电子电路分析制作与调试-项目３　 功率放大电路的分析与调试

３.１功率放大电路的特性１.功率放大电路的特殊要求１）应有足够大的输出功率功率放大电路不仅要有较高的输出电压，还要有较大的输出电流。因此，功率放大电路中的晶体管通常工作在高电压、大电流状态，且晶体管的功耗也比较大，往往接近极限运用状态。２）效率要尽可能高功率放大电路从电源取用的功率较大，为提高电源的利用率，必须尽可能提高功率放大电路的效率。３）非线性失真要小由于功率器件在大信号下工作，动态工作点易进入非线性区，所以在功放电路的设计、调试过程中，必须把非线性失真限制在允许范围内。下一页返回３.１功率放大电路的特性４）采取保护措施大功率器件都应采取加装散热片等保护措施。２.分立元器件功率放大电路的类型按照三极管工作状态的不同，功率放大电路可分为甲类、甲乙类、乙类等。功率管在上述三类工作状态下相应的静态工作点位置及其波形如图３－３所示。甲类的ＱＡ点位于负载线的中点附近，整个周期均导通；甲乙类的ＱＢ点接近截止区，导通时间大于半个周期；乙类的ＱＣ点处于截止区，半个周期导通。由图３－３可知，甲类功率放大电路的静态工作点设置得较高，失真小，但不论有无信号，始终有较大的静态工作电流ＩＣ，会消耗一定的电源功率ＰＶ，因此其效率较低，最高不超过５０％。目前，大量应用的是无变压器的乙类互补功率放大电路。此类电路按电源供给方式的不同，分为双电源互补对称功率放大电路和单电源互补对称功率放大电路。上一页返回３.２分立元器件功率放大电路的分析３.２.１乙类双电源互补对称功率放大电路１.电路分析乙类双电源互补对称功率放大电路（ＯＣＬ）如图３－４（ａ）所示。电路选择了两个对称的异型管（一个ＮＰＮ型，一个ＰＮＰ型）。当ｕｉ≥０时，即在正弦输入信号的正半周期，ＮＰＮ型的三极管因正偏而导通，在负载上出现输出电压ｕｏ的正半周期，而ＰＮＰ型管因反偏而截止；当ｕｉ≤０时，即输入信号的负半周期，ＮＰＮ型管子因反偏而截止，而ＰＮＰ型管正偏而导通，在负载上出现输出电压ｕｏ的负半周期。这样，负载在输入信号的整个周期中都有电流流过，若死区电压忽略不计，则输出电压可认为是一个完整的正弦波。理想输出信号波形如图３－４（ｃ）所示。下一页返回３.２分立元器件功率放大电路的分析下面用图解分析法分析三极管的工作特性，如图３－５所示。根据图３－５列出负载线方程，为ｕＣＥ＝ＵＣＣ－ｉＣＲＬ。无输入信号时，若三极管穿透电流ＩＣＥＯ可忽略不计，则ＩＣ１＝ＩＣ２＝０，ＵＣＥＱ＝ＵＣＣ，因此该三极管工作在乙类放大状态。由此可见，三极管的最大不失真输出电压为ＵＣＣ－ＵＣＥ（ｓａｔ）。２.性能指标的计算１）输出功率为上一页下一页返回３.２分立元器件功率放大电路的分析２）管耗为３）电源供给功率为４）效率为上一页下一页返回３.２分立元器件功率放大电路的分析３.功率管的选择（１）最大管耗与最大输出功率的关系。当Ｕｏｍ＝０.６３７ＵＣＣ时，每个功率管有最大管耗ＰＣＭ＝０.２Ｐｏｍ。（２）功率管的选择原则。①每一个功率管的集电极最大允许管耗ＰＣＭ＞０.２Ｐｏｍ。②一管导通时，另一个管截止，后者的Ｃ、Ｅ极间承受的最大反向电压近似为２ＵＣＣ，因此管子的ＵＢＲ（ＣＥＯ）≥２ＵＣＣ。③功率管导通的最大电流Ｉｏｍ（ｍａｘ）＝ＵＣＣ／ＲＬ，因此管子的集电极允许电流为ＩＣＭ＞ＵＣＣ／ＲＬ。上一页下一页返回３.２分立元器件功率放大电路的分析④为避免功率管二次击穿，管子的参数选择应留有余量。输出最大功率时的管耗为３.２.２甲乙类互补对称功率放大电路为了消除交越失真，可考虑为两个功率管提供一定的直流偏置电压，这里选择将与发射结压降接近的两个二极管与可调电位器串联后并接在功率管的两个发射结上来去除交越失真，由此也组成了甲乙类互补对称功率放大电路（ＯＣＬ），如图３－７所示。上一页下一页返回３.２分立元器件功率放大电路的分析电路中，ＶＴ３组成电压放大级，ＲＣ为其集电极负载电阻。当ＶＤ１、ＶＤ２正偏导通时，它们和ＲＰ一起为ＶＴ１、ＶＴ２提供偏压，使ＶＴ１、ＶＴ２在静态时处于微导通状态，即处于甲乙类工作状态。此外，ＶＤ１、ＶＤ２有温度补偿作用，可使ＶＴ１、Ｔ２管的静态电流基本不随温度的变化而变化。上一页下一页返回３.２分立元器件功率放大电路的分析３.２.３无输出变压器的甲乙类互补对称功率放大电路无输出变压器的甲乙类互补对称功率放大电路（ＯＴＬ），如图３－８所示。与图３－７相比，该电路采用了单电源供电方式，在输出端负载支路中串接一个大容量电容Ｃ２，利用电容的储能作用充当整个电路的负电源来满足电路的需求。与ＯＣＬ电路相比，图３－８中每只三极管的实际工作电源电压不是ＵＣＣ，而是ＵＣＣ／２，因此，在计算ＯＴＬ电路的主要性能指标时，将ＯＣＬ电路的计算公式中的参数ＵＣＣ全部改为ＵＣＣ／２即可。上一页返回３.３集成功率放大器的分析３.３.１ＬＭ３８６集成功率放大器及其应用ＬＭ３８６是一种低电压通用型音频集成功率放大器，广泛应用于收音机、对讲机和信号发生器中。ＬＭ３８６芯片有典型的双列直插式塑料封装系列，如ＬＭ３８６Ｎ－１、ＬＭ３８６Ｎ－３、ＪＲＣ－３８６Ｄ，其外形与引脚排列如图３－１１（ａ）、图３－１１（ｂ）所示；也有贴片式封装系列，如ＬＭ３８６Ｍ－１、ＬＭ３８６Ｓ，其外形如图３－１１（ｃ）所示。下一页返回３.３集成功率放大器的分析ＬＭ３８６有两个信号输入端，其中②引脚为反相输入端，③引脚为同相输入端，每个输入端的输入阻抗均为５０ｋΩ，而输入端对地的直流电位接近于零，即使输入端对地短路，输出端的直流电平也不会产生大的偏离。它的①、⑧引脚为增益调节端。ＬＭ３８６Ｎ－１、ＬＭ３８６Ｎ－３、ＬＭ３８６Ｍ－１、ＬＭ３８６ＭＭ－１系列的电源电压范围为４～１２Ｖ，ＬＭ３８６Ｎ－４系列的电源电压为５～１８Ｖ。当电源电压为６Ｖ时，ＬＭ３８６的静态工作电流为４ｍＡ，适合用电池供电。当其①、⑧引脚开路时，带宽为３００ｋＨｚ，总谐波失真为０.２％，输入阻抗为５０ｋΩ。其最大允许功耗为６００ｍＷ，不需散热片。当其工作电压为４Ｖ、负载电阻为４Ω时，输出功率为３００ｍＷ；当其工作电压为６Ｖ、负载电阻为４Ω、８Ω、１６Ω时，输出功率分别为３４０ｍＷ、３２５ｍＷ、１８０ｍＷ。上一页下一页返回３.３集成功率放大器的分析由ＬＭ３８６组成的ＯＴＬ电路如图３－１２所示，信号从其３脚同相输入端输入，从５脚经耦合电容（２２０μＦ）输出，７脚接容量为２０μＦ的去耦滤波电容；１脚与８脚间接１０μＦ电容、２０ｋΩ可调电阻Ｒ用于调节电路的闭环电压增益，当需要高增益时，可取Ｒ＝０，即只将一只１０μＦ电容接在１脚和８脚间即可；输出端５脚所接１０Ω电阻和０.１μＦ电容组成阻抗校正网络，用于抵消负载中感抗分量，防止电路自激，有时也可省去不用。该电路如用作收音机的功放电路，输入端接收音机检波电路的输出端即可。上一页下一页返回３.３集成功率放大器的分析用ＬＭ３８６组成的ＢＴＬ电路如图３－１３所示，两集成运放的４脚接地，６脚接电源，２、３脚交叉短接，输入信号从其中一个运放的③脚引入，两运放的⑤脚接负载扬声器，以驱动扬声器发出声音。ＢＴＬ电路的输出功率一般为ＯＴＬ、ＯＣＬ电路的４倍，图３－１３中电路的最大输出功率可达３Ｗ以上。图中５００ｋΩ电阻用于调节两集成功放输出直流电位平衡。３.３.２ＴＤＡ２８２２集成功率放大器及其应用ＴＤＡ２８２２是意法半导体（ＳＴ）公司早期专门为便携式录放音设备开发的双声道音频功放集成电路，具有低交越失真和低静态电流的特点，可工作于双声道立体声或单声道桥式放大（ＢＴＬ）模式。ＴＤＡ２８２２Ｍ的工作电压范围很宽，在１.８～１５Ｖ范围内均可正常工作。上一页下一页返回３.３集成功率放大器的分析ＴＤＡ２８２２Ｍ是一个非常经典的优秀音频功率放大集成电路，２０世纪９０年代初曾经被国内外家电厂商广泛应用于便携式收录机中，在一些功率稍大的，尤其是带有机身扬声器的随身听中也经常可以看到ＴＤＡ２８２２Ｍ的身影。ＴＤＡ２８２２Ｍ的标称输出功率（１ｋＨｚ，８Ω，９Ｖ，１０％总失真）在立体声方式下可以达到１Ｗ，在桥式方式下可达到２Ｗ；最大峰值电流为１Ａ；ＵＣＣ＝３Ｖ时的静态电流不大于９ｍＡ；负载范围不小于４Ω。其引脚、实物如图３－１４所示。图３－１５所示由ＴＤＡ２８２２Ｍ芯片组成的一种简单而实用的双声道功率放大电路。上一页下一页返回３.３集成功率放大器的分析３.３.３ＴＤＡ２０３０集成功率放大器及其应用ＴＤＡ２０３０与性能类似的其他产品相比，具有引脚数最少、外接元器件很少的优点。它的电气性能稳定、可靠，适应长时间连续工作，且芯片内部具有过载保护和热切断保护电路。该芯片适合用作高保真立体扩音装置中的音频功率放大器、多媒体２.０式音响等。图３－１６所示为ＴＤＡ２０３０芯片的外形和引脚。其电源电压范围为｜±６｜～｜±１８｜Ｖ，静态电流小于６０μＡ，频响为１０Ｈｚ～１４０ｋＨｚ，谐波失真小于０.５％。当ＵＣＣ＝±１４Ｖ、ＲＬ＝４Ω时，其输出功率为１４Ｗ。上一页下一页返回３.３集成功率放大器的分析由ＴＤＡ２０３０组成的ＯＣＬ典型应用电路如图３－１７所示，图中的Ｒ１、Ｒ２、Ｃ２使ＴＤＡ２０３０接成交流电压串联负反馈电路。闭环增益由下式估算，即电路中，Ｃ４和Ｃ６为电源低频去耦电容；Ｃ３、Ｃ５为电源高频去耦电容；Ｒ４与Ｃ７组成阻容吸收网络，用以避免电感性负载过电压击穿芯片内功率管；ＶＤ１和ＶＤ２组成电源极性保护电路，防止因电源极性接反损坏集成功放。上一页下一页返回图３－３各类功率放大电路的静态工作点位置及其波形返回图３－４乙类双电源互补对称功率放大电路返回图３－５ＯＣ