)电路末级采用功率管，极限参数ICM、U(BR)CEO、PCM等应满足实际工作要求，并留有一定余量。(5)分析的主要指标是输出功率，效率和非线性失真等。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析(二)功率放大电路的基本要求根据电功率公式P=UI可知，功率放大电路不仅要有足够大的电压变化量，还要有足够大的电流变化量，这样才能输出足够大的功率，使负载正常工作。因此，对功率放大电路有以下几个基本要求。1.输出功率大功率放大器的主要目的是为负载提供足够大的输出功率。在实际应用时，除了要求选用的功放管具有较高工作电压和较大的工作电流外，选择适当的功率放大电路、实现负载与电路的阻抗匹配等，也是提高功率输出的关键。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析2.效率高功率放大电路的输出功率由直流电源UCC提供。由于功放管及电路损耗，负载获得的输出功率PO一定小于电源功率PU，我们把PO，与PU之比称为电路的效率η，即η=PO/PU。我们希望功放电路的效率越高越好。3.非线性失真小由于功率放大电路工作在大信号放大状态，信号的动态范围大，功率放大管工作易进入非线性范围。因此，功率放大电路必须想办法解决非线性失真问题，使输出信号的非线性失真尽可能地减小。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析4.功率管的散热与保护措施功率放大电路在工作时，功率放大管消耗的能量将使自身温度升高，不但影响其工作性能，严重时会导致其损坏。为此，功放管需要安装散热措施。此外，为了保证功率管能安全工作，还应采用过压、过流等保护措施(三)功率放大电路的类型1.根据功率放大电路中三极管静态工作点设置的不同分类根据功率放大电路中三极管静态工作点设置的不同，可分为以下几类。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析1)甲类功率放大器甲类功率放大器的静态工作点口点位于交流负载线的中点，如图8.2(a)中所示QA。其特点是:在输入信号的整个周期内，三极管始终处于放大状态，即三极管的导通角度为2π

，输出信号失真小，但电路效率低。如图8.2(b)所示。2)乙类功率放大器乙类功率放大器的静态工作点Q点位于交流负载线和输出特性曲线中IB=0的交点，如图8.2(a)中所示口a。其特点是:在输入信号的整个周期内，三极管只对半个周期的信号进行放大，输出信号只有半个波形，即三极管的导通角度为二，电路效率高，如图8.2(c)所示。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析3)甲乙类功率放大器甲乙类功率放大器的静态工作点Q点在交流负载线上略高于乙类工作点，如图8.2(a)中所示QC。静态时入IC很小，在输入信号的整个周期内，三极管能对大半个周期的信号进行放大，输出信号有大半个波形，即三极管的导通角度大于二而小于2π，削波程度略小于乙类功率放大器，电路效率较高。如图8.2(d)所示。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析2.根据功率放大器输出端的结构特点分类根据功率放大器输出端的结构特点，可分为以下几种情况。(1)有输出变压器功率放大电路。(2)无输出变压器功率放大电路(又称OTL功放电路)。(3)无输出电容器功率放大电路(又称OCL功放电路)。(4)桥式无输出变压器功率放大电路(又称BTL功放电路)。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析(四)功率放大电路的主要性能指标1.最大输出功率Pom输出功率尸等于输出电压UO与输出电流IO的乘积，即Pom=UOIO。因此电路最大输出功率Pom有式中，Uom表示输出电压的振幅，Iom表示输出电流的振幅。2.效率η上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析3.非线性失真系数THD由于功放三极管特性的非线性，导致电路在输入单一频率的正弦信号时，输出信号为非单一频率的正弦信号，即产生非线性失真。非线性失真的程度用非线性失真系数THD来衡量。非线性失真系数THD的大小等于非信号频率成分电量与信号频率成分电量之比。即上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析(五)集成功率放大电路集成功率放大电路由输入级、中间级、推动级、输出级、保护电路及偏置电路等组成，常用的集成功率放大电路有:OTL电路、OCL电路和BTL电路三种。下面以音频功率放大器为例进行分析。1.0TL功率放大器图8.3所示为OTL功率放大器基本原理图。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析1)特点(1)两只输出管是串联供电的，在电源电压较高时，可有较大的输出功率。(2)因为输出端有电容隔直，所以不必设置扬声器保护电路，但由于输出端有隔直电容的存在，使放大器的低频难于进一步展宽。(3)输出端的静态工作电压为电源电压的一半，这是检修中的一个重要参数。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析2)基本工作原理

(1)信号正半周。输入信号为正半周时，VT1导通，VT2截止，VT1由电源供电。输出信号电流ic1的路径是:电源正极一VT1的集电极一VT1的发射极一电容器(对电容器充电)一扬声器(ic1自上而下通过)一电源负极。扬声器放出信号正半周的声音，如图中实线所示。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析(2)信号负半周。输入信号为负半周时，VT2导通，VT1截止，VT2由电容器C供电。输出信号电流ic2的路径是:电容器C的正极一VT2的发射极一VT2的集电极一扬声器(ic2自下而上通过)一电容器C的负极。扬声器放出信号负半周的声音，如图8.3中虚线所示。由于两只功放管的电路完全对称，所以输入信号的正、负半周得到了均等的放大。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析3)典型OTL功放电路(1)电路的结构。如图8.4所示为典型的OTL功率放大电路。(2)放大原理。①输入信号ui为负半周时:信号ui经C1藕合加在VT1的基极，经VT1放大后由集电极输出。由于三极管的倒相作用，集电极输出的是正极性信号，使C,D点电位升高，根据三极管的放大原理可知，此时VT2导通，VT3截止。信号经VT2放大后，从VT2的发射极输出。从VT2输出的信号电流ic2由电源+Ucc提供能源。ic2从VT2的发射极出发，经输出祸合电容C4、自上而下通过扬声器SP形成回路，同时对C3充电。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析②输入信号ui为正半周时:ui经C1耦合加在VT1的基极，经VT1放大后由集电极输出。由于三极管的倒相作用，集电极输出的是负极性信号，使C,D点电位下降。根据三极管的放大原理可知，此时VT2截止，VT3导通，从VT3输出的信号电流ic3由祸合电容C4提供能源。ic3从VT3的发射极出发，经VT3的集电极自下而上通过扬声器形成回路。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析2.复合管的功率放大器互补对称功率放大器要求功放管要互补对称，但在实际情况中，要使互补的NPN管和PNP管配对是比较困难的，为此常常采用复合管的接法来实现互补，以解决大功率管互补配对困难的问题。同时，由于功放需要输出足够大的功率，这就要求功放管必须是一对大电流、高耐压的大功率管，而且推动级必须要输出足够大的激励电流。而复合管的接法可以减少对推动级的这一要求。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析1)复合管按一定原则将两只或两只以上的放大管连接在一起，组成的一个等效放大管称为复合管。如图8.5所示。复合管的主要特点:复合管的电流放大系数大大提高，总的电流放大系数是两单管电流放大系数的乘积，即β=β1β2;由复合管组成的放大器的输入电阻提高很大。复合管的缺点是穿透电流较大，因而其温度稳定性变差。复合管连接规律，在复合时，第一个管子为小功率管，第二个管子为大功率管。图8.5复合管连接方法是由第一个管子的极性来决定的。复合管内部各晶体管的各极电流方向都符合原来的极性，并符合基尔霍夫电流定律。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析2)复合管的功率放大器如图8.6所示，是采用复合管的互补对称功率放大器，其原理和图8.4相同，VT2和VT4复合成一个NPN型三极管，VT3和VT5复合成一个PNP型管图中R6、R7分别为VT2、VT3的电流负反馈电阻，同时，也可以说为VT4

、VT5提供基极偏置，有的也把R6、R7称为复合管的泄放电阻。R8、和C4组成移相网络，改善输出的负载特性。如图8.7所示，是采用复合管的准互补对称功率放大器，图中VT2和VT4复合成一个NPN型三极管，VT3和VT5复合成一个PNP型管。由于VT4和VT5都为NPN型管，不是互补型管，但两个复合管是互补的，我们把这种情况的功率放大器称为准互补对称功率放大器。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析3.OCL功率放大器OCL的含义是没有输出电容。OCL功率放大器是在OTL功率放大器的基础上发展起来的一种全频带直接藕合低频功率放大器，在高保真扩音系统中得到了广泛的应用。1)特点与OTL功率放大器相比，具有以下特点。(1)省去了输出电容，使放大器的低频特性范围增大(2)由于没有隔直流的输出电容，所以必须设置扬声器保护电路上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析(3)采用正、负两组电源供电，使电路的结构复杂了一些(4)输出端的静态工作电压为零。这也是检修中的一个重要参数2)基本工作原理OCL功放电路的两只输出管是参数相同的异极性管，上管是NPN型，下管是PNP型。该电路有两组电源:正电源和负电源。当信号正半周输入时，VT1导通、VT2截止，VT1由正电源供电。输出信号电流ic1的路径是:VT1的集电极一VT1的发射极一自左而右通过扬声器一地扬声器放出信号正半周的声音。如图8.8中实线所示。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析当信号负半周输入时，VT2导通、VT1截止，VT2由负电源供电。输出信号电流ic2的路径是:VT2的集电极一地一自右向左通过扬声器一VT2的发射极。扬声器放出信号负半周的声音。如图8.8中虚线所示。由于两功放管的电路完全对称，所以输入信号的正、负半周得到了均等的放大。该电路的功放输出端与扬声器直接藕合，实现了高保真全频带放大。3)典型的OCL功放电路图8.9为一采用复合管作为功放管的OCL电路，其中，VT1,VT2构成复合NPN型功放管，VT3、VT4构成复合PNP型功放管。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析4.BTL功率放大器1)电路BTL功率放大器是桥接式推挽电路的简称。也叫双端推挽电路，它是在OCL、OTL功放的基础上发展起来的一种功放电路。如图8.10所示，是BTL电路的原理图，BTL电路的结构，如图8.11所示，四个功放管连接成电桥形式，负载电阻RL不接地，而是接在电桥的对角线上。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析2)工作原理从电路结构上来看，两个OCL电路的输出端分别接在负载的两端。电路在静态时，两个输出端保持等电位，这时负载两端电位相等，无直流电流流过负载。在有信号输入时，两输入端分别加上了幅度相等、相位相反的信号。在输入正半周时，VT1、VT4导通，VT2

、VT3截止。导通电流由电源一VT1一负载RL一VT2一地，电流流向如图中实线所示，负载得到了正半周波形。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析在输入负半周时，VT2

、VT3导通，VT1、VT4截止。导通电流由电源一VT3一负载RL一VT2一地，电流流向如图中虚线所示，负载得到负半周波形。四只功率放大管以推挽方式轮流工作，共同完成了对一个周期信号的放大。VT1导通时，VT4也导通，在这半个周期内，负载两端的电位差为2Δu01。在理想情况下，VT1导通时uo1从“0”上升到UCC即Δuo1=UCC;而VT4导通时。uo2从“0”下降到-UCC，即Δuo2=-UCC。这样，负载上的电位差为ΔUL=2UCC。在另半个周期内，VT2和VT3导通，负载上的电位为ΔUL=2UCC，即BTL电路负载上的正弦波最大峰值电压为电源电压的两倍。由于输出功率与输出电压的平方成正比，因此在同样条件下，BTL的输出功率为OTL或OCL电路的四倍。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析BTL功率放大器可以由两个完全相同的OTL或OCL电路按图8.10所示的方式组成一个BTL电路。由图可见，BTL电路需要的元件比OTL或OCL电路多一倍，因此用分离元件来构成BTL电路就显得复杂成本也比较高。根据电桥平衡原理，BTL电路左右两臂的三极管分别配对即可实现桥路的对称。这种同极性、同型号间三极管的配对显然比互补对称管的配对更加容易也更经济，特别适宜制作输出级为分立元件的功放。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析5.集成功率放大器简介集成功率放大器具有输出功率大，外围连接元件少、工作稳定、使用方便等优点，目前使用越来越广泛。为了改善频率特性，减少非线性失真，很多集成电路内部引入了深度负反馈。另外，集成功放内部均有保护电路，以防止功放管过流、过压、过损耗等。目前国内外的集成功率放大器已有多种型号的产品，一般来说，我们只需要了解其外部特性和外部接线，就能方便地使用它们。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析1)LM386集成功放(1)主要性能参数LM386是小功率音频放大器集成电路，图8.12是它的外形和引脚排列图。①8脚双列直插式塑料封装;②额定工作电压范围为4一16V；③当电源电压6V时，静态工作电流为4mA;④电路频响范围较宽，可达数百千赫;上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析⑤最大允许功耗为660mW(25℃)，使用时不需散热片。工作电压为4V,负载电阻为4Ω时输出功率(失真为10%)约300mV;工作电压为6V，负载电阻分别为4Ω,8Ω,16Ω时输出功率分别为340mW,325mW,180mW。(2)引脚功能LM386有两个信号输入端，当信号从2端输入时，构成反相放大器，从3端输入时，构成同相放大器。每个输入端的输入阻抗都为50kΩ，而且输入端对地的直流电位接近于零，即使与地短路，输出直流电平也不会产生大的偏离。脚1和脚8之间用来外接电阻、电容元件，以调整电路的电压增益上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析(3)典型应用电路以上输入特性使LM386的使用显得灵活和方便。以下为LM386的应用电路实例。图8.13是用LM386组成OTL功放电路的应用电路。7脚接去藕电容C,5脚输出端所接10Ω和0.1μF串联网络是为防止电路自激而设置的，1、8脚所接阻容网络是为了调整电路的电压增益而附加的，电容的取值为-10μF,R约为20kΩ。R值愈小，增益愈大。1、8脚间也可开路使用。综上所述，LM386用于音频功率放大时，最简电路只需一只输出电容接扬声器。当需要高增益时，也只需再增加一只10μF电容短接在1、8脚之间。例如，在用作唱机放大器时，可采用最简电路；在用作收音机检波输出端时，可用高增益电路。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析2)TDA2030集成功放(1)主要性能参数TDA2030集成功率放大器，在用作收音机检波输出端时，可用高增益电路是一种适用于高保真立体声扩音机中的音频功率放大集成电路。其外接引线和外接元件少，内部设有短路保护和热切断保护电路。TDA2030集成功放的引脚排列如图8.14(a)所示。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析①5脚单列直插式塑料封装;②电源电压范围为±6~±18V;③静态工作电流小于60μA;④频率响应为10~140kHz,谐波失真小于0.5%;⑤在UCC=±14V,RL=4Ω时，输出功率为14W。(2)引脚功能。TDA2030有两个信号输入端，当信号从2端输入时，构成反相放大器，从1端输入时，构成同相放大器。3脚为负电源，5脚为正电源，4脚为输出端。上一页下一页返回任务二、功率放大电路分析(3)典型应用电路。图8.14(b)所示电路构成由双电源供电的OCL功率放大器，图8.14(c)所示可构成单电源供电的OTL功率放大器，还可由两个TDA2030集成功放构成BTL功率放大电路。上一页返回任务三、功率放大电路测试(一)静态工作点的测试按图8.1连接实验电路，将输入信号旋钮旋至零(ui=0)，电源进线中串入直流毫安表，接通+9V电源，观察毫安表指示，同时用手触摸输出级管子，若电流过大，或管子温升显著，应立即断开电源检查原因。如无异常现象，可开始调试(1)输出端中点电位UA:(2)测试各级静态工作点。测量各级静态工作点，记入表8.2中。下一页返回任务三、功率放大电路测试(二)最大输出功率Pom和效率η的测试1.测量共Pom输入端接f=1kHz的正弦信号ui输出端用示波器观察输出电压uo的波形。逐渐增大ui，使输出电压达到最大不失真输出，用交流毫伏表测出负载RL上的电压Uom，则2.测量η当输出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