功率放大电路.docx

1、功率放大电路第六章 功率放大电路多级放大电路(例如集成电路)的输出级通常要带上一定的负载,例如,使扬声器发声,推动电机旋转等,这就要求输出级电路不但要输出大幅度的电压,而且要输出大幅度的电流,即输出足够大的功率.这种向负载提供信号功率的放大电路称为功率放大电路,简称功放。根据放大信号频率的高低，功放分为低频功放和高频功放，本章只讨论低频功放。本章先介绍功放的特点、分类和主要性能指标，然后围绕功放的输出功率、效率和非线失真之间矛盾的解决措施，分析几种主要的功放电路，同时介绍了集成功放的应用。第一节功率放大电路一、对功率放大电路的要求从能量控制的观点来看，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别，

2、但是功率放大电路和电压放大电路所要完成的任务是不同的。电压放大电路的主要任务是把微弱的信号电压进行放大；而功率放大电路则不同，它的主要任务是不失真或失真较小地放大信号功率,通常在大倍状态下工作,讨论的主要技术指标是最大不失真输出功率、电源转换效率、功放管的极限参数及电路防止失真的措施。针对功率放大电路的特点，对功率放大电路有以下几点要求。1.要有尽可能大的输出功率为了获得足够大的输出功率，要求功放管的电压和电流都允许有足够大的输出幅度，因此功放管往往工作于接近极限状态，在工作时必须考虑功放管的极限参数U(BR)CEO、ICM和PCM。2.电源转换效率要高任何放大电路的实质都是通过放大管的控制作

3、用，把电源供给的直流功率转换为负载输出的交流功率，这就有一个如何提高能量转换效率的问题。放大电路的效率是指负载获得的功率Po与电源提供的功率PV之比，用表示，即=P0/PV6-1对小信号的电压放大电路来讲，由于输出功率较小，电源提供的直流功率也小，效率问题也就不突出。但对于功率放大电路来讲，由于输出功率较大，效率问题就显得突出了。3.非线性失真要小由于功率放电路在大信号下工作，所以不可避免地会发生非线性失真，而且对于同一功率放大管，其输出功率越大，非线性失真往往越严重，这就使输出功率和非线性失真成为一对矛盾。但是在不同场合，对非线性失真的要求是不同的。例如，在测量系统和电声设备中，要求非线性失

4、真越小越好，而在工业控制系统等场合中，则以输出功率为主要目的，对非线性失真的要求就降为次要问题了。4.要加装散热和保护装置在功率放大电路中，为使输出功率尽可能大，要求晶体管工作在极限应用状态，即晶体管集电极电流大时接近ICM；管压降最大时接近U(BR)CEO；耗散功率最大时接近PCM。因此，功放管的散热条件要好，且需要有一定的过流保护装置。5要用图解法分析由于功率放大电路的晶体管处于大信号工作状态，小信号分析所用的微变等效分析法不再适用，故应采用图解法分析电路。二、功率放大器的分类根据三极管静态工作点Q在交流负载线上的位置不同，可分为甲类、乙类和甲乙类三种功率放大电路。1.甲类功率放大器三极管

5、的静态工作点Q设置在交流负载线的中点附近，如图6-1(a)所示。在输入信号的整个同期内都有iC流过的功放管，波形失真小。由于静态电流大，放大器的效率较低，最高只能达到50%。图6-1Q点下移对放大电路工作状态的影响2.乙类功率放大电路三极管的静态工作点设置在交流负载线的截止点，如图6-1(c)所示。在输入信号的整个周期内，功放管仅在输入信号的正半周导通，iC波形只有半个波输出。由于几乎无静态电流，功率损耗最小，使效率大大提高。乙类功率放大电路采用两个三极管组合起来交替工作，则可以放大输出完整的全波信号。3.甲乙类功率放大电路三极管的静态工作点介于甲类与乙类之间，一般略高于乙类，如图6-1(b)

6、所示。功放管有不大的静态电流，在输入信号的整个周期内，在大于半上周期内有iC流过功放管。它的波形失真情况和效率介于甲类和乙类之间，是实用的功率放大器经常采用的方式。甲类功放由于静态电流大，效率低，因此很少采用；变压器耦合功放由于变压器体积大，不适于集成，频率性能差，在现在的功放中也不大采用，因此本章不涉及这两类功放。第二节 互补对称功率放大电路目前使用最广泛的是无输出电容的功率放大电路（OCL电路）和无输出变压器的功率放大电路（OTL电路）。一、乙类双电源互补对称功率放大电路（OCL）1.电路的组成OCL电路的原理如图6-2所示，图中VT1为NPN型三极管，VT2为PNP型三极管，两管参数要求

7、基本一致,两管的发射极连在一起作为输出端,直接接负载电阻RL,两管都为共集电极接法。正负对称双电源供电，两管中的静态电位为零。图6-2OCL基本电路及工作波形2.工作原理当输入信号ui=0时，电路处于静态，两管都不导通，静态电流为0，电源不消耗功率。当ui为正半周时，VT1管导通，VT2管截止，电流ic1流经负载RL形成输出电压uo的正半周。当ui为负半周时，VT1管截止，VT2管导通，电流ic2流经负载RL形成输出电压Uo、的负半周。由此可见，VT1、VT2实现了交替工作，正负电源供电。这种不同类型的两只晶体管交替工作，且均组射极输出形式的电路称为“互补电路”，两只管子的这种交替工作方式称为

8、“互补”工作方式，这种功放电路通常称为互补对称功率放大电路。3.输出功率和效率功率放大电路最重要的技术指标是电路的最大输出功率Pom及效率。为了便于分析Pom，将VT1管和VT2管的输出特性曲线组合在一起，如图6-3所示。图中区为VT1管的输出特性，区为VT2的输出特性。因两管子的静态电流很小，所以可以认为静态工作点在横轴上，如图中所标的Q点。因而最大输出电压幅值为UCC-UCES根据以上分析，不难求出工作在乙类的互补对称电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率和效率。图6-3OCL的图解分析（1）输出最大功率Pom由前面分析可知，OCL电路输出电压最大幅值为UCC-UCES所以最大输出功率为

9、：（6-1）（2）直流电源供给的最大平均功率Pvm在忽略其它回路电流的情况下，电源UCC提供的最大幅值为，设输入信号频率为，则t时刻电源提供的电流为（6-2）在负载获得最大交流功率时，电源所提供的平均功率等于其最大平均电流与电源电压之积，其表达式为：(6-3)整理后得:(6-4)（3）效率在输出电压达到最大幅度时的效率为（6-5）（4）集电极最大功耗Ptm，在功率放大电路中，电源提供的功率，除了转换为输出功率外，其余部分主要消耗在晶体管上，晶体管所损耗的功率为：PT=PV-Po。当输入电压为零时，由于集电极电流很小，管子的功耗很小；输入电压最大，即输出功率最大时，由于管压降很小，管子的功耗也很

10、小；可见，管耗最大既不是在输入电压最小时，也不是在输入电压最大时。可以证明，当输出电压峰值Uom0.6UCC时，管耗最大，每只管子的管耗PT=Ptm0.2Pom。在理想情况下，即UCES=0的情况下，(6-6)(6-7)(6-8)4.功率管的选择若要使功放电路输出最大功率，又使功率管安全工作，功率管的参数必须满足下列条件：（1） PCM0.2Pom（2） |U(BR)CEO|2UCC（3） ICMUCC/RL二、甲乙类互补对称功率放大器1.乙类互补对称功放的交越失真前面讨论如图6-2所示的乙类互补对称功率放大电路，实际上并不能使输出波形很好地反映输入的变化。根据三极管的输入特性可知，三极管只有

11、在加于其发射结的电压大于门坎电压时才能导通。由于没有直流偏置，当ui较低时，VT1和VT2管都截止，ic1和ic2基本为0，负载RL上无电流流过，出现一段死区，如图6-4所示，这种现象称为交越失真。2.甲乙类互补对称功率放大器为了克服交越失真，可给两互补管的发射结设置一个很小的正向偏置电压，使它们在静态时处于微导通状态。这样既消除了交越失真，又使功放管工作在接近乙类的甲乙类状态，效率仍然很高。图6-5所示电路就是按照这种要求来构成的甲乙类功放电路。图6-4乙类互补对称功放的交越失真图6-5(a)中，静态时VD1、VD2两端压降加到VT1、VT2的基极之间，使两管处于微导通状态。当有信号输入时，

12、由于VD1、VD2对交流信号近似短路（其正向交流电阻很小），因此加到两管基极的正、负半周信号的幅度相等。图6-5(b)中，VT4、R1和R2组成具有恒压特性的偏置电路，称为UBE倍增电路，若R1的电流iRiB4，则VT1、VT2基极间电压因此，上述偏置电路有恒压特性，它对交流近似短路，保证加到VT1、VT2基极的正、负周信号的幅度相等，同时，适当选择R1、R2的值，就可得到UBE4的任意倍数的直流电压，以适应不同的要求，这也是取名“UBE倍增电路”的原因。三、单电源互补对称功率放大器（OTL电路）(a)二极管偏置(b)UBE倍增电路作为偏置图6-5甲乙类互补对称功放电路1.基本电路双电源互补对

13、称功率放大电路采用双电源供电，但某些场合往往给使用带来不便。为此，可采用图6-6所示的单电源供电的甲乙类功放，又称OTL电路。图中VT3前置放大级，VT1、VT2组成互补对称输出级，VD1、VD2保证电路工作于甲乙类状态。在输入信号ui=0时，一般只要R1、R2取值适当，就可使IC3、UB1和UB2达到所需大小，给VT1和VT2提供一个合适的偏置，从而使K点直流电位为UCC/2。CL两端静态电压也为UCC/2。由于CL容量很大，满足RLCLT（信号周期），因此有交流信号时，电容CL两端电压也为基本不变，它相当于一个电压为UCC/2的直流电源。此外，CL还有隔直通交的耦合作用。图6-6OTL电路

14、当ui为负半周时，VT1导通，VT2截止，有电流流过负载RL，同时向CL充电；当ui为正半周时，VT1截止，VT2导通，此时CL起着电源的作用，通过负载RL放电。电容CL和一个电源UCC起到了原来的+UCC和UCC两个电源的作用，但其电源电压值应等效为UCC/2。显然若把OCL电路性指标中的UCC换成UCC/2，就得到OTL电路的性能指标。图中R2引入的负反馈，不但稳定了K点的直流电位，而且改善了整个电路的性能指标。2.自举电路图6-6电路虽然解决了互补对称电路工作点偏置和稳定问题，但是，实际上还存在其他方面的问题。在额定输出功率的情况下，电路存在最大输出电压幅值偏小的问题，当ui为正半周最大

15、值时，VT1截止，VT2饱和，K点电位由静态时的UCC/2下降为UCES，于是负载上得到最大负向输出电压，幅值为UCC/2-UCESUCC/2。当ui为负半周上得到最大正向输出电压，幅值约为UCC/2，但由于iB1流过RC3产生的电压降使uB1下降，iB1的增加受到限制，从而使VT1达不到饱和，于是负载上的最大正向输出电压幅值受到了限制，将明显小于UCC/2。解决上述问题的措施是把图6-6中H点的电位升高，使ui为负半周最大值时UHUCC，从而使iB1足够大，保证VT1饱和。为此常采用图6-7所示带举的OTL电路。图6-7中，R、C组成自举电路，C的容量很大，静态时两端电压UC=UCC/2-I

16、C3R，且在信号输入时UC基本不变，当ui为负半周时，VT1导通，UH=UC+UK，随着UK的升高，UH也自动升高，这就是“自举”。显然，当ui为负半周最大时，UH将大小UCC，故有足够的iB，使VT1饱和，于是功放的最大输出电压幅值接近UCC/2。图6-7带自举的OTL电路例6-1在图6-7所示电路中，若UCC=24V，UCES=1V，RL=16试计算Pom、Ptm1与。解第三节 集成功率放大器随着线性集成电路的发展，集成功率放大器的应用日益广泛。OTL、OCL等电路，均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。下面以低频功放为例，讲述集成功放的主要性能指标和典型应用。一、 集成

17、功率放大电路的主要性能指标集成功率放大电路的性能指标是应用集成功放给电流。集成功率放大电路的主要性能指标有最大输出功率、电源电压范围、静态电源供给电流、电压增益、频带宽度、输入阻抗、，总谐波失真等。几种典型产品的性能指标如表6-1所示。表6-1典型集成功放的主要参数型号LM3864LM2877TDA1514LA4100电路类型OTLOTL（双通道）OCLOTL电源电压V5.0186.02410303.09.0静态电流mA4255615输入阻抗50100020输出功率1.04.5481.0电压增益dB2646708970频率宽度kHz30025总谐波失真0.2%0.07%90dB0.5%表6-1

18、中所示电压增益均为在信号频率为1KHz条件下测试所得。对于同一负载，当电源电压不同时，最大输出功率的数值将不同。当然，对同一电源电压，当负载不同时，最大输出功率的数值也不同。应当指出表6-1中所示数据均为典型数据，使用时应进一步查阅手册，以便获得更确切的数据。二、 集成功率放大电路的应用1用LM386组成的OTL功放电路。图6-8是用LM386组成的OTL功放电路。7脚接去耦电容C，5脚所挡10和0.1F串联网络是为防止电路自激而设置的。1、8肢所接阻容电路可调整电路的电压增益，通常电容取10F，R约为20K。R的值愈小，增益愈大。该电路常用于收录机及玩具电路中。图6-8用LM386组成OTL

19、电路2LA4100集成功放的典型应用图6-9是用LA4100功放集成电路组成的互补对称式功率放大电路。LA4100各引脚作用如下：1脚为功率放大器的输出端，放大后的信号从1脚输出，通过耦合电容C5送到扬声器。2、3脚接电源负极，也就是公共地端。图6-9典型电路4、5脚两端之间接一小电容C3，用以防止放大器产生高频自激振荡。6脚外接C2、R1与内部电路组件构成交流负反馈网络，调小R1的阻值可降低反馈的深度，提高放大倍数。7、11脚为空脚。8脚为输入级差分放大管的发射极引出脚，使用时一般是悬空不接。9脚为信号输入，通过输入耦合电容C1与输入信号相连。10脚外接去耦电容C9。12脚接电源滤波电容C8

20、。13脚为自举端口，外接自举电容C6，可以使输出管的动态范围增大。14脚为正电源湍，与电源+UCC相连。3集成OCL电路TDA1521的应用图6-10所示为TDA1521的基本用法。TDA1521为2通道OCL电路，可作为立体声扩音机左、右两声道的功放。其内部引入了深度电压反馈，闭环电压增益为30dB，并且有待机、静噪、短路保护和过热保护等功能。图6-10TDA1521的基本用法4集成BTL电路的应用OTL和OCL功放的电源利用率不高，它们的电源电压分别是UCC和2UCC（两组电源之和），而在负载上获得的最大电压幅值却只有UCC/2和UCC，这就使得在电源电压不是很高的场合，电路的输出功率受到

21、限制。为弥补这一缺憾，可采用BTL功率放大器，又称为桥式功率放大器。TDA1556为2通道BTL电路，可作为立体声扩音机左右声道的功放，图6-11所示为基本接法，两个通道有组成完全相同。TDA1556内部具有待机、静噪功能，并有短路保护、电压反向保护、过电压保护、过热保护和扬声器保护待功能。为了使最大不失真输出电压的峰值接近电源电压UCC，静态时，应使放大电路的同相输入端和反相输入端电位UCC/2，输出端电位也为UC/2。因此内部提供的基准电压UREF为UCC/2。当输入电压ui由零逐渐增大时，uo1从UCC/2逐渐增大，uo2从Ucc/2逐渐减小；当ui增大到峰值时，uo1到达最大值，uo2

22、到达最小值，负载上电压接近Ucc。同理，当ui由零逐渐减小时，uo1和uo2的变化与上述过程相反；当ui减小到峰值时，uo1达到最小值，uo2达到最大值，负载上电压接近-Ucc。因此，最大不失真输出电压的峰值可接近电源电压UCC。图6-11TDA15566的基本接法习题6-1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？它有哪些基本要求？6-2功率放大器的实质是什么？6-3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三极管伏安特性什么位置？在输入信号一周内，三种工作状态下，三极管导通角度有何差别？6-4功放电路中功放管常常处于极限工作状态，试问选择功放管时特别要

23、考虑哪些参数？6-5什么是OCL电路？它有哪些优点？6-6什么是交越失真？产生交越失真的原因是什么？如何消除？6-7什么是OTL功放电路？它有什么优点？常见的OTL功放电路有哪几类？比较它们的特点。6-8在使用集成功放时应注意哪些事项？6-9判断下列说法是否正确（对的打，错的打）。(1)功率放大器是大信号放大器，要求在不失真的条件下，能够得到足够大的输出（）(2)功率放大器就是把小的输入功率放大为大的输出功率供给负载。（）(3)甲类功率放大电路中，在没有输入信号时，电源的功耗最小。（）(4)功率放大器输出功率越大，功率管的损耗也越大。（）(5)功放电路、电压放大电路、电流放大电路都有功率放大的

24、作用。（）6-10已知电路如图6-12所示，VT1和VT2的饱和压降UCES=1V，UCC=15V，RL=8，选择正确答案填入以下各题横线上。图6-12（1）电路中VD1和VD2的作用是消除 。A.饱和失真B.截止失真C.交越失真（2）静态时，晶体管发射极电位UEQ 。A.0B.=0C.0（3）最大输出功率POM 。A.28WB.=12.25WC.=9W（4）当输入正弦波时，若R1虚焊，即开路，则输出电压 。A.等于0B.仅有正半波C.仅有负半波（5）若VD1虚焊，则VT1管 。A.可能因功耗过大损坏B.始终饱和C.始终截止6-11在图6-12所示电路中，已知：UCC=16V，RL=4，VT1

25、和VT2管的饱和管压降UCES=2V，输入电压足够大。试问：（1）最大输出功率POM和效率各为多少？（2）晶体管的最大功耗Ptm为多少？（3）为了使输出功耗达到POM,输入电压的有效值约是多少？6-12OTL电路如图6-13所示，其中RL=8，UCC=12V，C1、CL容量很大。求：（1）静态时电容CL的两端电压应是多少？调整哪个组件满足这一要求？（2）动态时若uo出现交越失真，应调整哪个电阻？该电阻是增大还是小？（3）若R1=R2=1.1K,VT1和VT2的=40，UBE=0.7，PCM=40mW，假设R2因虚焊而开路，问三极管是否安全？（4）若两管的UCES皆可忽略，求POM。图6-136-13一个集成功放LM384组成的功率放大电路如图6-14所示。已知电路通带内的电压增益为0dB，在RL=8时，不失真最大输出电压可达18V，求当ui为正弦信号时：（a）最大不失真输出功率POM。（b）输出功率最大时的输入电压有效值。图6-146-142030集成功放的一种应用电路如图6-15所示，假定其输出级功放管的饱和压降可忽略不计，ui为正弦。问：（1）该电路是属于OTL还是OCL电路？（2）理想情况下最大输出功率POM为多少？（3）电路输出级的效率为多少？图6-15