第9章低频功率放大电路.docx

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第9章低频功率放大电路

第9章低频功率放大电路

本章要点

●功放的特点与分类

●OCL电路原理与特性分析

●OTL电路原理与调试方法

●BTL电路组成与原理

●VMOS功放的特点与应用

本章难点

●OCL电路性能指标分析

●OTL电路调试方法

无论分立元件放大器还是集成放大器，其末级都要接实际负载。

一般负载上的信号的电流和电压多要求较大，即负载要求放大器输出较大的功率以便推动如扬声器、电动机之类的功率负载，故称之为功率放大器，简称功放。

功率放大电路的主要任务是：

放大信号功率。

功率放大电路按放大信号频率，可分为低频功率放大电路和高频功率放大电路。

前者用于放大音频范围（几十赫兹到几千赫兹）的信号，后者用于放大射频范围（几百千赫兹到几十兆赫兹）的信号。

本章仅介绍低频功率放大电路。

9.1功率放大电路概述

9.1.1功率放大电路的特点

功率放大器的主要任务是向负载提供较大的信号功率，故功率放大器应具有以下几个主要特点。

1.输出功率要足够大

为获得足够大的输出功率，功放管的电压和电流变化范围应很大。

如输入信号是某一频率的正弦信号，则输出功率的表达式为

Po=IoUo（9-1）

改用振幅值表示，公式9-1又为

Po=

IomUom（9-2）

2.效率要高

功率放大器实质上是一个能量转换器，它是将电源供给的直流能量转换成交流信号的能量输送给负载，因此，要求转换效率高。

（9-3）

式中，Po为信号输出功率，PDC是直流电源向电路提供的功率。

在直流电源提供相同直流功率的条件下，输出信号功率愈大，电路的效率愈高。

3.非线性失真要小

功率放大器是在大信号状态下工作，电压、电流摆动幅度很大，而且由于三极管是非线性器件，在大信号工作状态下，器件本身的非线性问题十分突出，因此，输出信号不可避免地会产生一定的非线性失真。

在实际应用中，要采取措施减少失真，使之满足负载要求。

4.图解法进行估算

由于功放工作在大信号状态，实际上已不属于线性电路的范围，故不能用小信号微变电路的分析方法，通常采用图解法对其输出功率、效率等指标作粗略估算。

9.1.2功率放大器工作状态的分类

功率放大电路按放大器中三极管静态工作点设置的不同，可分为甲类、乙类和甲乙类三种，如图9-1所示。

甲类功率放大电路的特征是工作点在负载线线性段的中点，在输入信号的整个周期内，晶体管均导通，有电流流过，功放的导通角θ=360°。

乙类功率放大电路的特征是工作点设置在截至区，在输入信号的整个周期内，晶体管仅在半个周期内导通，有电流流过，功放的导通角θ=180°。

甲乙类功率放大电路的特征是工作点设置在放大区内，但很接近截至区，管子在大半周期间导通，有电流流过，功放的导通角180°<θ<360°。

在甲类功率放大电路中，由于在信号全周期范围内管子均导通，故非线性失真较小，但是输出和效率均较低，因而在低频功率放大电路中主要用乙类或甲乙类功率放大电路。

图9-1甲类、乙类、甲乙类功放电路工作状态

9.2双电源互补对称功率放大电路（OCL电路）

单管甲类功率放大电路简单，只需要一个功率管便可工作。

由于它的效率低，而且为了实现阻抗匹配，需要用变压器，而变压器具有体积大、重量重、频率特性差、耗费金属材料、加工制造麻烦等缺点，因而，目前一般不采用单管甲类功率放大电路。

乙类功率放大电路具有能量转换效率高的特点，常作为功率放大器。

但乙类放大电路只能放大半个周期的信号，常用两个对称的乙类放大电路分别放大正、负半周的信号，然后合成完整的波形输出，即采用互补对称功率放大电路。

9.2.1电路组成和工作原理

图9-2基本OCL电路

双电源互补对称电路如图9-2所示，这类电路无输出电容的功率放大电路，简称OCL电路。

图中T1为NPN型三极管，T2为PNP型三极管。

为保证工作状态良好，要求该电路具有良好的对称性，即T1、T2管特性对称，并且正负电源对称。

当信号为零时，偏流为零，它们均工作在乙类放大状态。

电路工作原理如下所述。

1.静态分析

当输入信号ui=0时，两个三极管都工作在截止区，此时IBQ、ICQ、IEQ均为零，负载上无电流通过，输出电压uo=0。

2.动态分析

当输入信号工作在正半周时，由于Ui>0，三极管T1导通，T2截止，T1管的射极电流ie1经+VCC自上而下流过负载电阻，在RL上形成正半周输出电压，uo>0。

当输入信号工作在正半周时，由于Ui<0，三极管T1截止，T2导通，T2管的射极电流ie2经-VCC自下而上流过负载电阻，在RL上形成负半周输出电压，uo>0。

不难看出，在输入信号ui的一个周期内，即T1、T2管交替工作，流过RL的电流为一完整的正弦波信号。

9.2.2性能分析

双电源互补对称电路工作图解分析如图9-3所示。

图9-3（a）为T1管导通时的工作情况。

图9-3（b）是将T2管的导通特性倒置后与T1特性画在一起，让静态工作点Q重合。

形成两管合成曲线，图中交流负载线为一条通过表态工作点的斜率

的直线AB。

由图9-3可看出输出电流、电压的最大允放变化范围分别为2Icm和2Ucem，Icm和Ucem分别为集电极正弦电流和电压的振幅值。

有关性能指标计算如下。

图9-3双电源互补对称电路图解分析

1.输出功率Po

（9-4）

当考虑饱和压降Uces时，输出的最大电压幅值为

Ucem=Ucc-Uces（9-5）

一般情况下输出电压的幅值Ucem总是小于电源电压VCC值，故引入电源利用系数

（9-6）

将式9-6代入式9-4得

（9-7）

当忽略饱和压降Uces时，即

=1，输出功率Pom可按下式估算

（9-8）

2.效率η

图9-4集电极电流ic波形

由式9-3可知计算效率应先求出电源供给功率PDC。

在乙类互补对称放大电路中，每个晶体管的集电极电流的波形均为半个周期的正弦波形。

其波形如图9-4所示，其平均值ID（AV）为

（9-9）

因此，直流电源Vcc供给的功率为

（9-10）

因考虑是正负两组直流电源，故总的直流电源的供给功率为

（9-11）

将式（9-7）、式（9-11）代入式（9-3）是则得

（9-12）

当

=1时，效率

最高，即

（9-13）

【例9-1】在图9-2所示乙类互补对称放大电路中，已知Vcc=12V，RL=8

，试求：

当输入信号足够大，集电极电压充分运用时的Pom、PDCm、

。

解输入信号足够大时，忽略管子饱和压降，输出电压幅值约等于电源电压，由式（9-8）得，最大输出功率为

（W）

由式（9-11）得，

=1时，电源供给最大功率为

（W）

此时的效率为

9.2.3交越失真的消除

实际中晶体管输入特性的门限电压不为零，且电压、电流关系也不是线性关系，在输入电压较低时，输入基极电流很小，故输出电流也很小，因此输出电压在输入电压较小时，存在一小段死区，此段输出电压与输入电压不存在线性关系，产生了失真。

由于这种失真出现在通过零值处，故称为交越失真。

交越失真波形如图9-5所示。

克服交越失真的措施就是避开死区电压区，使每一个晶体管处于微导通状态。

输入信号一旦加入，晶体管立即进入线性放大区，而在静态时，虽然每一个晶体管处于微导通状态，由于电路对称，两管静态电流相等，流过负载电流为零，从而消除了交越失真。

图9-6是OCL电路设置静态偏置消除交越失真的一种方法。

偏置电路主要由二极管D1、D2和电位器RP组成。

调节RP可以使三极管T1和T2的基极直流电位之差稍大于两管的死区电压之和，这样每个管子就能得到一个合适的静态偏压。

而且二极管的接入还具有温度补偿作用，可以稳定T1、T2管的静态工作点。

对于变化信号而言，由于二极管的动态电阻和电位器RP的值很小，可以认为加到T1、T2管基极上的信号电压基本相等，输出信号正负半周仍然对称。

图9-5交越失真的产生图9-6消除交越失真的电路

9.2.4用复合管组成互补对称电路

功率放大电路的输出电流一般很大。

例如当有效值为12V的输出电压至8

的负载上，将有1.5A的有效值电流流过功率管，其振幅值约为2.12A。

而一般功率管的电流由放大系数均不大，若设β=20，则要求基极推动电流为100mA以上，这样大的电流由前级供给十分困难，为此需要进行电流放大。

一般通过复合管来解决此问题。

由复合管组成的互补功率放大电路如图9-7所示，图中，要求T3和T4即要互补又要能对称，这对于NPN型和PNP型两种大功率管来说，一般是比较难以实现的（尤其一个是硅管，而另一个是锗管时）。

为此最好选T3和T4是同一种型号的管子，通过复合管的接法来实现互补，这样组成的电路称为准互补电路，如图9-8所示，调节图中的Rb和Rc可使T3和T4有一个合适的工作点。

图9-7复合管互补对称功放图9-8准互补对称功放

由上所述，复合管不仅解决了大功率管β值低的困难，而且也解决了大功率管难以实现互补对称的困难，故在功率放大电路中广泛采用了复合管。

9.2.5OCL电路的应用分析

图9-9为OCL准互补对称功率放大电路，它由输入极、中间级、输出极及偏置电路组成。

输入极是由T1、T2和T3组成的单端输入、单端输出的共射组态恒流源式差动放大电路，并从T1的集电极处取出输出信号加至中间级。

中间级是由T4、V5组成的共射组态放大电路，T5是恒流源，作为T4的有源负载。

输出极是由T7、T8、T9、T10组成的准互补对称电路，其中T7、T9为由NPN－NPN组成的NPN型复合管；T8、T10为由PNP－PNP组成的PNP型复合管，各管电阻Re7、Re8、Re9、Re10的作用是改善温度特性。

T6、Re4、Re5组成了Ube倍压电路，为输出极提供所需的静态工作点，以消除交越失真。

由R1、D1、D2、T3、T5组成恒流源电路，R1、D1、D2提供基准电流。

Rf、C1、Rb2构成交流串联电压负反馈，用来改善整个放大电路的性能。

OCL电路最大的优点在于，其低频特性很好，输入输出跟随性好（带负载能力强），不足之处是需采用双电源供电，这在电路中很不方便。

部分常见的低频大功率管主要参数见书后附录。

图9-9OCL互补对称功率放大电路

9.3单电源互补对称电路（OTL电路）

图9-2所示互补对称功率放大电路中需要正、负两个电源。

但在实际电路中，如收音机、扩音机中，常采用单电源供电。

为此，可在输出端接一个大容量的电容器，该电容的充放电时间常数应远大于信号周期，用它来代替一个直流电源。

如图9-11所示单电源供电互补对称功率放大电路。

这种形式的电路无输出变压器，而有输出耦合电容，简称OTL电路。

9.3.1电路特性

单电源互补对称电路的特性如下。

●输出电容起到负电源作用。

●电路的频率响应宽，低频频响主要由输出电容器的容量来决定。

●电路便于加深度负反馈，电路稳定性高。

●电路由阻容元件和晶体管组成，易于集成化。

9.3.2电路原理

图9-10OTL基本电路

图9-10所示电路中，管子工作在乙类状态。

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

VCC，负载中没有电流。

电容C两端的电压也稳定在

VCC，这样两管的集射极之间如同分别加上

VCC和

VCC的电源电压。

动态时，在输入信号正半周，T1导通，T2截止，T1以射极输出的形式向负载RL提供电流，使得负载RL上得到正半周输出电压，同时对电容C充电；在输入信号负半周，T1截止，T2导通，电容C通过T2、RL放电，T2也以射极输出的形式向负载RL提供电流，负载RL上得到副半周输出电压，电容C这时起到负电源的作用。

这样，负载RL上得到一个完整的信号波形。

由上可以看出，其工作过程除C代替一组电源外，其工作过程与双电源相同，功率、效率计算也相同，只需将公式中的VCC用

VCC代替即可。

9.3.3电路实例

图9-11为一典型的OTL功放电路。

由运算放大器A组成前置放大电路，T4～T7组成互补对称电路，D1、D2、D3提供偏置电压，R11和R1构成电压并联负反馈。

静态时，由R4、R5、D1、D2、D3提供偏置电压使T4～T7微导通，ie6=ie7，中点电位为

，uo=0V。

动态时，当输入信号ui为负半周时，集成运放对输入信号进行放大，使互补对称功放基极电位升高，T4、T6导通，T5、T7截止，ie6由上而下流过负载，输出电压uo为正半周。

当输入信号ui为正半周时，集成运放对输入信号进行放大，使互补对称功放基极电位降低，T4、T6截止，T5、T7依靠C2上的存储电压

导通，ie7由下而上流过负载，输出电压uo为负半周。

这样负载上就获得一个完整的正弦电压波形。

图9-11OTL功放电路实例

9.3.4调试方法

图9-12是一个典型的复合互补对称OTL功放电路。

T1为前置放大级，其发射极电阻R5上加有从放大器输出端经反馈电阻R12和反馈电容C9引入的负反馈，用于改善音质。

T2是激励级，其偏流电阻R6不是接电源的负端，而是借到放大器的输出端，这样可以自动稳定放大器的工作点。

电阻R11两端的压降供给T3、T4以合适的偏压。

T3、T4组成复合管互补输出极。

R13、R14一方面使T3、T4维持一定的工作电流，同时又保证T5、T6有合适的静态射基偏压，提高电路稳定性。

R15、R16起电流负反馈作用，使末级工作点更加稳定。

图9-12OTL功率放大电路

图9-12所示电路的调试方法如下。

调节电阻R1的阻值，调试T1的静态工作电流。

调节R6使放大器输出端（K点）的对地电位为

，然后通过R11调节复合管的静态电流。

但调节R6和调节R11是互相影响的，所以，必须反复调节R6直至满足要求为止。

调试时千万注意，切不可断开R11，因为R11一旦断开，有烧坏晶体管的可能。

经上述调试后，电路就能正常工作。

从信号发生器向OTL放大器送入一个比额定输入信号电压小的正弦波信号，再进一步观察输出波形，并对波形出现的问题进行调整。

1.交越失真

大信号输出时波形良好，而小信号输出时出现比较明显的交越失真，这时，调节可变电阻（使R11的有效阻值增大）增加功放管的静态电流即可克服交越失真。

2.输出波形不对称

造成输出波形不对称的原因一般有两个。

一是激励信号的波形不对称；二是四只输出管特性配合不好。

如果原来波形不对称的情况是上半波形比下半波形高。

可先将两只输出管T5和T6交换位置试一试。

如果交换后波形不对称情况下没有变化，仍是上大下小，则说明是激励信号本身不对称。

这时，可以在T4的发射极串一只小阻值（一般是几欧到几十欧）的电阻，使输出波形上下对称。

如果输出管交换位置后，波形的不对称情况与原来相反，即由原来的上大下小变成上小下大，则说明是输出管特性不配合，应更换输出管。

3.小信号输出波形正常，但大信号输出时有半边波形的顶部变平

这是由于激励级T2的电流IC2不合适造成的。

这时可以调节电阻R10和可变电阻R6的阻值来克服。

但需注意，在调节R6、R10时，不要使放大器的输出端的电位偏离中点电位

。

9.4BTL集成功率放大电路

BTL功率放大电路又称桥接推挽式放大电路，其主要特点是，在同样电源电压和负载电阻条件下，它可获得比OCL和OTL大几倍的输出功率。

9.4.1BTL功放组成及其工作原理

BTL基本电路组成如图9-13所示，四个功放管T1～T4组成桥式电路。

静态时，电桥平衡四个功放管T1～T4组成桥式电路。

静态时，电桥平衡，负载RL中为直流电流。

动态时，各桥臂功放管轮流导通。

当ui>0时，T1、T4导通，T2、T3截止，流过负载RL的电流如图9-13中实线所示；当ui<0时，T1、T4截止，T2、T3导通，流过负载RL的电流如图9-13中虚线所示。

由以上分析可以看出，与OCL电路相比在相同电源下，BTL电路中流过负载RL的电流增大了一倍，理论上BTL电路的最大输出功率是同样电源下OCL电路四倍。

实际上获得的输出功率是OCL电路的2～3倍。

图9-13BTL基本电路

9.4.2集成BTL电路

BTL电路有各种不同输出功率和不同电压增益的多种型号的集成电路。

本节以TDA1556为例介绍集成BTL电路的应用。

TDA1556为2通道BTL电路，可作为立体声扩音机左右两个声道的功放，其闭环增益为26dB。

TDA1556内部具有待机、净噪功能以及有短路、电路反向、过电压、过热和扬声器保护等。

图9-14为其基本用法电路。

查阅手册可知，当VCC=14.4V，RL=4Ω时，若要求总谐波失真为0.1%，则Pom

22W。

BTL电路的优点是在较低电源电压下，能获得较大的输出功率。

但需要注意的是，对于BTL电路，负载的任何一端都不能与公共地线短接，否则会烧坏功放集成块。

图9-14集成BTL电路基本用法电路

9.5集成功率放大器4100系列简介

我国目前已成批生产各种系列单片集成功率放大电器，它是低频功放的发展方向。

本节以CD4100系列单片集成功放电路为例进行介绍。

CD4100是负载电阻4Ω、电源电压为6V、输出功率为1W的单片式功率放大电路。

该电路广泛应用于磁带收录机、收音机和对讲机等输出极中。

CD4100的外形与引脚排列图如图9-15所示。

CD4100集成功放典型接线图如图9-16所示。

图9-15CD4100引脚示意图

图9-16CD4100典型接线图

外部元件的作用如下：

RF、CF——与内部电阻组成交流负反馈支路。

CB——相位补偿。

CC——输出端电容，两端充电电压等于

。

CD——反馈电容，消除自激振荡。

CH——自举电容，使复合管的导通电流不随输出电压的升高而减小。

C3、C4——滤除波纹。

C2——电源退耦滤波，可消除低频自激。

9.6VMOS功率放大器

第4章所介绍的普通MOS场效应管是平面沟道结构，这种结构场效应管的缺点是，导电沟的电阻较大，特性曲线的线性度差，频率特性差，硅片面积利用率低。

这使它在许多领域中的应用受到限制。

垂直导电MOS功率器件（简称VMOS管）不仅保留了普通MOS管的优点而且实现了短沟道，并设置了高电阻率的漏极漂移区，从而大大提高了器件的耐压能力、电流处理能力和工作频率。

目前VMOS管的耐压水平已经提高到1000V，电流处理能力达到200A，工作频率为数百兆赫。

9.6.1功率场效应管（VMOS）简介

VMOS场效应管的工作原理与第4章中介绍的N沟道增强型MOS管类似。

当栅源电压UGS为负值时，栅极下面的P型区表面（V型外侧）堆积大量的空穴，不能沟通源区和漏区。

当栅源电压UGS为正值但比较小时，P形区表面为耗尽区，仍不导电。

这时即使加上漏源电压UDS，也不能形成漏极电流ID，VMOS处于截止状态。

当正的栅源电压增大到一定数值时，会在栅极下面的P型区表面形成由电子构成的N型反型层，这就是沟通源区和漏区的导电沟道。

此时，如果在漏极和源极之间加上电压UDS，就会有漏极电流ID流过，其方向与电子流动方向相反。

电子从源极经过N型导电沟道流到N－漂移区，然后垂直地流到漏极，如图9-17中虚线所示。

可见电流不再是沿表面水平方向流动，而是利用V型槽实现了垂直方向流动，故又称为VVMOS结构。

图9-17VVMOS结构示意图

VMOS功率场效应管不仅保留了普通MOS管的全部优点，而且还吸引了双极型晶体管的一些优点，因而它具有两者的优点。

（1）垂直地安置漏极，充分利用硅片面积，实现了垂直传导漏源电流，可以得到较大的高输出电流。

（2）设置了高电阻率的N–型漂移区，提高了器件的耐压能力。

（3）实现了短沟道，使器件具有良好的线性。

（4）工作频率高、开关速度快。

（5）热稳定性好，具有温度自动调解能力。

9.6.2功率场效应管（VMOS）电路实例

VMOS功率效应管具有接近理想的线性和开关特性，因而应用领域十分广阔。

由于它是电压控制器件，输入阻抗很高，输出数安～数十安的电流时，只需100nA数量级的驱动电流，直流电流放大系数高达108～109。

由于VMOS管具有良好的线性，因此在音频功率放大电路中用VMOS管作功率放大器件可以使电路简单，并具有高保真和自保护等优点。

下面介绍VMOS管功率放大器应用实例。

图9-18是一个两管4WVMOS音频功率放大器。

输入极是由结型场效应管VF1组成的自偏压式共源极放大电路。

输入极是用VMOS功率场效应管VF2（型号为VN66AF）组成的单管功率放大电路。

RG2和VF2是输出极的偏置电路，其栅源电压由二者分压确定，从输出端经RF和RS1引入极间电压串联负反馈，改善了放大电路的性能。

该电路输出端采用变压器偶合，对实际负载进行阻抗变换，以实现阻抗匹配，使功率放大电路向负载输出尽可能大的功率。

图9-18VMOS音频功率放大器

图9-18中接在VMOS管栅极和源极之间的稳压二极管（也称齐纳二极管）起输入保护作用，用来限制栅极驱动电压。

它可以制作在VMOS管内部，也可以外接。

当栅源电压为正值时，其数值不能超过稳压管的击穿电压。

当栅源电压为负值时，二极管处于正向偏置，这时栅源电压的大小不会超过PN结的正向压降。

9.7实训功率放大器的组装与测试

1.实训目的

（1）理解功率放大器的组成和工作原理。

（2）学会OTL电路和调试及主要性能指标的测试方法。

2.实训器材

（1）+5V直流电源

（2）函数信号发生器

（3）双踪示波器

（4）交流毫伏表

（5）直流电压表

（6）直流毫安表

（7）晶体三极管3DG6×1（9011×1）3DG12×1（9013×1）

3DG12×1（9012×1）晶体二极管2CP×1

（8）8Ω喇叭×1，电阻器、电容若干。

3.实训原理

图9-19所示为OTL低频功率放大器。

其中由晶体三极管T1组成推动级（也称前置放大级），T2、T3是一对参数对称的NPN和PNP型晶体三极管，它们组成互补推挽OTL功放电路。

由于每一个管子都接成射极输出器形式，因此具有输出电阻低，负载能力强等优点，适合作功率输出极。

T1管工作于甲类状态，它的集电极电流IC1由电位器RP1进行调节。

IC1的一部分流经电位器RP2及二极管D，给T2、T3提供偏压。

调节RP2，可以使T2、T3得到合适的静态电流而工作于甲乙类状态，以克服交越失真。

静态时要求输出端中点A的电位

，可以通过调节RP1来实现，又由于RP1的一端接在A点，因此在电路中引入交、直流电压并联负反馈，一方面能够稳定放大器的静态工作点，同时也改善了非线性失真。

当输入正弦交流信号ui时，经T1放大，倒相后同时作用于T2、T3的基极，ui的负半周使T2管导通（T3管截止），有电流通过负载RL，同时向电容CO充电，在ui的正半周，T3导通（T2截止），则已充好电的电容器CO起着电源的作用，通过负载RL放电，这样在RL上就得到完整的正弦波。

9-19OTL低频功率放大器

4.实训内容与步骤

（1）静态工作点的测试

按图9-19连接实验电路，电源进线中串入直流毫安表，电位器RP2置最小值，RP1置中间位置。

接通+5V电源，观察毫安表指示，同时用手触摸输出极管子，若电流过大，或管子温升显著，应立即断开电源检查原因（如RP2开路，电路自激，或输出管性能不好等）。

如无异常现象，可开始调试。

调节输出端中点电位

调节电位器RP1，用直流电压表测量A点电位，使

。

调整输出极静态电流及测试各极静态工作点

调节RP2，使T2、T3管的

～