模擬電子技術(shù)(西電第三版)第5章功率放大器及其應(yīng)用.ppt

1、,實(shí)訓(xùn)5互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器的測(cè)試 5.1功率放大器的特點(diǎn)與分類(lèi) 5.2互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器 5.3集成功率放大器 5.4功率放大器的應(yīng)用,第5章 功率放大器及其應(yīng)用,實(shí)訓(xùn)5互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器的測(cè)試 (一) 實(shí)訓(xùn)目的(1) 初步了解互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器的組成及性能測(cè)試方法。(2) 觀察交越失真現(xiàn)象，初步了解消除交越失真的辦法。,(二) 預(yù)習(xí)要求(1) 課下按實(shí)圖5.1在實(shí)驗(yàn)板上焊好電路(或由實(shí)驗(yàn)室提前準(zhǔn)備)。(2) 預(yù)習(xí)萬(wàn)用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器的使用方法與注意事項(xiàng)。,(三) 實(shí)訓(xùn)原理 1. 電路的工作過(guò)程實(shí)訓(xùn)電路如實(shí)圖5.1所示。這是一個(gè)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器的測(cè)試電路，其中V2、V3分別是特性對(duì)稱(chēng)的

2、NPN型和PNP型三極管。,實(shí)圖5.1互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器實(shí)訓(xùn)電路,2. 電路參數(shù)1) 電路的輸出功率理想(輸出不失真)情況下，該電路的最大輸出功率為實(shí)際測(cè)量時(shí)，電路的輸出功率為,2) 電源供給的功率理想情況下，電源供給的功率為實(shí)際測(cè)量時(shí)，可用下式求出：,3) 功率放大器的效率理想情況下，互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器的效率為實(shí)際測(cè)量值為,(四) 實(shí)訓(xùn)內(nèi)容1. 調(diào)整直流工作狀態(tài)令ui=0，配合調(diào)節(jié)RP1、RP2，用萬(wàn)用表或示波器分別測(cè)量A、B、C點(diǎn)的電位UA、UB、UC，使UC=UCC/2，UAB等于V2、V3兩管死區(qū)電壓之和。2. 觀察交越失真在輸入端加入f=1 kHz的正弦信號(hào)。調(diào)整輸入信號(hào)幅度，與此同

3、時(shí)用示波器觀測(cè)輸出信號(hào)波形，到輸出波形幅度適合觀測(cè)時(shí)，固定輸入信號(hào)，記錄下輸出波形。,3. 測(cè)量最大不失真輸出功率在輸入端加入f=1 kHz的正弦信號(hào)ui，ui的幅度逐漸加大，與此同時(shí)用示波器觀察輸出電壓uo的波形，至uo最大又不出現(xiàn)削波為止。用毫伏表或示波器測(cè)量負(fù)載兩端的電壓uo，并由uo、RL值計(jì)算最大不失真輸出功率Po實(shí)。,4. 測(cè)量電源供給功率 將直流電流表串入電源供電電路。電路輸入端加1 kHz正弦信號(hào)ui，逐漸加大ui的幅度，與此同時(shí)用示波器觀察輸出電壓uo的波形，至uo最大又不出現(xiàn)削波為止，然后固定ui。讀取并記錄直流電流表讀數(shù)ICo，記下電源供電電壓UCC，計(jì)算出電源供給功率P

4、U實(shí)。,(五) 實(shí)訓(xùn)報(bào)告(1) 整理實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出Po實(shí)、PU實(shí)及功率放大器的效率實(shí)，分析誤差產(chǎn)生的原因。(2) 總結(jié)分析實(shí)訓(xùn)中出現(xiàn)的問(wèn)題。,(六) 思考題經(jīng)過(guò)實(shí)訓(xùn)，你會(huì)提出下面的一些問(wèn)題。這些問(wèn)題也是后續(xù)理論課中要分析解決的主要問(wèn)題。(1) 一個(gè)功率放大器為什么要用兩個(gè)功放管？只用一個(gè)行不行？(2) 交越失真是如何產(chǎn)生的？又是如何消除的？(3) 實(shí)驗(yàn)電路中，二極管的作用是什么？如果有一個(gè)二極管接反，那么將會(huì)產(chǎn)生什么后果？,5.1功率放大器的特點(diǎn)與分類(lèi)5.1.1功率放大器的特點(diǎn)1. 輸出功率足夠大 為獲得足夠大的輸出功率，功放管的電壓和電流變化范圍應(yīng)很大。為此，它們常常工作在大信號(hào)狀態(tài)，或接

5、近極限運(yùn)用狀態(tài)。,2. 效率要高功率放大器的效率是指負(fù)載上得到的信號(hào)功率與電源供給的直流功率之比。對(duì)于小信號(hào)的電壓放大器來(lái)講，由于輸出功率較小，電源供給的直流功率也小，因此效率問(wèn)題還不突出。,3. 非線(xiàn)性失真要小功率放大器是在大信號(hào)狀態(tài)下工作，電壓、電流擺動(dòng)幅度很大，極易超出管子特性曲線(xiàn)的線(xiàn)性范圍而進(jìn)入非線(xiàn)性區(qū)，造成輸出波形的非線(xiàn)性失真，因此，功率放大器比小信號(hào)的電壓放大器的非線(xiàn)性失真問(wèn)題嚴(yán)重。在實(shí)際應(yīng)用中，有些設(shè)備(如測(cè)量系統(tǒng)、電聲設(shè)備)對(duì)失真問(wèn)題要求很?chē)?yán)，因此，要采取措施減少失真，使之滿(mǎn)足負(fù)載的要求。,5.1.2功率放大器的分類(lèi)功率放大器通常是根據(jù)功放管工作點(diǎn)選擇的不同來(lái)進(jìn)行分類(lèi)的，分為甲

6、類(lèi)放大、乙類(lèi)放大和甲乙類(lèi)放大等形式。,圖5.1.1功率放大器的分類(lèi) (a) 甲類(lèi)；(b) 乙類(lèi)；(c) 甲乙類(lèi),5.2互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器5.2.1雙電源乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器1. 電路原理雙電源乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器電路如圖5.2.1所示，其所用電源為+UCC、UCC兩個(gè)電源。圖中V1、V2是兩個(gè)特性一致的NPN型和PNP型三極管。,圖5.2.1雙電源乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器,2. 分析計(jì)算 由于功放管工作在大信號(hào)狀態(tài)，故采用圖解法進(jìn)行分析。 設(shè)V1、V2的輸出特性如圖5.2.2(a)、(b)所示，圖中AQ、BQ分別為它們的交流負(fù)載線(xiàn)。,圖5.2.2乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路圖解 (a) NPN管輸出特性

7、; (b) PNP管輸出特性; (c)兩管特性曲線(xiàn)合成,1) 輸出功率Po在電阻負(fù)載RL上，輸出功率等于輸出電壓有效值與輸出電流有效值之積，即 (5.2.1),在輸入信號(hào)足夠大時(shí)，可使輸出電壓幅值最大，輸出功率最大。此時(shí)功放管處于盡限運(yùn)用狀態(tài)，可忽略功放管的飽和壓降UCES，即有UCEM=UCCUCESUCC，因此，最大輸出功率為 (5.2.2),2) 直流電源供給的功率PU由于每個(gè)電源只供給半個(gè)周期的電流，因此兩個(gè)電源供給的功率為 (5.2.3),可見(jiàn)輸出電壓幅值越大，電源供給功率也越大。在輸出電壓幅值足夠大時(shí)，功放管處于盡限運(yùn)用狀態(tài)，可忽略管子的飽和壓降UCES，有UCEMUCC，故此時(shí)電

8、源供給最大功率，為 (5.2.4),3) 效率功率放大器的效率是指負(fù)載得到的信號(hào)功率Po與電源供給的功率PU之比，即 (5.2.5)可見(jiàn)，輸出電壓幅值越大，電路的效率越高。當(dāng)輸出電壓幅值足夠大時(shí)，為最大效率m。將式(5.2.5)中的UCEM換為UCC，或用式(5.2.2)除以式(5.2.4)，得(5.2.6),4) 管耗PV電源供給的功率PU中，一部分轉(zhuǎn)換為放大器的輸出信號(hào)功率Po，另一部分則為管耗PV，即PV=PUPo。功放電路的管耗主要是功放管消耗的功率，發(fā)生在集電結(jié)上，是集電極耗散功率。由于電源供給功率與輸出信號(hào)功率都隨信號(hào)幅度而變，故可用求極值的方法求出可能出現(xiàn)的最大管耗，并應(yīng)按最大管

9、耗來(lái)選擇管子的最大允許耗散功率。,由 (5.2.7),將上式對(duì)UCEM求導(dǎo)并令其為零，得即 (5.2.8),UCEM滿(mǎn)足式(5.2.8)時(shí)，功放管管耗最大。由此式可看見(jiàn)，并非輸出功率最大時(shí)功放管產(chǎn)生的管耗最大。將式(5.2.8)代入式(5.2.7)，可求得最大管耗為 (5.2.9),例5.2.1在圖5.2.1所示的雙電源乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功放電路中，設(shè) UCC=12 V，RL=8 ，試求：(1) 當(dāng)輸入信號(hào)足夠大，使集電極電壓能夠充分運(yùn)用時(shí)的Pom、PUm、m、 PV；(2) 當(dāng)輸入信號(hào)電壓有效值為4 V時(shí)的Po、PU、PV; (3) 若三極管飽和壓降UCES=1 V，不可忽略，再計(jì)算(1)問(wèn)中各量

10、。,解(1) 輸入信號(hào)足夠大時(shí)，忽略管子飽和壓降，輸出電壓幅值約等于電源電壓，可輸出最大功率。由式(5.2.2)，最大輸出功率為由式(5.2.4)得，電源供給最大功率為,此時(shí)的效率為雙管總管耗為,(2) 若輸入電壓有效值為4 V，即其幅值為考慮到射極輸出器的輸出電壓近似等于輸入電壓，故 UomUim =5.7 V，輸出功率為電源供給功率為,效率為雙管的管耗為,(3) 若三極管飽和壓降不可忽略，則Pom、PUm、m、 PV的計(jì)算如下：,5.2.2單電源乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器圖5.2.1所示互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器中需要正、負(fù)兩個(gè)電源。但在實(shí)際電路中，如收音機(jī)、擴(kuò)音機(jī)中，為了簡(jiǎn)化，常采用單電源供電。為此

11、，可采用圖5.2.3所示單電源供電的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器。,圖5.2.3單電源乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器,5.2.3甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器將電路中的功放管設(shè)置為甲乙類(lèi)工作狀態(tài)，以克服交越失真。,圖5.2.4交越失真的產(chǎn)生與消除波形圖 (a) 產(chǎn)生交越失真；(b) 消除交越失真,圖5.2.5為常見(jiàn)的幾種甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器。,圖5.2.5甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器 (a) OCL電路；(b) OTL電路；(c) UBE擴(kuò)大電路,圖5.2.5(c)是另一種常見(jiàn)的為互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)的電路，稱(chēng)為“UBE擴(kuò)大電路”。由圖可知，當(dāng)IB4IR1=IR2時(shí)，有所以，兩功放

12、管基極之間電壓為,5.2.4 復(fù)合管互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器在上述互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路中，若要求輸出較大功率，則要求功放管采用中功率或大功率管。這就產(chǎn)生了如下問(wèn)題。一是大功率的PNP和NPN兩種類(lèi)型管子之間難以做到特性一致；二是輸出大功率時(shí)功放管的峰值電流很大，而功放管的不會(huì)很大，因而要求其前置級(jí)有較大推動(dòng)電流，這對(duì)于前級(jí)是電壓放大器的情況是難以做到的。為了解決上述問(wèn)題，可采用復(fù)合管互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路，如圖5.2.6所示。,圖 5.2.6復(fù)合管互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器,5.3集成功率放大器1. LM386LM386是一種通用型集成功率放大器，它的特點(diǎn)是頻帶寬(可達(dá)幾百千赫)、靜態(tài)功耗低(電源為6 V時(shí)為24 mW)、適

13、用的電源電壓范圍寬(416 V)、外接電路簡(jiǎn)單，因而廣泛用于收音機(jī)、對(duì)講機(jī)、方波和正弦波發(fā)生器等。其應(yīng)用接線(xiàn)圖如圖5.3.1所示。,圖5.3.1LM386的應(yīng)用接線(xiàn)圖,2. TDA2030TDA2030是一種音質(zhì)較好的集成功放，與性能類(lèi)似的其它產(chǎn)品相比，它的引腳較少、外部元件較少、電氣性能穩(wěn)定而可靠，具有過(guò)載保護(hù)熱切斷保護(hù)電路，若輸出過(guò)載(甚至是長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載)或短路，均能起保護(hù)作用，不會(huì)損壞器件。在單電源使用時(shí)，散熱片可直接固定在金屬板上與地線(xiàn)相通，無(wú)需絕緣，十分方便。該器件適用于收錄機(jī)及高傳真立體聲擴(kuò)音裝置中作音頻功率放大器。其主要參數(shù)如表5.3.1所示。,圖5.3.2為T(mén)DA2030的外形圖

14、及常用應(yīng)用電路(OCL形式)。,圖5.3.2TDA2030外形圖及常用應(yīng)用電路 (a) TDA2030外形圖；(b) TDA2030常用應(yīng)用電路(OCL形式),3. LA4102LA4102是LA4100系列集成功放中的一個(gè)品種，使用電源電壓范圍為613 V。它在9 V電源、4 負(fù)載下最大可輸出2.1 W的功率, 常用于FM/AM收音機(jī)、錄音機(jī)、擴(kuò)音機(jī)、對(duì)講機(jī)等的功放級(jí)。該器件采用雙列直插式塑料封裝，其各管腳含義見(jiàn)表5.3.2。其典型應(yīng)用電路如圖5.3.3所示。,圖5.3.3LA4102典型應(yīng)用電路圖,4. BTL電路BTL功率放大器是在集成功放的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，又稱(chēng)為橋接推挽式放大器。其主

15、要特點(diǎn)是，在同樣的電源電壓和負(fù)載電阻條件下，它可得到比OCL或OTL大幾倍的輸出功率，其工作原理如圖5.3.4(a)所示。,圖5.3.4BTL電路工作原理 (a) BTL電路；(b) OCL電路,由上述分析可以看出，與OCL電路(圖5.3.4(b)相比，在相同電源電壓下(圖中均為UCC)，BTL電路中流過(guò)負(fù)載RL的電流及RL兩端的電壓均加大了一倍，據(jù)此可分析出它的最大輸出功率為,圖5.3.5為T(mén)DA2030組成的BTL電路，除電阻R9(22 k)外，其余電路是由TDA2030組成的兩個(gè)OCL電路，結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，元件參數(shù)與圖5.3.2(b)中的相同。,圖5.3.5TDA2030組成的BTL電路,5.

16、4功率放大器的應(yīng)用5.4.1功率放大器實(shí)際應(yīng)用電路1. OCL功率放大器實(shí)際應(yīng)用電路 圖5.4.1為一準(zhǔn)互補(bǔ)功率放大電路，它是高保真功率放大器的典型電路。,圖5.4.1OCL功率放大器實(shí)際應(yīng)用電路,2. OTL功率放大器實(shí)際應(yīng)用電路 圖5.4.2是一個(gè)OTL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路，用作電視機(jī)伴音功率放大器。,圖5.4.2OTL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器實(shí)際應(yīng)用電路,3. 集成功率放大器實(shí)際應(yīng)用電路袖珍式放音機(jī)、收音機(jī)、便攜式收錄機(jī)等，為了實(shí)現(xiàn)整機(jī)小型化，需要低電壓音頻功率放大電路。荷蘭飛利浦公司生產(chǎn)的TDA7050T集成功率放大電路外形尺寸小，外接元件少，可用來(lái)組裝薄型機(jī)。其接線(xiàn)圖如圖5.4.3所示。,圖5.4.3TDA7050T的外接線(xiàn)圖,4. 音響放大器功率