第5章 功率放大器.ppt

1、第5章 功率放大器,例： 扩音系统,什么是功率放大器？ 在电子系统中，模拟信号被放大后，往往要去推动一个实际的负载。如使扬声器发声、继电器动作、 仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率很大。能输出较大功率的放大器称为功率放大器。,一. 功放电路的特点,（2） 功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。,（1）输出功率Po尽可能大,5.1 功率放大器的特点和分类,功率放大器往往在接近极限运行状态下工作,导致输出信号存在一定程度的失真.,(3) 电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。,(4) 电源提供的能量应尽可能多地转

2、换给负载，尽量减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（）。使用时必须考虑转换效率和管耗问题,Po: 负载上得到的交流信号功率。 PE ： 电源提供的直流功率。,（5）功放管散热和保护问题,由于功率管管耗较大,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,二. 功率放大器的几种工作状态,甲类：Q点基本在负载线的中点，在正弦信号的整个周期内均有电流流过三极管。,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，三极管整个周期内都导通，导通角为360，功放管的管耗大，即，在没有信号输入时，电源提供的功率全部消耗在三级管和电阻上

3、，有信号输入时，电源提供的功率只有一部份转化为有用的输出功率。因此电路的能量转换效率低。理想情况下，电路的效率最高只能达到50%。,乙类：BJT只在正弦信号的半个周期内均导通。,基本上无静态电流，使得没有信号时，管号很小，电路的能量转换效率高，但只能对半个周期的输入信号进行放大，失真严重，输出波形被切掉50%。导通角为180,静态工作点设置在截止区,甲乙类：介于两者之间，导通角大于180,三级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180360 ，不仅能提高电路的能量转换效率（效率比乙类低，比甲类高。）还能克服乙类功率放大电路的失真问题，应用较广泛。,三、功

4、率放大器的分类 1. 按静态工作点位置分 （1）甲类（A类）功率放大器：晶体管在整个输入信号周期都导通的, 即通角360。 （2）乙类（B类）功率放大器：晶体管在半个输入信号周期导通, 即通角180 。,（3）甲乙类（AB类）功率放大器：是介于甲类和乙类之间的状态, 即 180360。 （4）丙类（C类）功率放大器：晶体管在小于半个输入信号周期导通, 即通角 180。 ,甲甲乙乙丙,单管甲类功率放大器的主要缺点是效率低，管耗大。,2. 按功率放大电路与负载间耦合方式分 （1）变压器耦合 （2）无输出变压器耦合互补对称功率放大器 1）OCL （Output Capacitorless）双电源供电

5、 无输出电容 2）OTL（Output Transformerless）单电源供电 有输出电容 3）BTL（ Balanced Transformerless ）桥式平衡电路,3.3.2 变压器耦合功率放大电路,RL选择很重要，实际RL都偏小要得到合适RL，就需要进行阻抗匹配，变压器可实现。,通过调N1、N2来选出最佳的RL,工作在甲类效率低，变压器体积大，低频响应差，不能集成,返回,射极输出器输出电阻低，带负载能力强，可以用做功率 放大器？,Q点正好在中点时,甲类放大电路不适合用于功率放大，仅用于实现电压、 电流信号放大,甲类,双电源互补对称功率放大电路（OCL电路），又称无输出电容的功率放

6、大电路。,一. 结构,互补对称： 电路中采用两个晶体管：NPN、PNP各一支； 两管参数、特性一致。两管构成的电路形式都为射极输出器，组成互补对称式射极输出器。,5.2 乙类互补对称功率放大电路,二、工作原理（设ui为正弦波）,静态时：电路无静态偏置通路，两管静态参数均为0,ui = 0V ic1、ic2均=0（乙类工作状态） uo = 0V,动态时：,ui 0V,T1截止，T2导通,ui 0V,T1导通，T2截止,iL= ic1 ;,iL=ic2,T1、T2两个管子交替工作，在负载上得到完整的正弦波。,（2）工作原理,动态时，当输入信号处于正半周时，T1导通，T2截止，ie1流过负载，产生u

7、o,同时对电容充电。,当输入信号为负半周时，T1截止，T2导通，电容放电，产生电流ie2通过负载RL，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。,静态时，VB = VA = VCC /2 ，T1、T2截止，即处于乙类工作状态，电容两端的电压为 VCC /2,于是两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电，在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个完整的不失真波形。,严格说，输入信号很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不导电。因此在正、负半周交替过零处会出现一些非线性失真，这个失真称为交越失真。如图所示。,交越失真,输入输出波形图,死区电压,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

8、号小于死区电压时，三极管都不导通，输出电压也为0，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。称为交越失真,最大不失真输出功率Pomax,1.输出功率Po,三、分析计算,组合特性分析图解法,输出电压越大，输出功率越大，当三极管进入临界饱和时，负载上的最大不失真电压为Uom=VCC- UCES，,一个管子的管耗：直流电源提供的功率与输出功率之差,2.管耗PVT,两管管耗,3.电源供给的功率PE,当,4.效率：输出功率与电源提供的功率之比,最高效率max，理想情况下，忽略UCES,四三极管的最大管耗,问：Uom=？ PT1最大, PT1max=？,用PT1对Uom求导，

9、并令导数=0，得出： PT1max发生在Uom=0.64VCC处。 将Uom=0.64VCC代入PT1表达式：,每个管子的最大功耗,总的最大功耗,选功率管的原则：,1. PCM PT1max =0.2PoM,2,例如，负载要求的最大功率POm=10W，那么只要选一个功耗PCm大于0.2POm=2W的功率管就行了。,1.存在交越失真,五、乙类互补对称功放的缺点,为解决交越失真，可给三极管稍稍加一点偏置（静态工作电流，使两个功率管在静态工作情况下处于刚刚导通的状态），使之工作在甲乙类。此时的互补功率放大电路如图所示。,(a)利用二极管提供偏置电压 (b)利用三极管恒压源提供偏置,给功率放大管加适当

10、的静态偏置， 每个管子BE结加正偏电压，通常,2. 克服交越失真的办法,使管子静态时微导通， 180360即工作在甲乙类。,静态时: T1、T2两管发射结电压分别为二极管D1、 D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态甲乙类工作状态,动态时：设 ui 加入正弦信号。正半周 T2 截止，T1 基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；负半周T1截止，T2 基极电位进一步降低，进入良好的导通状态。,电路中增加 R1、D1、D2、R2支路,1）基本原理,3. 交越失真的消除电路,（ 甲乙类双电源互补对称电路）,波形关系：,特点：存在较小的静态电流 ICQ 、IBQ 。每管导通时间大于半个周期，基

11、本不失真。,T4管和R1、R2形成T2、T3管的偏置电路。,T4管的集电极和基极之间接了电阻R1，这种电路是电压并联负反馈电路，而且既有直流反馈又有交流反馈。由于直流反馈，使A、B两点的直流电压很稳定，也就使输出及T2、T3管有一个稳定的直流工作点。,T4管组成的是电压并联负反馈，因此，T4的交流输出电阻很小，和电流源IR的交流输出电阻比较，可以忽略不计，即A、B连点的交流电位相同。,4、 克服交越失真的几种电路甲乙类双电源互补对称功率放大电路,(a) 是利用V3管的静态电流IC3Q在电阻R1上的压降来提供V1、V2管所需的偏压, 即,(b)是利用二极管的正向压降为V1、V2提供所需的偏压,

12、VD1、VD2还具有温度补偿的作用。 即,(c)是利用UBE倍压电路向V1、V2管提供所需的偏压,1、基本原理,. 单电源供电；,. 输出加有大电容。,（1）静态偏置,5.3 甲乙类单电源互补对称电路（OTL电路）,调整RW阻值的大小，可使,此时电容上电压,（2）动态分析,（电容起到了负电源的作用）,Ui负半周时， T1导通、T2截止；,Ui正半周时， T1截止、T2导通。,（3）输出功率及效率,若忽略交越失真的影响。则：,此电路存在的问题：,输出电压正方向变化的幅度受到限制，达不到VCC/2。,2. 带自举电路的单电源功放,自举电路也叫升压电路，利用自举升压二极管,自举升压电容等电子元件，使

13、电容放电电压和电源电压叠加，从而使电压升高有的电路升高的电压能达到数倍电源电压。 C1、R7为自举电路,通常用一个电容和一个二极管，电容存储电压，二极管防止电流倒灌，频率较高的时候，自举电路的电压就是电路输入的电压加上电容上的电压，起到升压的作用。,自举电路主要是在甲乙类单电源互补对称电路中使用较为普遍。甲乙类单电源互补对称电路在理论上可以使输出电压Vo达到Vcc的一半，但在实际的测试中，输出电压远达不到Vcc的一半。其中重要的原因就需要一个高于Vcc的电压。所以采用自举电路来升压。,静态时,C1充电后，其两端有一固定电压,动态时,由于C1很大，两端电压基本不变，使C1上端电位随输出电压升高而

14、升高。保证输出幅度达到VCC/2。,【互补对称电路需要一对性能相近的异性管，小功率异型管配对较容易，但大功率管配对较困难。如果输出管用大功率的同型管，而在输出管的前面再一对异型管就组成复合管。就解决了大功率异型管配对的困难。】,注意：,与一般电压放大器比较,功放电路在性能上有什么不同点?,电压放大驱动低负载的阻抗电流能力不强， 功放电路驱动负载的电压放大能力不强！ 简单的说就是，一个放大电压，一个放大电流！,一般的电压放大器特指那种小信号放大电路，主要用于小信号放大，核心是多级共射放大电路，电压放大能力（电压增益）很强，经常可以达到40-80dB（100-10000倍），但输出信号主要用电压表

15、示，电流强度不大。输出级一般是用简单的推挽放大电路，输出功率不大，一般小于5W。,功率放大电路主要在于功率放大，特别是电流放大，输出级一般是推挽型放大电路，有的甚至是用MOS并联推挽放大电路，输出功率很强，小的也有瓦级，大的可以达到1000W，2000W甚至更高，可以推动巨大的用电器如大功率音箱，大电动机之类的东西。,相比之下，两者的设计目标不一致，前者是为处理信号准备的，后者为传递和放大功率。 后者的设计难度在于要使用大功率元器件，还有复杂的热设计；而前者难度在于信号放大时对噪声的抑制以及对频率特性的追求。,功放的输出级有两个“臂”（两组放大元件），一个“臂”的电流增加时，另一个“臂”的电流

16、则减小，二者的状态轮流转换。对负载而言，好像是一个“臂”在推，一个“臂”在拉，共同完成电流输出任务。尽管甲类放大器可以采用推挽式放大，但更常见的是用推挽放大构成乙类或甲乙类放大器。,推挽放大,OTL功放与OCL功放的比较,图1 OCL功率放大电路,图2 互补对称OTL功率放大电路,如上两幅图可以看出OTL功放与OCL功放的最大区别是一个是双电源供电，一个是单电源供电。,1、 单电源互补对称电路（OTL电路）具有线路简单，频响效果好，效率高等特点。 （1） 该管功率输出采用共集电极接法，输出电阻小，能与低阻抗负载较好匹配，无需变压器进行阻抗匹配 （2） 输出功率等于Vcc的平方比上8倍的负载电阻

17、,2、 双电源互补对称功放电路（OCL电路） （1） 输出功率等于Vcc的平方比上2倍的负载电阻 （2） 它是两只三极管轮回工作，由于工作特性，相互补偿了对方的工作局限,1. 复合管,增加复合管的目的：扩大电流的驱动能力。, 1 2,管子类型由复合管中的第一支管子决定。电流流向要一致,复合NPN型,复合PNP型,5.4 复合互补对称功率放大器,2. 带复合管的OCL互补输出功放电路：,T1：电压推动级（前置级）,T2、R1、R2：UBE扩大电路,T3、T4、T5、T6： 复合管构成互补对称功放,输出级中的T4、T6均为NPN型晶体管，两者特性容易对称。,合理选择R1、R2，b3、b5间可得到

18、UBE2 任意倍的电压。,图中两个末级对管是同一类型的（均为NPN型）因此比较容易配对。,1、大功率的PNP和NPN两种类型管子之间难以做到特性一致。 2、输出大功率时功放管的峰值电流很大。而功放管的不会很大，因而要求其前置级有较大推动电流。,为什么要采用复合管对称电路？,采用复合管作为功放管，电流放大系数为两管电流放大系数的乘积，因而可降低前级推动电流，又可容易用类型大功率管组成配对的NPN和PNP管,3.带运放前置放大级的功率放大电路（OCL）,运放A接成同相输入方式作前置放大级。引入了电压 串联负反馈。整个电路的电压放大倍数：,4.带运放前置放大级的功率放大电路（OTL）,运放A对输入信

19、号先进行适当放大。以驱动功放管工作。常称为前置放大级。V4V7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。V1、V2和V3为功放管的基极提供静态偏置电压。使其静态时处于微导通状态。,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。,总结：互补对称功放的类型,OTL电路主要性能指标的计算与OCL电路相似，但公式中UCC换成UCC /2,5.5 集成功率放大器介绍,集成功率放

20、大器具有输出功率大、 外围连接元件少、 使用方便等优点, 目前使用越来越广泛。 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功率放大器, 与其它功放相比, 它的引脚和外部元件都较少。常用于收录机和有源音箱中, 作音频功率放大器, 也可作其它电子设备中的功率放大。因其内部采用的是直接耦合, 亦可以作直流放大。 ,1）主要性能参数 电源电压 UCC318 V 输出峰值电流 3.5 A 输入电阻 0.5 M 静态电流 60 mA（测试条件: UCC =18 V） 电压增益 30 dB 频响BW 0140 kHz 在电源为15 V、 RL=4 时, 输出功率

21、为14 W,2）TDA2030引脚排列及功能,TDA2030A集成功放的内部电路,2TDA2030A 集成功放的典型应用 1） 双电源（OCL）应用电路,输入信号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,为了保持两输入端直流电阻平衡, 使输入级偏置电流相等, 选择R3=R1。 V1、 V2起保护作用, 用来泄放RL产生的感生电压, 将输出端的最大电压钳位在（UCC+0.7 V）和（-UCC -0.7 V）上。C3、C4为去耦电容, 用于减少电源内阻对交流信号的影响。 C1、 C2为耦合电容。, 2） 单电源（OTL）应用电路 对仅有一组电源的

22、中、小型录音机的音响系统, 可采用单电源连接方式。,由于采用单电源供电, 故同相输入端用阻值相同的R1、 R2组成分压电路, 使K点电位为UCC/2,经R3加至同相输入端。 在静态时, 同相输入端、 反向输入端和输出端皆为UCC/2。其它元件作用与双电源电路相同。,由TDA2030A构成的单电源功放电路,LM386是一种低电压通用型低频集成功放。该电路功耗低、允许的电源电压范围宽、通频带宽、外接元件少, 广泛用于收录机、 对讲机、 电视伴音等系统中。 ,3. 通用型集成功放LM386,图a为 LM386内部电路, 共有3级。V1V6组成有源负载单端输出差动放大器，用作输入级, 其中V5、V6构成镜像电流源用作差放的有源负载以提高单端输出时差动放大器的放大倍数。中间级是由V7构成的共射放大器, 也采用恒流源I作负载以提高增益。输出级由V8V10组成准互补推挽功放, 其中VD1、VD2组成功放的偏置电路以消除交越失真。 ,LM386的管脚排列如图（b）所示, 为双列直插塑料封装。管脚功能为: 2、3脚分别为反相、 同相输入端; 5脚为输出端; 6脚为正电源端; 4脚接地; 7脚为旁路端, 可外接旁路电容以抑制纹波; 1、 8脚为电压增益设定端。,当1、8脚开路时,负反馈最深, 电压放大倍数