07 功率放大器的认知及应用电路的制作电子教材.docx

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07功率放大器的认知及应用电路的制作电子教材

项目7功率放大器的认知及应用电路的制作

学习目标

1．知识目标

（1）掌握功率放大电路的3种组态（即甲类、乙类、甲乙类功率放大电路）的特点及应用场合。

（2）了解常见集成功放的种类和引脚特性，了解常用集成功放应用电路的工作原理及分析。

（3）了解功率放大电路在运用过程中的散热问题，掌握功率晶体管和集成功放散热的解决措施。

2．技能目标

（1）掌握利用万用表、信号发生器、示波器测试功率放大电路的特性的方法。

（2）利用分立元件制作音频放大电路输出级，学会对电路所出现故障现象进行原因分析及排除。

（3）利用集成功率放大器制作音频放大电路。

生活提点

功率放大电路（简称功放）通常作为多级放大电路的输出级。

在很多电子设备中，要求放大电路的输出级能够带动某种负载，例如：

驱动仪表，使指针偏转；驱动扬声器，使之发声；或驱动自动控制系统中的执行机构；等等。

总之，要求放大电路有足够大的输出功率。

这样的放大电路统称为功率放大电路。

项目任务

（1）利用分立元件制作音频放大电路输出级。

该输出级在PCB上如图7.1所示。

（2）利用集成功率放大器制作音频放大电路。

要求最大输出功率不低于10W。

图7.1音频放大电路输出级实物

项目实施

7.1功率放大电路的认知

功率放大电路在音频放大电路中主要提供较大的电流转化（放大）以带动负载（即音箱），功率放大电路在整个音频放大电路中的位置如图7.2所示。

图7.2音频放大电路框图

图中的输出级即为功率放大电路部分。

7.1.1功率放大电路所要达到的要求

（1）要求输出足够大的功率。

（2）效率要高。

（3）非线性失真要小。

（4）要考虑功放管的散热和保护问题。

7.1.2功率放大器的分类及特点　

1．甲类功放

甲类放大器的工作点设置在放大区的中间，其功放电路和特性曲线如图7.3所示。

由图可知，这种电路的优点是在输入信号的整个周期内晶体管都处于导通状态，输出信号失真较小（前面讨论的电压放大器都工作在这种状态），缺点是晶体管有较大的静态电流ICQ，这时管耗PC大，电路能量转换效率低。

图7.3甲类功放电路及特性曲线

2．乙类功放

1）乙类双电源互补对称功放（OCL）

乙类放大器的工作点设置在截止区，电路及特性曲线如图7.4所示。

电路工作时，晶体管VT1、VT2管交替对称各工作半周，晶体管的静态电流ICQ=0，所以能量转换效率高。

图7.4乙类功放电路及特性曲线

2）乙类单电源互补对称功放（OTL）

图7.4所示的互补对称功率放大器中需要正、负两个电源。

但在实际电路（如收音机、扩音机）中，为了简化，常采用单电源供电。

为此，可采用图7.5所示的单电源供电的互补对称功率放大器。

这种形式的电路无输出变压器，却有输出耦合电容，简称为无输出变压器电路（OutputTransformerLess，OTL）。

图7.5所示的电路中，管子工作于乙类状态。

静态时因电路对称，两管发射极e点电位为电源电压的一半，负载中没有电流。

动态时，在输入信号的正半周，VT1导通、VT2截止，VT1以射极输出的方式向负载RL提供电流io=iC1，使负载RL上得到正半周输出电压，同时对电容C充电。

在输入信号的负半周，VT1截止，VT2导通，电容C通过VT2、RL放电，VT2也以射极输出的方式向RL提供电流io=iC2，在负载RL上得到负半周输出电压。

电容器C在这时起到负电源的作用。

为了使输出波形对称，即iC1与iC2大小相等，必须保持C上电压恒为

不变，也就是C在放电过程中其端电压不能下降过多，因此，C的容量

必须足够大。

由上述分析可知单电源互补对称电路的工作原理与正、负双电源互补对称电路的工作

原理相似，不同之处只是输出电压幅度由UCC降为

。

乙类互补对称电路效率比较高，但由于晶体管的输入特性存在死区（硅管约为0.5V），只有当输入信号的幅值大于0.5V，晶体管才逐渐导通。

所以输出波形在输入信号零点附近的范围出现失真，称为交越失真，如图7.6所示。

图7.5乙类单电源互补对称功放（OTL）图7.6交越失真波形

7.2音频放大电路功率输出级的制作

音频放大电路输出级的原理图如图7.7所示。

器件清单见表7-1。

表7-1音频放大电路输出级的器件清单

由图7.7可知，该输出级电路采用了OCL的电路形式，但增加了多个电阻和二极管，这些元器件有何作用呢？

7.2.1甲乙类互补对称电路

为了克服交越失真，可以利用PN压降、电阻压降或其他元器件压降给两个晶体管的发射结加上正向偏置电压，使两个晶体管在没有信号输入时处于微导通的状态。

由于此时电路的静态工作点已经上移进入了放大区（为了降低损耗，一般将静态工作点设置在刚刚进入放大区的位置），因此功率放大电路的工作状态由乙类变成了甲乙类。

图7.8所示的电路即为甲乙类互补对称电路，可以克服交越失真的问题。

其原理是静态时，在二极管VD1、VD2管上产生的压降为功率管VT1、VT2管提供了一个适当的正偏电压，使之处于微导通状态。

由于电路对称，静态时iC1=iC2，io=0，uo=0。

有信号时，由于电路工作在甲乙类，所以即使ui很小，也基本上可线性放大。

图7.8二极管偏置互补对称电路

在图7.7的音频放大电路中用了两个二极管IN4148和电阻R16为后续功率管提供了合适的正偏电压。

功率放大电路中，如果负载电阻较小，且要求得到较大的功率，则电路必须为负载提供很大的电流。

由于一般很难从前级获得这样大的电流，因此需设法进行电流放大。

如果采用单管结构的话，由于电流放大倍数较小，很难获得良好的放大效果，所以通常在电路中采用复合管结构。

7.2.2复合管及互补对称功率放大电路

1．复合管

所谓复合管，就是把两只或两只以上的晶体管适当地连接起来等效成一只晶体管。

连接时，应遵守两条规则：

①在串联点，必须保证电流的连续性；②在并接点，必须保证总电流为两个管子电流的代数和。

复合管的连接形式共有4种，如图7.9所示。

图7.9复合管的4种连接形式

由图7.9可得如下结论。

（1）复合管的极性取决于推动级。

如VT1为NPN型，则复合管就为NPN型。

（2）输出功率的大小取决于输出管VT2。

（3）若VT1和VT2管的电流放大系数为β1和β2，则复合管的电流放大系数为

β=β1Xβ2

2．复合管互补对称功率放大电路　

利用图7.9（a）、（b）形式的复合管代替图7.8中的VT1和VT2管，就构成了采用复合管的互补对称输出级，如图7.10所示。

它可以降低对前级推动电流的要求，不过其直接为负载RL提供电流的两个末级对管VT3、VT4的类型截然不同。

在大功率情况下，两者很难选配到完全对称。

图7.11所示的电路则与之不同，其两个末级对管是同一类型，因此比较容易配对。

这种电路被称为准互补对称电路。

电路中RE1、RE2的作用是使VT3和VT2管能有一个合适的静态工作点。

图7.10复合管互补对称电路图7.11准互补对称电路

参照音频放大电路输出级在图7.7上由晶体管VT2～VT5、电阻R15～R21、RF及二极管D5、D6组成。

其中VT2～VT5组成的准互补对称功率放大器为末级。

电阻RF组成的反馈网络构成电压串联负反馈。

该反馈网络对于直流而言是全反馈，目的是使输出端O点（VT4的e极与VT2的c极连接点）的静态电位稳定为零伏，而电容C30作为喇叭保护之用。

由于功率放大电路工作时电流较大，为了保护功放电路尤其是其中功放管的安全，在

实际应用时，要充分注意以下方面的问题。

7.2.3功放管散热问题　

如前所述，功率放大器的工作电压、电流都很大。

在给负载输出功率的同时，功放管也

要消耗一部分功率，使管子本身升温发热。

当管子温度升高到一定程度（锗管一般为75～90℃，硅管为150℃）后，就会损坏晶体结构。

为此，应采取功放管散热措施。

通常是给功放管加装由铜、铝等导热性能良好的金属材料制成的散热片（板），加装了散热片的功放管可充分发挥管子的潜力，增加输出功率而不损坏管子。

7.2.4防止功放管的二次击穿

图7.12给出了晶体管的击穿特性曲线。

其中（a）图的AB段称为第一次击穿，BC段称为第二次击穿。

第一次击穿是由uCE过大引起的雪崩击穿，是可逆的，当外加电压减小或消失后管子可恢复原状。

若在一次击穿后，iC继续增大，管子将进入二次击穿。

二次击穿是由于管子内部结构缺陷（如发射结表面不平整、半导体材料电阻率不均匀等）和制造工艺

不良等原因引起的，为不可逆击穿，时间过长（如一秒钟）将使管子毁坏。

进入二次击穿的

点随基极电流iB的不同而变化，把进入二次击穿的点连起来就成为图（b）所示的二次击穿临界曲线。

为此，必须把晶体管的工作状态控制在二次击穿临界曲线之内。

（a）击穿曲线（b）二次击穿临界曲线

图7.12晶体管的击穿特性曲线

防止晶体管二次击穿的措施主要有：

使用功率容量大的晶体管，改善管子散热的情况，以确保其工作在安全区之内；使用时应避免电源剧烈波动、输入信号突然大幅度增加、负载开路或短路等，以免出现过压过流；在负载两端并联二极管或电容，以防止负载的感性引起功放管过压或过流，在功放管的c、e端并联稳压管以吸收瞬时过电压。

另外，由于晶体管内部极间电容和其他分布参数的影响，容易使放大电路产生自激振荡。

所谓自激振荡，就是在没有输入信号时，输出端就已经存在着近似正弦波的高频电压信号，尤其在人体或金属物体接近时更为明显，这将使集成运算放大器的有用输出信号淹没在高频的自激振荡中，使放大器不能正常工作。

7.2.5实施步骤

1．安装

（1）应认真理解电路原理，弄清印制板上元件与电原理图的对应关系，并对所装元器件预先进行检查，确保元器件处于良好状态。

（2）将电阻、二极管IN4148、晶体管8050、8550、D880、电容等元件按图7.7所示连接在实验板上并焊好。

2．调试

（1）检查印制电路板元器件安装、焊接，应准确无误。

（2）复审无误后通电，用万用表测试输出级电路J19和J20静态工作点的电压并记录在表7-2中，并通过比较理论值值和测量值判别安装有无错误。

若出现数值异常，通过修改电路中相应元器件的参数重新进行静态工作点的测试，直至正确为止。

表7-2输出级静态工作点测量数据

（3）在电路输入端接入信号发生器，正确连接双踪示波器（将示波器输出测试通道表笔搭在J20端），并输出一定频率（1kHz）和幅值（幅值Uim=0.5V）的正弦交流信号。

调整输入级电位器阻值，利用双踪示波器观察整个电路输入、输出波形。

（4）将电位器阻值调至最大，观察输出波形，通过示波器记录波形的幅值，计算此时的电压放大倍数；调整输入信号幅值（0.05V、0.10V、0.20V、0.8V、1.0V、2.0V、5.0V），将各种信号幅度下的各参数值记录于表7-3中，记录电压放大倍数，并判别是否正常。

（最后一句删掉）

表7-3不同输入下的输出信号幅值

7.3集成功率放大器的认知及运用

随着集成技术的不断发展，集成功率放大器产品越来越多。

由于集成功放成本低、使用方便，因而被广泛地应用在收音机、录音机、电视机及直流伺服系统中的功率放大部分。

通过利用集成功放TDA2030A制作音频放大电路来学习集成功率放大器。

集成功率放大电路（OCL电路）如图7.13所示。

图7.13由TDA2030A构成的OCL电路

集成功率放大电路的器件清单见表7-4。

7.3.1TDA2030A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，与其他功放相比，它的引脚和外部元件都较少。

TDA2030A的电器性能稳定，并在内部集成了过载和热切断保护电路，能适应长时间连续工作，由于其金属外壳与负电源引脚相连，因而在单电源使用时，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使用于收录机和有源音箱中，作音频功率放大器，也可用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，亦可以作直流放大。

主要性能参数如下。

电源电压UCC：

±3～±18V。

输出峰值电流：

3.5A。

输入电阻：

>0.5MΩ。

静态电流：

<60mA（测试条件：

UCC=±18V）。

电压增益：

30dB。

频响BW：

0～140kHz。

在电源为±15V、RL=4时，输出功率为14W。

外引脚的排列如图7.14所示。

图7.14TDA2030A的引脚排列及功能

7.3.2TDA2030A集成功放的典型应用　

1．电路原理分析

图7.13所示的电路是双电源时TDA2030A的典型应用电路。

输入信号ui由同相端输入，闭环电压放大倍数为

为了保持两输入端直流电阻的平衡，使输入级偏置电流相等，选择R3=R1。

VD1、VD2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+0.7V）和（-UCC-0.7V）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　

对仅有一组电源的中、小型录音机的音响系统，可采用单电源连接方式，如图7.15所示。

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

，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

。

其他元件作用与双电源电路相同。

图7.15由TDA2030A构成的单电源功放电路

7.3.3实施步骤

1．安装

（1）应认真理解电路原理，弄清元件与电气原理图的对应关系，并对所装元器件预先进行检查，确保元器件处于良好状态。

（2）将电阻、二极管IN4001、集成功率放大器TDA2030A、电容等元件按图7.15所示的电路在面包板上正确连接。

2．调试

（1）检查电路板上元器件安装、接线，应准确无误。

（2）复审无误后通电，将音源（MP3）从最小调至最大，观察喇叭中音质的变化。

若出现异常情况，分析并检测电路中器件和连接是否正常，直至正确为止。

重点小结

1．功率放大电路作为负载的驱动级，有3种组态，分别为甲类、乙类和甲乙类三种。

2．甲类功放输出失真小，但静态功耗大；乙类功放效率高，但失真大；甲乙类功

放效率高，且交越失真小。

3．功率放大电路输出电流大，为保护功率装置，必须要加装散热器。

4．集成功率放大器可有效地简化电路结构，现已得到广泛应用。

习题

一、选择题

7.1对功率放大器最基本的要求是（）。

A．输出信号电压大B．输出信号电流大

C．输出信号电压和电流均大D．输出信号电压大、电流小

7.2推挽功率放大电路在正常工作过程中，晶体管工作在（）状态。

A．放大B．饱和

C．截止D．放大或截止

7.3推挽功率放大电路比单管甲类功率放大电路（）。

A．输出电压高B．输出电流大

C．效率高D．效率低

7.4乙类推挽功率放大器，易产生的失真是（）。

A．饱和失真B．截止失真

C．交越失真D．线性失真

7.5两个晶体管的电流放大倍数分别为50和60，则由其组成的复合管的理论电流放大倍数为（）。

A．110B．3000C．10

二、简答分析题

7.6功率放大器的功能是什么？

它与电压放大器相比有哪些主要异同点？

7.7甲类功率放大电路的效率与静态工作点选择有何关系？

7.8功率放大器中，甲类、乙类、甲乙类三种工作状态下静态工作点选取在晶体管伏安特性什么位置，在输入信号一周期内，3种工作状态下晶体管导通角度有何差别？

7.9对于采用甲乙类功率放大输出级的收音机电路，有人说将音量调得越小越省电，这句话对吗？

为什么？

7.10为什么乙类功率放大比甲类功放效率高？

7.11在7.2音频放大电路功率输出级的制作中，说明电路是如何实现消除交越失真的？

7.12判断图7.16所示复合管中哪些复合形式是正确的，哪些是错误的。

确定复合正

确的复合管的等效类型和rbe的大小。

图7.16题7.12图

7.13图7.17所示为几种功率放大电路中的晶体管集电极电流波形，判断各属于甲类、乙类、甲乙类中的哪类功率放大电路？

哪一类放大电路的效率最高？

为什么？

图7.17晶体管集电极电流波形