Mul基础电路及其仿真 7

第9章功率放大器本章知识结构通常把能够给负载提供足够大的信号功率的放大电路称为功率放大电路。本章将介绍几种功率放大电路拓扑结构，并通过仿真来了解它们的一些特性。Multisim仿真分析：瞬态分析、交流分析9.1OTL互补对称功率放大器OTL（OutputTransformerless）功率放大电路是为了克服变压器耦合功率放大电路的诸多缺点，省去输出变压器后演变而来的，故称为无输出变压器的功率放大电路。9.1.1OTL电路结构OTL功率放大电路如图所示，它实际上是互补输出电路在单电源供电下的应用形式。图9-1OTL功率放大电路静态工作原理：

9.1.1电容C的作用电容C的两个作用：作用一：等效电源

9.1.1OTL电路重要指标（一）

9.1.1OTL电路重要指标（二）

9.1.1OTL电路重要指标（三）

9.1.2OTL仿真——仿真电路OTL功率放大电路仿真图如图所示。图中设置了三个开关S1、S2和S3，目的是方便进行电路的静态和动态测试。图9-2OTL功率放大电路仿真图三个开关的作用：

S1、S2：控制信号输入路径，用于切换不同的信号输入接法S3：控制信号源的接入，方便进行静态和动态测试的切换9.1.2OTL仿真——静态测试

静态测试方法：先将S3掷下，利用放置的探针，观察输出管Q1的集电极电流和Q1、Q2发射极（电路输出端）的电压。电路输出端电压应为二分之一电源电压Q1的集电极电流以最终使电路消除交越失真为准可通过调节R1、R2的阻值，来改变D1、D2的端电压，从而调节Q1的集电极电流Q1的集电极电流：23.4mA，输出端电压：2.50V9.1.2OTL仿真——静态测试（续）

R1、R2的阻值为5kΩ时：Q1的集电极电流：15.3mA，输出端电压：2.50V9.1.2OTL仿真——动态测试将开关S3掷上，观察两种情况下的输出波形：R1、R2=3kΩ时：输出波形无明显交越失真

R1、R2=5kΩ时：输出波形有明显交越失真

结论：R1、R2的阻值取3kΩ比较适宜。9.1.2OTL仿真——信号从D1、D2连接点输入将S1、S2均掷下，信号从D1、D2连接点输入：图9-5信号从D1、D2连接点输入此时电路输出波形被限幅：图9-6信号从D1、D2连接点输入时的输出波形9.1.2OTL仿真——消除限幅失真欲使此种信号输入接法的输出波形不被限幅，需将静态电流调得更大些（140mA）：图9-7（a）静态图9-7（b）动态图9-7（c）输出波形电路输出波形幅值也较小。图9-7信号从D1、D2连接点输入且输出波形不失真9.2OCL互补对称功率放大器OTL电路中输出电容C的不足：

电容C直接影响电路的低频响应大容量电容C通常具有电感效应，故在高频时将产生相移大容量电容C无法集成解决方案：省去电容C，实现直接耦合，这就是无输出电容的功率放大电路，即OCL（OutputCapacitorless）功率放大电路。9.2.1OCL电路结构OCL功率放大电路如图所示，它实际上是互补输出电路在双电源供电下的应用形式。图9-8OCL功率放大电路OCL电路特点：

9.2.1OCL电路重要指标（一）

9.2.1OCL电路重要指标（二）

9.2.1OCL电路重要指标（三）

9.2.2OCL仿真——静态分析图中给出了采用集成运放驱动的OCL功率放大电路，图中增加了一个开关S1，方便电路静态和动态地测试。图9-9采用集成运放驱动的OCL功率放大电路（静态）负反馈分析：

电路中通过R4引入了负反馈静态时，由于C1的隔直作用，R4引入的是直流全负反馈，以确保当输入为零时，输出也为零仿真显示：电路输入为零，输出电压为-4.5mV，符合要求。9.2.2OCL仿真——动态分析图9-10采用集成运放驱动的OCL功率放大电路（动态）

9.2.2OCL仿真——输出波形与幅频特性图9-11输出波形图9-12电路的幅频特性经光标测试：中频电压放大倍数：10.9987上限频率：87.5668kHz9.3BTL功率放大器BTL（BalancedTransformerLess）电路是一种平衡无输出变压器功放电路，其输出级与负载之间以电桥方式直接耦合，因而又称桥式推挽功放电路。OCL电路的局限性：

负载一端接地，电源利用率低对上、下晶体管的对称性要求较高

9.3.1BTL电路结构与工作原理BTL放大电路的基本原理图如图所示，它是将负载接在两个相同的OCL电路的输出端，故负载是浮地的。图9-13BTL放大电路的基本原理图四只晶体管构成桥式结构：

T1和T3、T2和T4分别配对，实现桥路对称同极性、同型号间晶体管配对比互补对管配对要容易得多9.3.1BTL动态工作原理静态时：两个OCL电路的输出端电位相等（正常时应为零）负载两端的直流电压为零，电桥处于平衡状态动态时（以正弦波为例）：输入信号导通管截止管负载输出正半周T₁与T₄T₂与T₃输出正半周负半周T₂与T₃T₁与T₄输出负半周两个输入端信号的相位相反，在负载上得到一个完整的正弦波。9.3.1BTL电路重要指标

9.3.1BTL电路性能总结BTL电路优势：

在信号的正、负半周，BTL电路均能充分利用双电源电压进行工作在电源电压和负载相同的条件下，其输出功率是OCL电路的4倍效率与OCL电路相当（约78.5%）特别是采用集成电路组成BTL功率放大电路，对称性更好，可减小电路的开环失真因此，BTL电路得到了较广泛的应用。9.3.2BTL仿真为了解BTL电路的有关参数，设计了如图所示的测试电路。负载RL通过开关S1控制，以构成OCL电路还是BTL电路，便于测试两种电路中的负载功率。图9-14（a）OCL组态图9-14（b）OCL组态输出波形9.3.2BTL仿真（续）图9-14（c）BTL组态图9-14（d）BTL组态输出波形图9-14BTL电路测试9.3.2BTL仿真结果分析仿真数据计算：OCL电路：

BTL电路：

结论：BTL电路的输出功率约为OCL电路的4倍，与理论结果基本一致。9.4D类功率放大器D类放大器（又称数字放大器）是一种利用开关技术放大音频信号的功率放大器。工作原理：

利用输入信号的幅度线性调整高频脉冲的宽度，得到脉冲宽度调制信号（PWM）用PWM信号驱动工作在开关状态的功率输出管最后经滤波电路在负载上得到还原的信号效率优势：

功率输出管工作在开关状态，忽略饱和压降，瞬时管耗下降到零集电极效率理论上可以达到100%实际应用可达80%～95%9.4.1D类放大器电路结构利用比较器、反相器、BJT管互补电路、MOS管互补电路和滤波电路实现的音频D类放大器如图所示：图9-15音频D类放大器电路组成：

比较器（LM311）反相器7404与门7408BJT管驱动电路MOS管功率输出级四阶巴特沃思输出滤波网络9.4.1D类放大器各模块说明各模块功能：

全桥对称结构倍增了负载上的电压，大大提高了输出功率，而且无需调整直流漂移。9.4.2D类放大器仿真电路仿真时，三角波可直接使用信号发生器发生：图9-16D类放大器仿真图仿真参数：

频率：100kHz幅度：2.2V直流偏置：2.49V负载：8Ω扬声器滤波器采用四阶Butterworth滤波器，截止频率为20kHz。9.4.2D类放大器仿真结果图9-17（a）输入和输出波形图9-17（b）滤波器幅频特性图9-17输入输出波形及滤波器特性输出波形刚开始仿真时有一定程度的失真，但经过一段时间后趋于正常，输出信号较输入信号有相位延迟。9.4.2D类放大器——PWM波形PWM波形与输入信号的对比：图9-18PWM波形与输入波形PWM调制原理：

输入音频信号与高频三角波进行比较当音频信号幅度大于三角波时，输出高电平当音频信号幅度小于三角波时，输出低电平脉冲宽度随音频信号幅度线性变化9.4.2D类放大器——幅频特性测量通过改变输入信号频率，测量输出波形幅度，得到放大器的幅频特性曲线，放大器-3dB带宽为20kHz。测量数据如下：f(Hz)

f(Hz)

1k8.283511k8.73312k8.440512k8.60063k8.441615k7.97925k8.555518k6.94937k8.737720k6.02549k8.819625k3.635310k8.784730k1.8647图9-19放大器幅频特性测量9.4.3D类放大器——实验（555电路）实验给出了由555时基电路为核心构成的D类放大器仿真电原理图：图9-20555D类放大器电原理图图9-21面包板上的555D类放大器9.4.3D类放大器实验——观测波形实验步骤：将雨珠S的5V电源接入面包板上的电源端信号源选择默认值（幅值1V、频率1kHz的正弦波），接入电路的信号输入端利用雨珠S的双踪示波器，分别观察555的输出端波形（PWM波形）和电路的输出端波形（正弦波）图9-22（a）PWM波形（下波形）图9-22（b）PWM波形和正弦波图9-22输出波形9.5集成功率放大器随着集成电路技术的发展和人们的实际需求，各种型号的集成功率放大器应运而生。分类：分类依据类别用途通用型/专用型电路构成单通道/双通道输出功率小功率/大功率以下将以高保真音频功率放大器TDA2030为例，介绍几种实用功率放大电路。9.5.1单电源供电的OTL功率放大器图为由TDA2030构成的OTL功率放大器：图9-23由TDA2030构成的OTL功率放大器各元件功能：

9.5.1双电源供电的OCL功率放大器图为由TDA2030构成的OCL功率放大器：图9-24由TDA2030构成的OCL功率放大器主要特点：

9.5.1双电源供电的BTL功率放大器利用两块TDA2030可组成BTL功率放大器：图9-25利用两块TDA2030组成BTL功率放大器电路分析：

9.5.1BTL功率放大器输出分析

9.5.2集成功放仿真——恒压功放以TDA2030为主要器件构成的恒压功放仿真图：图9-26恒压功放仿真图

9.5.2集成功放仿真——恒流功放以TDA2030为主要器件构成的恒流功放仿真图：图9-27恒流功放仿真图

9.5.2集成功放频响特性——纯电阻负载通过AC分析，得到两种电路的频响特性曲线（实线：恒压功放，虚线：恒流功放）：带8Ω负载时的频率响应：图9-28（a）幅频特性图9-28（b）相频特性图9-28带8Ω负载时，恒压与恒流功放的频率响应结论：当负载均为纯电阻时，除恒流功放低频特性略好于恒压功放外，它们的频响特性曲线基本相同。9.5.2集成功放频响特性——感性负载作为音频功放，其负载是扬声器——感性负载，仿真时用8Ω电阻与100μH电感串联来等效扬声器。带8Ω、100μH负载时的频率响应：图9-29（a）幅频特性图9-29（b）相频特性图9-29带8Ω、100μH负载时，恒压与恒流功放的频率响应结论：恒流功放在高频段有较明显的增益提升，故这种功放的音质丰满厚实又清晰明快。9.5.2设计实例——题目要求以TDA2030为核心设计一个功率放大器。要求：

回答以下问题：选择电源电压可能输出的最大功率前置放大器的放大倍数画出完整的电原理图仿真验证你的设计9.5