模拟电子技术 华成英 童诗白第九章.ppt

1、第9章 功率放大电路,9.1 功率放大电路的特点与类型 9.2 互补推挽功率放大电路 9.3 集成功率放大器,9.1.1 功率放大电路的特点 放大电路实质上都是能量转换电路，功率放大电路与电压放大电路从能量控制的观点来看没有本质的区别，但两者所要完成的任务是不同的。对电压放大电路的主要要求是使负载得到不失真的电压信号，输出的功率并不一定大。而对功率放大电路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，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有所不同，主要有： (1) 要求功率放大器的输出功率尽可能大，因而需要输出电压和电流的幅值足够大；,9.1 功

2、率放大电路的特点与类型,下一页,返回,(2) 由于功率放大器是在大信号下工作，使功放管往往在接近极限运用状态下工作，导致输出信号存在一定程度的失真。因此，功率放大电路在设计和调试过程中，必须把非线性失真限制在允许的范围内； (3) 电路末级的三极管都采用功率管，它的极限参数ICM、U(BR)CEO、PCM等应满足实际电路正常工作时的要求，并要留有一定的余量。由于功率管的管耗较大，在使用时一般要加散热器，以降低结温，确保三极管安全工作； (4) 由于工作在大信号状态下，功率管消耗的功率较大，在使用时必须考虑转换效率和管耗问题。,9.1 功率放大电路的特点与类型,下一页,返回,上一页,9.1.2

3、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，可分成甲类、乙类和甲乙类。 (1) 甲类：甲类功率放大电路的静态工作点位置适中，如图9-1(a)所示。放大电路有较大的静态工作电流ICQ，能对输入信号的整个周期进行放大，因此输出信号的非线性失真小。无论有无输入信号，三极管在整个周期内都导通，导通角为360o，功放管的管耗大，电路的能量转换效率低。在理想情况下，甲类放大电路的效率最高只能达到50%。,9.1 功率放大电路的特点与类型,下一页,返回,上一页,(2) 乙类：乙类功率放大电路的静态工作点设置在截止区，如图9-1(b)所示。乙类功率放大电路基本上无静态电流，电路的能

4、量转换效率高，但只能对半个周期的输入信号进行放大，导通角为180o，输出信号非线性失真严重。 (3) 甲乙类：甲乙类功率放大电路的静态工作点设置在放大区但接近截止区，如图9-1(c)所示，即三极管静态时处于微导通状态，工作状态介于甲类和乙类之间。静态工作点较低，导通角为180o360o，既能提高电路的能量转换效率，又能克服乙类功率放大电路的失真问题，目前应用较广泛。,9.1 功率放大电路的特点与类型,返回,上一页,9.2.1 双电源互补对称功率放大电路（OCL电路） 1. 电路组成及工作原理 图9-2是乙类双电源互补对称功率放大电路，又称无输出电容的功率放大电路，简称OCL (Output C

5、apacitor Less)电路。V1为NPN型管，V2为PNP型管，两管参数完全对称，称为互补对称管。两管构成的电路形式都为射极输出器，电路工作原理分析如下。 1) 静态分析 由于电路无静态偏置通路，故两管的静态参数IBQ、ICQ、IEQ均为零，即两个三极管静态时都工作在截止区，无管耗，电路属于乙类工作状态。负载上无电流，输出电压uo=0。,9.2 互补推挽功率放大电路,下一页,返回,2) 动态分析 (1) 当输入信号为正半周时，ui0，三极管V1导通，V2截止，等效电路如图9-3(a)所示。管V1的射极电流ie1经+VCC自上而下流过负载，在RL上形成正半周输出电压，uo0。 (2) 当输

6、入信号为负半周时，ui0，三极管V2导通，V1截止，等效电路如图9-3(b)所示。管V2的射极电流ie2经VCC自下而上流过负载，在RL上形成负半周输出电压，uo0。 2. 性能指标的估算 以下参数分析均以输入信号是正弦波为前提，且忽略电路失真。,9.2 互补推挽功率放大电路,下一页,返回,上一页,1) 输出功率Po 由于在输出端获得的电压和电流均为正弦信号，根据功率的定义得 式中，Uom、Iom分别是负载上电压和电流的峰值。由式可见，输出电压Uom越大，输出功率越高，当三极管进入临界饱和时，输出电压Uom最大，其大小为 若忽略UCES，则,9.2 互补推挽功率放大电路,下一页,返回,上一页,

7、故负载上得到的最大输出功率为 2) 直流电源提供的功率PE 两个直流电源各提供半个周期的电流，其峰值为Iom=Uom/RL。故每个电源提供的平均电流为 因此两个电源提供的功率为,9.2 互补推挽功率放大电路,下一页,返回,上一页,输出最大功率时，电源提供的功率也最大： 3) 效率 输出功率与电源提供的功率之比称为功率放大器的效率。一般情况下效率为 理想情况下，忽略UCES，则UomVCC，得到电路的最大效率为 78.5%,9.2 互补推挽功率放大电路,下一页,返回,上一页,4) 管耗PV 直流电源提供的功率与输出功率之差就是消耗在三极管上的功率，即 由分析可知，当Uom=2VCC/0.64VC

8、C时，三极管总管耗最大，其值为 每个管子的最大功耗为,9.2 互补推挽功率放大电路,下一页,返回,上一页,5) 功率管的选择 功率管的极限参数有ICM、PCM和U(BR)CEO，若想得到最大输出功率，功率管的参数应满足下列条件： (1) 功率管的最大功耗应大于单管的最大功耗，即 (2) 功率管的最大耐压 即一只三极管饱和导通时，另一只三极管承受的最大反向电压约为2VCC。,9.2 互补推挽功率放大电路,下一页,返回,上一页,(3) 功率管的最大集电极电流 3. 交越失真及其消除 在乙类互补对称功率放大电路中，静态时三极管处于截止区。由于三极管存在死区电压，当输入信号小于死区电压时，三极管V1、

9、V2仍不导通，输出电压uo也为零。因此在输入信号正、负半周交接的附近，无输出信号，输出波形出现一段失真，如图9-4所示，这种失真称为交越失真。 为了消除交越失真，通常给功率放大管加适当的静态偏置，使其静态时处于微导通状态，如图9-4所示。,9.2 互补推挽功率放大电路,下一页,返回,上一页,导通角在18003600之间，电路属于甲乙类功放电路。由于三极管处于微导通状态，静态电流与信号电流相比较，可忽略不计，所以甲乙类功率放大电路的效率接近于乙类功率放大电路。 9.2.2 单电源互补对称功率放大电路（OTL电路） 双电源互补对称功率放大电路由于静态时输出端电位为零，负载可以直接连接，不需要耦合电

10、容，因而OCL电路具有低频响应好、输出功率大、便于集成等优点，但需要双电源供电，使用起来有时会感到不便。如果采用单电源供电，只要在两管发射极与负载之间接入一个大容量电容即可。这种电路通常称为无输出变压器电路，,9.2 互补推挽功率放大电路,下一页,返回,上一页,简称OTL(Output Transformer Less)电路，如图9-6所示。 1. 电路组成 图9-6中，V1、V2组成互补对称输出级，R1、R2、VD1、VD2保证电路工作于甲乙类状态，C2为大电容。静态时，适当选择偏置电阻R1、R2的阻值，使两功放管发射极电压为VCC /2，电容C2两端电压也稳定在VCC /2，这样两管的集、

11、射极之间如同分别加上了VCC /2和VCC /2的电源电压。 2. 工作原理 在输入信号ui正半周，V1导通，V2截止，V1以射极输出器形式将正向信号传送给负载，同时对电容C2充电；,9.2 互补推挽功率放大电路,下一页,返回,上一页,在输入信号ui负半周，V1截止，V2导通，已充电的电容C2代替负电源向V2供电，使V2也以射极输出器形式将负向信号传送给负载。只要电容C2的容量足够大，使其充、放电时间常数RLC2远大于信号周期T，就可认为在信号变化过程中，电容两端电压基本保持不变。这样，负载RL上就可得到一个完整的信号波形。 与OCL电路相比，OTL电路少用一个电源，故使用方便。但由于输出端的

12、耦合电容容量大，电容器内铝箔卷圈数多，呈现的电感效应大，它对不同频率的信号会产生不同的相移，输出信号有附加失真，这是OTL电路的缺点。从基本工作原理上看，两个电路基本相同，只是在单电源互补对称电路中每个功放管的工作电压不是VCC，而是VCC /2。,9.2 互补推挽功率放大电路,下一页,返回,上一页,9.2.3 复合互补对称功率放大电路 互补对称功率放大电路中，要求两个功放管完全对称，这对于大功率管来说实现起来比较困难。实际工作中，常常采用复合管的接法来实现互补。 1.复合管的结构 复合管又称为达林顿管，是由两个或两个以上三极管按照一定的方式连接而成的，如图9-7是四种常见的复合管类型。 由图

13、9-7可以看出，复合管的类型取决于V1管。如图9-7(a)中，V1管为NPN型，V2管为NPN型，复合管等效为NPN型。,9.2 互补推挽功率放大电路,下一页,返回,上一页,图9-7(b)中，V1管为NPN型，V2管为PNP型，则复合管仍然等效为NPN型。 2. 复合管的特点 1) 电流放大系数很大 复合管的电流放大系数近似为组成该复合管各三极管的乘积，其值很大。由图9-7(a)可得复合管的电流放大系数为,9.2 互补推挽功率放大电路,下一页,返回,上一页,2) 穿透电流大 由于复合管中第一个晶体管的穿透电流会进入下一级晶体管进行放大，使得总的穿透电流比单管穿透电流大得多，这是复合管的缺点。为

14、了减小穿透电流的影响，常在两个晶体管之间并接一个泄放电阻，如图9-8所示。泄放电阻R的接入将V1管的穿透电流ICEO1分流，R越小，分流作用越大，复合管总的穿透电流越小。但是，R的接入也会使复合管的电流放大倍数下降。 3. 复合管构成的OTL功率放大电路 如图9-9所示为复合管构成的OTL功率放大电路。图9-9中，运算放大器A对输入信号先进行适当放大，,9.2 互补推挽功率放大电路,下一页,返回,上一页,以驱动功放管工作，常称为前置放大级。V4 V7为复合管构成的功放管，V4和V6组成NPN型复合管，V5和V7组成PNP型复合管。D1、D2和D3为功放管的基极提供静态偏置电压，使其静态时处于微

15、导通状态。R7和R8称为泄放电阻，用来减小复合管的穿透电流。电阻R6是V4和V5管的平衡电阻，电阻R9和R10用来稳定电路的静态工作点，并具有过流保护的作用。电阻R1和R11构成电压并联负反馈电路，用来稳定电路的输出电压，提高电路的带负载能力。,9.2 互补推挽功率放大电路,返回,上一页,集成功率放大器(integrated power amplifier)具有输出功率大、外围连接元件少、使用方便等优点，目前使用越来越广泛。它的品种很多，本节主要介绍两种常用的集成功率放大器TDA2030A和LM386。 1. TDA2030A音频集成功率放大器简介 TDA2030A是目前使用较为广泛的一种集成

16、功率放大器，与性能类似的其他功放相比，它的引脚和外部元件都较少。 TDA2030A的电气性能稳定，能适应长时间连续工作，内部集成了过载保护和过热保护电路。,9.3 集成功率放大器,下一页,返回,金属外壳可直接固定在散热片上并与地线（金属机箱）相接，无需绝缘，使用很方便。 TDA2030A的内部电路如图9-10所示。 1. TDA2030A的外形及引脚排列 外形如图9-11所示。 2. TDA2030A的性能指标 TDA2030A适用于收录机和有源音箱中，作音频功率放大器，也可作其他电子设备中的功率放大。因其内部采用的是直接耦合，亦可作直流放大。主要性能参数如下：,9.3 集成功率放大器,下一页

17、,返回,上一页,电源电压VCC 318V 输出峰值电流 3.5A 输入电阻 0.5M 静态电流 60mA(测试条件:UCC =18V) 电压增益 30dB 频响BW 0140kHz 谐波失真 THD0.5% 在电源为15V、RL=4时输出功率为14W。,9.3 集成功率放大器,下一页,返回,上一页,3. TDA2030A集成功放的典型应用 1) 双电源(OCL)应用电路 图9-12所示电路是双电源时TDA2030A的典型应用电路。信号ui由同相端输入，R1、R2、C2构成交流电压串联负反馈，因此闭环电压放大倍数为 R3为输入端的直流平衡电阻，保证输入级的偏置电流相等，选择R3= R1。VD1、

18、VD2为保护二极管，用来泄放负载RL产生的感生电压，将输出端的最大电压钳位在(VCC +0.7) V范围内。,9.3 集成功率放大器,下一页,返回,上一页,C1、C2为耦合电容。C3、C4为去耦电容，用于减少电源内阻对交流信号的影响。 2) 单电源(OTL)应用电路 对仅有一组电源的中、小型录音机的音响系统，可采用图9-13所示的单电源连接方式。由于采用单电源供电，故同相输入端用阻值相同的R1、R2组成分压式电路，使K点电位为VCC/2，通过R3向输入级提供直流偏置。在静态时，同相输入端、反相输入端和输出端皆为VCC/2。其它元件作用与双电源电路相同。,9.3 集成功率放大器,下一页,返回,上一页,2. LM386集成功率放大器简介 1. LM386的引脚排列 如图9-14所示，LM386有8个引脚。其中引脚2和3分别是反相输入端和同