低频功率放大电路.docx

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低频功率放大电路

第6章低频功率放大电路

在实际的放大电路中，无论是分立元件放大器还是集成放大器，其末级都要求输出较大的功率以便驱动如音响放大器中的扬声器、电视机的显像管和计算机监视器等功率型负载。

能够为负载提供足够大功率的放大电路称为功率放大电路，简称功放。

功率放大电路按构成放大电路器件的不同可分为分立元件功率放大电路和集成功率放大电路。

由分立元件构成的功率放大电路，电路所用元器件较多，对元器件的精度要求也较高。

输出功率可以做得比较高。

采用单片的集成功率放大电路，主要优点是电路简单，设计生产比较方便，但是其耐电压和耐电流能力较弱，输出功率偏小。

功率放大电路按放大信号的频率，可分为高频功率放大电路和低频功率放大电路。

前者用于放大射频范围（几百千赫兹到几十兆赫兹）的信号，后者用于放大音频范围（几十赫兹到几十千赫兹）的信号。

本章主要讨论的是低频功率放大电路。

6.1功率放大器的一般问题

6.1.1功率放大器的特点及主要指标

从能量控制和转换的角度来看，功率放大电路和一般的放大电路没有本质的区别。

但功率放大电路上既有较大的输出电压，同时也有较大的输出电流，其负载阻抗一般相对较小，输出功率要求尽可能大。

因此从功率放大电路的组成和分析方法，到电路元器件的选择，都与前几章所讨论的小信号放大电路有很大的区别。

低频功率放大器的主要指标有以下几项：

1．提供尽可能高的输出功率Po

功率放大器的主要要求之一就是输出功率要大。

为了获得较大的输出功率，要求功率放大管（简称功放管）既要输出足够大的电压，同时也要输出足够大的电流，因此管子往往在接近极限运用状态下工作。

所谓最大输出功率，是指在输入正弦信号时，输出波形不超过规定的非线性失真指标时，放大电路最大输出电压和最大输出电流有效值的成积，即：

2．提供尽可能高的功率转换效率

功率放大器实质上是一个能量转换器，它将直流电源提供的功率转换成交流信号的能量提供给负载，但同时还有一部分功率消耗在功率管上并产生热量。

所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源提供的直流总功率的比值，其定义为

（6.1）

式中，Po为输出信号功率，PV为直流总功率。

显然，越大越好，但总有0≤≤1。

设功放管的损耗功率为PVT，则有

PV=Po+PVT（6.2）

式（6.2）表明，提高效率可以在保持输出功率Po不变的情况下降低损耗功率PVT。

值得注意的是，效率越低，输出功率就越低，相对的消耗在电路内部的损耗功率也就越高，这部分电能使元器件和功率管的温度升高，对电路的工作造成不利。

3．非线性失真要小

功率放大器是在大信号下工作，电压电流摆动幅度很大，所以不可避免地产生非线性失真。

而同一功率管的输出功率越大，非线性失真也就越严重。

在实际应用中，我们应根据负载的不同要求来选择重点，如在音响和测量设备中应尽量减小非线性失真。

而在控制继电器和驱动电机等工业控制场合，允许有一定的非线性失真，而以输出功率为主要目的。

4．功率管的散热要好

在功率放大器中，即使最大限度地提高效率，仍有相当大的功率消耗在功率管上，使其温度升高。

为了充分利用允许的管耗，使管子输出的功率足够大，就必须研究功率管的散热问题。

为了功率管的工作安全，必须给它加装散热片。

功率管装上散热片后，可使其输出功率成倍提高。

6.1.2功率放大电路工作状态的分类

电路测试42基本放大电路效率的测量（见9.6）

功率放大电路按放大器中三极管静态工作点设置的不同，可以分为甲类、乙类、甲乙类三种。

如图6-1所示。

图6-1功率放大电路的三种工作状态

a）甲类b）甲乙类c）乙类

甲类功率放大电路通常将工作点设置在交流负载线的中点，放大管在整个输入信号周期内都导通，有电流流过。

甲类功放的导通角为θ=360°。

在甲类放大器中，当工作点确定之后，不管有无交流信号输入，直流电源提供的功率PV始终是恒定的，且为直流电压VCC与直流电流IC之积，

因此，由式（6.2）容易理解，当交流输出功率Po越小时，管子及电阻上损耗的功率即无用功率PVT反而越大，这种损耗功率通常以热量的形式耗散出去。

也就是说，在没有信号输出时，放大器的负荷恰恰是最重的，最有可能被热击穿，显然这是极不合理的。

甲类功放的最大缺点是效率低下，可以证明在理想情况下，甲类放大电路的效率最高也只能达到50%。

实际的甲类放大器的效率通常在10%以下。

如果能做到无信号时，三极管处于截止状态，电源不提供电流，只在有信号时电源才提供电流。

把电源提供的能量大部分用到负载上，整体效率就会提高很多。

按照此要求设计的放大器就是乙类功率放大器。

乙类功率放大电路通常将工作点设置在截至区，放大管在整个输入信号周期内仅有半个周期导通，有电流流过。

乙类功放的导通角为θ=180°。

甲乙类功率放大电路通常将工作点设置在放大区内，但很接近截至区，放大管在整个输入信号周期内有大半个周期导通，有电流流过。

甲乙类功放的导通角为180°≤θ≤360°。

甲乙类和乙类放大器的效率大大提高，因此甲乙类和乙类放大器主要用于功率放大电路中。

功率放大电路还有丙类，丁类等。

丙类放大器一般用在高频发射机的谐振功率放大电路中，其导通角为θ≤180°。

丁类放大器工作于开关状态，由于其工作效率高而得到越来越广泛的应用。

6.2乙类互补对称功率放大电路

6.2.1OCL电路的组成

乙类放大电路虽然管耗小，有利于提高效率，但存在严重的失真，只有半个周期导通，即输出信号只有半个波形。

常用两个对称的乙类放大电路，一个放大正半周信号，而另一个放大负半周信号，从而在负载上得到一个合成的完整波形，这种两管交替工作的方式称为推挽工作方式，这种电路称为乙类互补对称推挽功率放大电路。

电路测试43基本互补对称电路的测试（见9.6）

功率放大器的基本电路如图6-2a所示，该电路中，VT1和VT2分别为NPN型管和PNP型管，两管的基极和发射极分别相互连接在一起，信号从基极输入，从射极输出，RL为负载。

这个电路可以看成是由图6-2b，6-2c两个射极输出器组合而成。

图6-2两射极输出器组成的基本互补对称电路

a）基本互补对称电路b）由NPN管组成的射极输出器c）由PNP管组成的射极输出器

（1）静态分析

当输入信号ui=0时，两个三级管都工作在截至区，此时的静态工作电流为零，负载上无电流流过，输出电压为零。

输出功率为零。

（2）动态分析

当信号处于正半周时，VT2截止，VT1放大，有电流通过负载RL；而当信号处于负半周时，VT1截止，VT2放大，仍有电流通过负载RL。

负载RL上流过的电流是一个完整的正弦波信号。

在电路完全对称的理想情况下，负载电阻上的直流电压为零，因此，不必采用耦合电容来隔直流，所以，该电路称为无输出电容电路（OCL电路）。

6.2.2OCL电路的性能分析

参见图6-2a，为分析方便起见，设晶体管是理想的，两管完全对称，其导通电压UBE=0，饱和压降UCES=0。

则放大器的最大输出电压振幅为VCC，最大输出电流振幅为VCCRL，且在输出不失真时始终有ui=uo。

1.输出功率Po

设输出电压的幅值为Uom，有效值为Uo；输出电流的幅值为Iom，有效值为Io。

则

（6.3）

当输入信号足够大，使Uom=Uim=VCCUCES≈VCC时，可得最大输出功率

（6.4）

2.直流电源供给的功率PV

由于VT1和VT2在一个信号周期内均为半周导通，因此直流电源VCC供给的功率为

因为有正负两组电源供电，所以总的直流电源供给的功率为

（6.5）

当输出电压幅值达到最大，即Uom≈VCC时，得电源供给的最大功率为

（6.6）

3.效率

（6.7）

当输出电压幅值达到最大，即Uom≈VCC时，得最高效率

（6.8）

这个结论是假定互补对称电路工作在乙类，且负载电阻为理想值，忽略管子的饱和压降UCES和输入信号足够大（Uim≈Uom≈VCC）情况下得来的，实际效率比这个数值要低些。

4.管耗PVT

两管的总管耗为直流电源供给的功率PV与输出功率Po与之差

即

（6.9）

显然，当ui=0即无输入信号时，Uom=0,Po,管耗PVT和直流电源供给的功率PV均为0。

5.最大管耗和最大输出功率的关系

电路测试44基本互补对称电路最大管耗的测量（见9.6）

当输出电压幅度最大时，虽然功放管电流最大但管压降最小，故管耗不是最大；当输出电压为零时，虽然功放管管压降最大但集电极电流最小。

故管耗也不是最大。

由式（6.7）知，管耗PVT是输出电压幅值Uom的一元二次函数，存在极值。

对式（6.7）求导可得

令

，则：

（6.10）

式（6.10）表明，当输出电压

时具有最大管耗。

将式（6.10）代入式（6.7）可得最大管耗为：

（6.11）

而最大输出功率

，则每管的最大管耗和电路的最大输出功率具有如下的关系

（6.12）

式（6.12）常用来作为乙类互补对称电路选择管子的依据，例如，如果要求输出功率为5W，则只要用两个额定管耗大于1W的管子就可以了。

需要指出的是，上面的计算是在理想情况下进行的，实际上在选管子的额定功耗时，还要留有充分的余地。

功放管消耗的功率主要表现为管子结温的升高。

散热条件越好，越能发挥管子的潜力，增加功放管的输出功率。

因而，管子的额定功耗还和所装的散热片的大小有关。

必须为功放管配备合适尺寸的散热器。

6.2.3功率晶体管的选择

在选择功率晶体管时，必须考虑晶体管的最大集电极功耗PCM、最大管压降

、最大集电极电流ICM。

①每只功率管的最大允许管耗PCM必须大于实际工作时的PVT1m。

②由于乙类互补对称功率放大电路中得一个晶体管导通时，另一个晶体管截止。

当输出电压达到最大不失真输出幅度时，截止管所承受的反向电压为最大，且近似等于2VCC。

因此，应选用击穿电压

的功率管。

③通过功率晶体管的最大集电极电流为VCC/RL，选择功率晶体管的最大允许的集电极电流应满足ICM>VCC/RL。

【例6-1】已知乙类互补对称功放电路如图6-2a所示，设VCC=24V，RL=8试求：

①估算其最大输出功率Pom以及最大输出时的PV、PVT1和效率，并说明该功率放大电路对功率晶体管的要求。

②放大电路在=0.6时的输出功率Po的值。

解①求Pom

由式（6.4）可求出

而通过晶体管的最大集电极电流，晶体管的c,e极间的最大压降和它的最大管耗分别为

功率晶体管的最大集电极电流ICM必须大于3A，功率管的击穿电压

必须大于48V，功率管的最大允许管耗PCM必须大于7.2W。

②求=0.6时的Po值。

由式（6.6）可求出

则

6.2.4OTL电路和BTL电路

OCL乙类互补对称功率放大电路的特点是：

双电源供电、由于电路无需输出电容所以电路可以放大变化较缓慢的信号，频率特性较好。

但由于负载电阻直接连在两个晶体管的发射极上，假如静态工作点失调或电路内元器件损坏，负载上有可能因获得较大的电流而损坏，实际电路中可以在负载回路中接入熔断丝。

OCL乙类互补对称功率放大电路具有很多优点，但是采用双电源的供电方式很不方便，互补对称电路也可采用单电源供电，即为OTL乙类互补对称功率放大电路。

OTL乙类互补对称功率放大电路如图6-3所示，VT1和VT2组成互补对称功放的输出电路，信号从基极输入，发射极输出；VT1为前置放大级，RL为负载，C1为耦合电容，C2为输出端所接的大电容，由于VT1和VT2对称，所以静态时大电容C2上的电压为VCC/2，所以C2可以作为一个电源使用，C2还有隔直流的作用。

OTL乙类互补对称功率放大电路虽然少用一个电源，但由于大电容C2的存在，使电路对不同频率的信号会产生不同的相移，输出信号会产生失真。

OTL电路的分析计算方法和OCL基本相同，只要把前面推导出的计算公式中的VCC换成VCC/2即可。

图6-3OTL互补对称电路图6-4BTL互补对称电路

OCL电路和OTL电路的特点是效率高，但不足是电源利用率不高，电路中负载上获得的最大输出电压值只有所加电源电压的一半，电路的输出功率将受到电源电压的限制。

为了提高电源的利用率，使负载上获得较大的功率，可以采用平衡式无输出变压器电路，又称为BTL电路。

BTL乙类互补对称功率放大电路如图6-4所示，VT1和VT2，VT3和VT4分别组成一对互补管，BTL电路由两组对称电路组成，RL为负载；信号从基极输入，发射极输出。

静态时，负载上RL的输出为零。

输入信号ui正半周时，晶体管VT1和VT4导通，输出电压最大值约为VCC，输入信号ui负半周时，晶体管VT2和VT3导通，输出电压最大值约为VCC。

输出功率为：

可以证明，在同样大小的电源电压的负载的情况下，BTL电路的效率近似为78.5%。

最大输出功率是OTL电路的四倍。

其输出也不需要接耦合电容。

其缺点是所用的晶体管数目较多。

6.3甲乙类互补对称功率放大电路

6.3.1乙类互补对称电路的失真

电路测试45基本互补对称电路失真的测试（见9.6）

前面所讨论的乙类互补对称电路（图6-5a所示）在实际应用中还存在一些缺陷，主要是晶体管没有直流偏置电流，因此只有当输入电压大于晶体管导通电压（硅管约为0.7V，锗管约为0.2V）时才有输出电流，当输入信号ui低于这个数值时，VT1和VT2都截止，iC1和iC2基本为零，负载RL上无电流通过，出现一段死区，如图6-5b所示。

这种现象称为交越失真。

解决这一问题的办法就是预先给晶体管提供一较小的基极偏置电流，使晶体管在静态时处于微弱导通状态，即甲乙类状态。

图6-5工作在乙类的双电源互补对称电路

a）电路b）形成交越失真的原理

6.3.2甲乙类互补对称电路

1.甲乙类双电源互补对称电路

图6-6所示为采用二极管作为偏置电路的甲乙类双电源互补对称电路。

该电路中，VD1,VD2上产生的压降为互补输出级VT1、VT2提供了一个适当的偏压，使之处于微导通的甲乙类状态，且在电路对称时，仍可保持负载RL上的直流电压为0；而VD1、VD2导通后的交流电阻也较小，对放大器的线性放大影响很小。

另外，VT3通常构成驱动级，为简明起见，其基极偏置电路在这里未画出。

图6-6利用二极管进行偏置的图6-7利用恒压源电路进行偏置的

互补对称电路互补对称电路

采用二极管作为偏置电路的缺点是偏置电压不易调整。

图6-7所示为利用恒压源电路进行偏置的甲乙类互补对称电路。

该电路中，由于流入VT4的基极电流远小于流过R1,R2的电流，因此可求出为VT1,VT2提供偏压的VT4管的

，而VT4管的UBE4基本为一固定值，即UCE4相当于一个不受交流信号影响的恒定电压源，只要适当调节R1,R2的比值，就可改变VT1,VT2的偏压值，这是集成电路中经常采用的一种方法。

2.甲乙类单电源互补对称电路

在有些要求不高而又希望电路简化的场合，可以考虑采用一个电源的互补对称电路，如图6-8所示。

该电路中，C为大电容，正常工作时，可使N点直流电位UN=VCC/2，而大电容C对交流近似短路，因此C上的电压uC≈UC=UN=VCC/2。

当信号ui输入时，由于VT3组成的前置放大级具有倒相作用，因此，在信号的负半周，VT1导电，信号电流流过负载RL，同时向C充电；在信号的正半周，VT2导电，则已充电的C起着双电源电路中的VCC的作用，通过负载RL放电并产生相应的信号电流。

即只要选择时间常数RLC足够大（远大于信号的最大周期），单电源电路就可以达到与双电源电路基本相同的效果。

那么，如何使N点得到稳定的直流电压UN=VCC/2？

在该电路中，VT3管的上偏置电阻R2的一端与N点而不是与M点相连，即引入直流负反馈，因此只要适当选择R1,R2的阻值，就可以使N点直流电压稳定并容易得到UN=VCC/2。

值得指出，R1,R2还引入了交流负反馈，使放大电路的动态性能指标得到了改善。

图6-8单电源互补对称电路

需要特别指出的是，采用单电源的互补对称电路，由于每个管子的工作电压不是原来的VCC，而是VCC/2（输出电压最大也只能达到约VCC/2），所以前面导出的计算Po,PVT,PV和PVTm的公式中的VCC要以VCC/2代替。

6.4集成功率放大器

电路测试46集成功率放大器的测试（见9.6）

集成功率放大器由功率放大集成块和一些外部阻容元件构成。

它具有线路简单，性能优越，工作可靠，调试方便等优点，额定输出功率从几瓦至几百瓦不等。

已经成为音频领域中应用十分广泛的功率放大器。

集成功率放大器中最主要的组件是功率放大集成块，功率放大集成块内部通常包括有前置级、推动级和功率级等几部分电路，一般还包括消除噪声、短路保护等一些特殊功能的电路。

功率放大集成块的种类繁多，近年来市场上常见的主要有以下三家公司的产品：

①美国国家半导体公司（NSC）的产品，其代表芯片有LM1875、LM1876、LM3876、LM3886、LM4766、LM386等。

②荷兰飞利浦公司（PHILIPS）的的产品，其代表芯片有TDA15××系列，比较著名的有TDA1514、TDA1521。

③意—法微电子公司（SGS）的的产品，其代表芯片有TDA20××系列，以及DMOS管的TDA7294、TDA7295、TDA7296等。

美国国家半导体公司的小功率音频功率放大集成电路LM386因为其外围电路比较简单，双列直插式封装，8个引脚，单电源供电，电源电压范围广（4V～12V或5V～18V）。

功耗低，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW。

输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半。

频带较宽（300KHZ），输出功率0.3W～0.7W，最大可达2W。

LM386主要应用于低电压消费类产品，特别适用于电池供电的场合。

图6-9所示为LM386集成功率放大器的其内部电路，该电路中由差动放大电路构成输入级，其电路形式为双端输入-单端输出结构。

共射放大电路构成中间放大级，VT9和VT10构成互补对称电路的输出级。

采用单电源供电的OTL电路形式。

内部自带有反馈回路，电阻R7从输出端连接至输入级，与R5，R6组成反馈网络，形成电压串联交直流负反馈。

可以稳定静态工作点，减小失真。

VT8，VD1，VD2的作用是为VT9，VT10提供适当的直流偏置，以防止VT9，VT10产生交越失真。

I为恒流源，作为中间级的负载。

图6-9LM386集成功率放大器内部电路

图6-10a所示为LM386集成功率放大器的引脚图，②脚为反相输入端，③脚为同相输入端，⑤脚为输出端，⑥脚接电源+VCC，④脚接地，⑦脚接一个旁路电容，一般取10μF,①脚和⑧脚之间增加一只外接电阻和电容，便可使电压增益调为任意值（LM386电压增益可调范围为20～200），最大可调至200。

若①脚和⑧脚之间开路，则电压放大倍数为内置值为20；若①脚和⑧脚之间只接一个10μF的电容，则电压放大倍数可达200；如图6-10b所示为LM386集成功率放大器的典型应用电路图中若R=1.2kΩ的电阻，C=10μF的电容时，电压放大倍数可达50；使用时，可通过调节电阻R的大小来调节电压放大倍数的大小。

图6-10LM386集成功率放大器的引脚图和典型应用电路

a）LM386外形引脚排列b）LM386典型应用电路

LM386在和其它电路结合使用时有可能产生自激，对于高频自激，可在输入端和地之间，引脚8与地之间加接一个小电容；对于低频自激，可在输入端与地之间接一电阻，同时加大电源脚（6脚）的滤波电容。

选择功率放大集成块时主要应注意芯片的输出功率、供电类型、最大、最小供电电压和典型供电电压值。

其次主要考虑的因素有放大倍数（增益）的大小、效率的高低，还要考虑芯片总谐波失真的大小、频率特性、输入阻抗和负载电阻的大小，最后还要考虑外围电路的复杂程度。

6.5功率器件

1.功率晶体管

如图6-11示为典型的功率晶体管外形示意图。

为保证功率晶体管散热良好，通常晶体管有一个大面积的集电结并与热传导性能良好的金属外壳保持紧密接触。

在很多实际应用中，还要在金属外壳上再加装散热片，甚至在机箱内功率管附近安装冷却装置，如电风扇等。

图6-11功率晶体管的外形图

（1）功率晶体管的热击穿

在功率放大电路中，给负载输送功率的同时，管子本身也要消耗一部分功率，这部分功率主要消耗在晶体管的集电结上（因为集电结上的电压最高，一般可达几伏到几十伏以上，而发射结上的电压只有零点几伏），并转化为热量使管子的结温升高。

当结温升高到一定程度（锗管一般约为90℃，硅管约为150℃）以后，就会使管子因过热击穿而永久性损坏，因而输出功率受到管子允许的最大管耗的限制。

值得注意的是，管子允许的功耗与管子的散热情况有密切的关系。

如果采取适当的散热措施，就有可能充分发挥管子的潜力，增加功率管的输出功率。

反之，就有可能使晶体管由于结温升高而被损坏。

所以解决好功率晶体管的散热问题，对于提高功率放大器的整机性能具有重要的意义。

（2）功率晶体管的二次击穿

在实际工作中，常发现功率晶体管的功耗并未超过允许的PCM值，管子本身的温度也并不高（不烫手），但功率晶体管却突然失效或者性能显著下降。

这种损坏的原因，有可能是由于二次击穿所造成的。

下面就二次击穿问题进行简单介绍。

二次击穿现象可以用图6-11说明。

当集电极电压UCE逐渐增加时，首先出现一次击穿现象，如图6-11中AB段所示，这种击穿就是正常的雪崩击穿。

当击穿出现时，只要适当限制功率晶体管的电流（或功耗），且进入击穿的时间不长，功率晶体管并不会损坏。

所以一次击穿（雪崩击穿）具有可逆性。

一次击穿出现后，如果继续增大iC到某数值，晶体管的工作状态将以毫秒级甚至微秒级的速度移向低电压大电流区，如图6-12中BC段所示，BC段相当于二次击穿。

二次击穿的结果也是一种永久性损坏。

图6-12晶体管的二次击穿现象

产生二次击穿的原因至今尚不完全清楚。

一般来说，二次击穿是一种与电流、电压、功率和结温都有关系的效应。

它的物理过程多数认为是由于流过晶体管结面的电流不均匀，造成结面局部高温（称为热斑），因而产生热击穿所致。

这与晶体管的制造工艺有关。

晶体管的二次击穿特性对功率管，特别是外延型功率管，在运用性能的恶化和损坏方面起着重要影响，因此在电路设计参数选择时必须考虑二次击穿的因素。

如增大功率余量、改善散热情况、选用较低的电源电压、不要将负载开路或短路、输入信号不要突然增大、对功率管采取适当的保护措施。

（3）功率晶体管的安全工作区

为了保证功率管安全工作，主要应考虑功率晶体管的极限工作条件的限制，这些条件有，集电极允许的最大电流ICM、集电极允许的最大电压UBR,CEO和集电极允许的最大功耗PCM等，另外还有二次击穿的临界条件。

如图6-13阴影线内所示为功率晶体管的安全工作区。

显然，考虑了二次击穿以后，功率晶体管的安全工作范围变小了。

需要指出的是，为保证功率晶体管工作时安全可靠，实际工作时的电压、电流、功耗、结温等各变量最大值不应超过相应的最大允许极限值的50%～80%。

6-13功率晶体管的安全工作区

2.功率MOSFET

功率MOSFET的结构剖面图如图6-14所示。

它以N+型衬底作为漏极，在其上有一层N型外延层，然后在外延层上掺杂形成一个P型层和一个N+型层源极区，最后利用光刻的方法沿垂直方向刻出一个V形槽，在V形槽表面