《電子系統(tǒng)設計與工程實踐1》第五章

1、第5章 功率放大電路目錄目錄天津工業(yè)大學天津工業(yè)大學2 25.15.25.35.45.5功率放大器的分類及技術參數(shù)功率放大器的分類及技術參數(shù)常見功率放大電路及特點常見功率放大電路及特點丁類（丁類（D D類）功率放大電路類）功率放大電路集成功率放大器集成功率放大器設計實例設計實例音響放大器的設計音響放大器的設計5.1 5.1 功率放大器的分類及技術參數(shù)功率放大器的分類及技術參數(shù)5.1.1 5.1.1 功率放大器的分類功率放大器的分類 常見的低頻功率放大器按工作狀態(tài)不同主要分為甲類、乙類和甲乙類。常見的低頻功率放大器按工作狀態(tài)不同主要分為甲類、乙類和甲乙類。甲類：放大電路中輸入信號為正弦波時，晶體

2、管在信號的整個周期內均導通； 乙類：若晶體管僅在信號的正半周期或負半周期導通;甲乙類：若晶體管的導通時間大于半個信號周期且小于一個信號周期。 天津工業(yè)大學天津工業(yè)大學3 3 除此之外，為進一步提高功率放大器的效率，減小功放管的功耗，又產除此之外，為進一步提高功率放大器的效率，減小功放管的功耗，又產生了丙類和丁類功率放大器。生了丙類和丁類功率放大器。丙類：若晶體管的導通時間小于信號半個周期；丁類：功率放大器的功放管工作在開關狀態(tài)，管子僅在飽和和導通時消耗功率;而且管壓降很小，故無論電流大小，管子的瞬時功率都不大，因此管子的平均功耗也就不大，電路的效率較高。 但是，當功放中的功率管工作在丙類或丁類

3、狀態(tài)時，集電極電流將嚴重失真，因此必須采取措施消除失真，如采用諧振功率放大電路，從而使負載獲得基本不失真的信號功率。1 1、甲類功率放大器、甲類功率放大器 如圖5.1，靜態(tài)工作點Q基本處于交流負載線的中點附近，晶體管在輸入信號的整個周期內均導通，有著較大的不失真電源輸出幅度。該類功放電路簡單，調試方便；但晶體管功耗大，效率較低，可以證明，甲類放大器的最大效率為50%。圖圖5.1 5.1 甲類功率放大器工作狀態(tài)甲類功率放大器工作狀態(tài)工作狀態(tài)工作狀態(tài) 圖5.2中Tr1為輸入變壓器，Tr2為輸出變壓器，它們起到“隔直流通交流及阻抗變換”的作用。 Rb1、Rb2和Re組成分壓式電流反饋偏置電路電容Cb

4、和Ce為信號提供通路，減小信號在Rb2和Re上的損失。靜態(tài)工作電路表達式如下： (5.1) 為了充分利用功率管，放置大信號工作時集電極電流在負半周期截止，單管功率放大器都工作在甲類狀態(tài)，一般靜態(tài)工作電流ICQ取得較大，損耗在集電極上的功率為 (5.2)圖圖5.2 5.2 單管甲類功率放大電路單管甲類功率放大電路)(1212BECCbbbeCQVVRRRRI電路形式電路形式CQCCCQCEQCIVIVP注意：注意： 1. 1.變壓器耦合提高了電源電壓的利用率，變壓器耦合提高了電源電壓的利用率，使輸出動態(tài)范圍變大，但是體積大，較笨使輸出動態(tài)范圍變大，但是體積大，較笨重。重。2.2.由于由于ICQI

5、CQ比較大，為了避免比較大，為了避免ReRe上產生太上產生太大的壓降，大的壓降，ReRe的值不能取得太大，一般只的值不能取得太大，一般只有幾歐姆至幾十歐姆。有幾歐姆至幾十歐姆。2 2、乙類功率放大器、乙類功率放大器 如圖5.3，放大器的靜態(tài)點在橫軸上，晶體管在輸入信號的一個周期內只有一半的時間工作，當沒有信號輸入時，輸出端幾乎不消耗功率。 由于工作在零偏狀態(tài)，減少了靜態(tài)功耗，效率較高。但是存在嚴重的失真，使得輸出信號的半周期削掉了。 利用NPN、PNP管的互補作用，使它們都工作在乙類工作狀態(tài)，其中一管工作在信號的正半周，另一管工作在信號的負半周，兩管子的輸出波形都能加到負載上，這樣負載就能得到

6、一個完整的波形，也解決了效率和失真之間的矛盾。圖圖5.3 5.3 乙類功率放大器工作狀態(tài)乙類功率放大器工作狀態(tài)工作狀態(tài)工作狀態(tài) 圖5.4中VT1和VT2分別是NPN和PNP管，兩管的基極和發(fā)射極分別連在一起，信號從基極輸入，發(fā)射極輸出，RL為輸出電阻。 設三極管為理想器件：輸入信號正半期，VT1導通VT2截至，電流流過負載，產生輸出信號的正半期；負半期，VT1截止VT2導通，電流流過負載，產生輸出信號的負半期。 實現(xiàn)靜態(tài)不消耗電流，有信號時兩管輪流導通，組成推挽式電路。圖圖5.4 5.4 乙類推挽電路乙類推挽電路圖圖5.5 5.5 交越失真原理圖交越失真原理圖互補推挽輸出電路形式互補推挽輸出電

7、路形式 如圖5.5交越失真現(xiàn)象：由于沒有直流偏置，三極管的ib必須在|VBE|大于某個數(shù)值時才會有顯著變化。這樣就會導致當輸入信號低于這個值時兩管同時截止，負載上沒有電流通過，出現(xiàn)一段死區(qū)。 實際上，這種互補推挽電路輸出信號并不實際上，這種互補推挽電路輸出信號并不能很好地反映輸入電壓的變化。能很好地反映輸入電壓的變化。3 3、甲乙類放大器、甲乙類放大器 圖5.6中VT4基極的電流遠小于R1、R2的電流，VCE4=VBE4(R1+R2)/R2。VT4的基極電流基本為一固定值，只要調節(jié)R1、R2的比值，就可調節(jié)VT1和VT2的偏壓值。 VT1和VT2都工作在甲乙類工作狀態(tài)，兩管導通的時間都50%，

8、在兩管都導通時信號有重疊的部分，避免了交越失真的產生。 功放電路的特性：輸出電路需要向負載提供盡可能大的信號功率，即電路的輸出電壓和輸出電流都比較大，三極管一般處于極限工作的狀態(tài)。圖圖5.6 5.6 準互補推挽輸出電路準互補推挽輸出電路工作狀態(tài)工作狀態(tài)準互補推挽輸出電路形式準互補推挽輸出電路形式 晶體管的導通時間稍大于半周期。用兩管推挽工作：可避免交越失真。具有效率較高、晶體管功耗較小的特點。5.1.2 5.1.2 功率放大器的技術參數(shù)功率放大器的技術參數(shù)六個技術參數(shù)：六個技術參數(shù)：1)最大輸出功率Pomax2)轉換效率3)非線性失真和噪聲(THD ) 4)通頻帶5)電源紋波抑制比PSRR6)

9、互調和交調失真需要注意的四個核心問題：需要注意的四個核心問題：1）要求輸出功率盡可能的大。2）高效率。3）功率器件的散熱問題。4）非線性失真。5.2 5.2 常見功率放大電路及特點常見功率放大電路及特點 圖5.7中電路采用變壓器進行輸入信號和輸出信號的耦合，單電源供電，晶體管僅在信號的正半周期或負半周期導通，工作在乙類狀態(tài)。 在輸入信號為零時，管子VT1和VT2處于截止狀態(tài)，電源不提供功率。輸入信號越大，負載獲得的功率也越大，電源提供的功率也隨之增大，從而提高效率。 5.2.1 5.2.1 變壓器耦合功率放大電路變壓器耦合功率放大電路圖圖5.7 5.7 變壓器耦合乙類推挽功率放大器變壓器耦合乙

10、類推挽功率放大器變壓器耦合式電路變壓器耦合式電路 變壓器耦合功率放大器的特點是輸變壓器耦合功率放大器的特點是輸入、輸出阻抗容易匹配，但體積龐大，入、輸出阻抗容易匹配，但體積龐大，效率較低，低頻和高頻特性均較差。效率較低，低頻和高頻特性均較差。三種工作狀態(tài)三種工作狀態(tài) 設晶體管b-e間的開啟電壓可忽略不計，T1和T2管的特性完全相同，輸入電壓為正弦波。 當輸入電壓為零時，由于T1和T2的發(fā)射結電壓為零，均處于截止狀態(tài)，因而電源提供的功率為零，負載上的電壓也為零，兩只管子的管壓降均為VCC。 當輸入信號使變壓器副邊電壓極性為上“+”下“-”時，T1管導通，T2管截止，電流如圖中實線所示； 當輸入信

11、號使變壓器副邊電壓極性為上“-”下“+”時，T2管導通，T1管截止，電流如圖中虛線所示。因此，負載RL上可獲得正弦波電壓，從而獲得交流功率。5.2.2 5.2.2 無輸出變壓器耦合功率放大電路無輸出變壓器耦合功率放大電路 OTL電路是用一個大容量電容取代輸出變壓器，如圖5.8所示。 采用單電源供電，T1和T2為NPN、PNP型管，特性對稱。靜態(tài)時，前級電路基極電位為VCC/2，發(fā)射結電位也是VCC/2，故電容上的電壓VCC/2，極性如圖示。電容上的電源UC=UE=VCC/2。 由于電容C的容量足夠大，時間常數(shù)RLC遠大于輸入信號的周期。因此，在一個輸入信號周期內，電容充電和放電的電荷變化不會引

12、起電容的端電壓有明顯的變化，電容C相當于一個恒壓源。 OTL功率放大電路的特點是無輸入、輸出變壓器、體積小、重量輕，但輸入、輸出阻抗不容易實現(xiàn)匹配。圖圖5.8 OTL5.8 OTL基本電路基本電路OTLOTL電路特點電路特點電路輸出電壓跟隨輸入電壓特性：電路輸出電壓跟隨輸入電壓特性： 由于一般情況下功率放大電路的負載電流很大，電容的容量常選為幾千微法，且為電解電容。電容容量越大，電路的低頻特性將越好。 但是當電容容量增大到一定程度時，由于兩個極基板面積很大，且卷制而成，電解電容不再是純電容，而存在漏阻和電感效應，使得低頻特性不會明顯改善。 假設電容容量足夠大，對交流信號可視為短路；晶體管b-e

13、間的開啟電壓可忽略不計；輸入電壓為正弦波。 當ui0時，T1管導通，T2管截止，C充電，電流如圖5.8中實線所示，由T1和RL組成電路為射極輸出形式，uo約等于ui； 當ui0時，T1管導通，T2管截止，正電源供電，電流如圖5.10實線實線所示，電路為射極輸出形式，uo約等于ui； 當ui0時，T2管導通，T1管截止，負電源供電，電流如圖5.10中虛線虛線所示，電路也為射極輸出形式，uo約等于ui；可見電路實現(xiàn)了“T1和T2交替工作，正、負電源交替供電，輸出與輸入之間雙向跟隨”。 不同類型的兩只晶體管（不同類型的兩只晶體管（T1T1和和T2T2）交替工作、且）交替工作、且均組成射極輸出形式的電

14、路稱為均組成射極輸出形式的電路稱為“互補互補”電路，兩只電路，兩只管子的這種交替工作方式稱為管子的這種交替工作方式稱為“互補互補”工作方式。工作方式。圖圖5.10 OCL5.10 OCL基本電路基本電路OCLOCL電路特點電路特點乙類乙類OCLOCL功率放大電路的主要參數(shù)計算公式功率放大電路的主要參數(shù)計算公式（1 1）輸出功率）輸出功率輸入正弦波，則在負載電阻上的輸出功率為： （5.9）負載上最大輸出電壓幅值為Uomax=VCC-UCES，此時負載上的最大不失真輸出功率為： （5.10）一般晶體管的飽和壓降UCES較小，可以忽略則 （5.11） （2 2）功率管的功率損耗）功率管的功率損耗晶體

15、管的管耗主要是集電結的功耗，兩個晶體管的功耗PT為： （5.12）PTmax發(fā)生在Uom約等于0.64VCC處，此時PTmax為： （5.13）假設圖假設圖5.105.10中中T1T1和和T2T2所有參數(shù)均相同，特性一致。所有參數(shù)均相同，特性一致。2222omomomoooLUIUPU IR22maxmax()22oCESoLLUVCCUPRR2m ax2oLV C CPR222omomTVoLLVCC UUPPPRR22maxmax220.64(0.64)0.422omomToLLLLVCC UUVCCVCCVCCPPRRRR （3 3）效率）效率：互補功放的效率為輸出功率與電壓提供功率之比

16、，即 （5.14）顯然，當Uom=VCC時效率達到最高，為 。但實際的效率值要小于78.5%，因為考慮晶體管的飽和壓降后，Uom0時，VT1和VT4管導通，VT2和VT3管截止，電流從VCC經VT1、RL、VT4至電源地，負載上獲得正半周電壓；當ui0時，VT2和VT3管導通，VT1和VT4管截止，電流從VCC經VT3、RL、VT2至電源地，負載上獲得負半周電壓，因而負載上獲得交流功率。 特點特點：無變壓器、無耦合電容，體積小，重量輕，但使用的功率管增加一倍。 不足不足：難于做到四只管子特性理想對稱；管子的總損耗大，轉換效率降低；電路的輸入和輸出均無接地點，有些場合不適用。圖圖5.13 5.1

17、3 BTLBTL基本電路基本電路5.3 5.3 丁類（丁類（D D類）功率放大電路類）功率放大電路 如圖5.14所示，將三角波UA和音頻信號ui送入PWM調制器（實質為比較器）輸出PWM信號uc。uc經驅動電路后，驅動輸出級電路中的功率開關管飽和或截止，因此功率管的功耗很小。 三角波發(fā)生器產生高線性度等幅三角波uA，三角波的重復頻率遠高于音頻信號的最高頻率，一般可以在上百KHz，有的集成D類功率放大器芯片中三角波的頻率甚至高達幾MHz。 輸出級電路通常包括開關功率放大器和LC低通濾波器。開關功率放大器輸出的大電流、高電壓PWM信號經過LC低通濾波器解調，得到音頻信號推動揚聲器發(fā)聲。5.3.1

18、D5.3.1 D類功率放大器的基本原理類功率放大器的基本原理圖圖5.14 D5.14 D類功率放大器基本原理框圖類功率放大器基本原理框圖保真度低的原因保真度低的原因 D類功率放大器的缺點是保真度比甲類和甲乙類功放差，三點原因： 1）功率開關管不可能是理想的開關，且很難在動態(tài)條件下使多只功率開關管處于完全匹配狀態(tài)； 2）不能完全濾除高頻噪聲，使放大器的信噪比變壞； 3）大電流、電壓的高頻PWM信號會產生較強的電磁輻射，使電路的電磁兼容性劣化。 所以，設計D類功率放大器需要合理地安排輸出端低通濾波器的元件位置，采取必要的電磁屏蔽措施。D D類功率放大器的輸出級類功率放大器的輸出級1 1）PWMPW

19、M調制與交越失真調制與交越失真 在音頻脈寬調制電路中，常需要將時間軸上方的波形和時間軸下方的波形分別進行脈寬調制，需考慮推挽管在交替導通時必須有一定的時間間隔，否則會出現(xiàn)兩只功率管的直通現(xiàn)象，所以這種電路本身也存在死區(qū)，就不可避免地會產生交越失真。2 2）SPWMSPWM調制與交越失真調制與交越失真 將一個正弦信號直接與一個三角載波比較，可得到SPWM信號。該信號通過驅動電路去驅動全橋或半橋電路，在正負半周的交界處有較為明顯的空檔，說明PWM信號的有些脈沖在經過開關的死區(qū)時間時丟失了。信號幅度越低，PWM脈沖就越窄，交越失真越嚴重。圖5.15 H橋輸出級電路 如圖5.15所示H橋電路。在單電源

20、供電情況下，D類功率放大器也可以為負載提供直流分量為0的雙向脈沖功率輸出，且脈沖信號的幅度近似為VDD。電感L1、電容C1和電感L2、電容C2分別構成LC濾波電路，對輸出的脈沖信號進行濾波，使其以交流信號形式加載于負載RL上。交越失真交越失真H H橋典型電路橋典型電路5.3.2 D5.3.2 D類功率放大器的設計類功率放大器的設計 D類功率放大器的調整方式主要采用SPWM（正弦脈寬調制），它是將一正弦波按等間距分成N等份，對于每一個波形以一個等面積的脈沖來對應，使脈沖的中點與相應正弦波部分的中點重合。 如圖5.16所示，由于此脈沖序列的面積分布滿足正弦規(guī)律，根據面積等效原理，將這個脈沖序列輸出

21、至負載時，將使負載得到相當接近正弦波的輸出電壓和電流。由于采用該方式輸出的電壓波形很接近正弦波，所以電壓中的諧波成分很少，同時也可以提高功率因數(shù)。 通過改變SPWM脈沖的寬度可以改變輸出電壓的幅值，調節(jié)電路的調制周期則可以改變輸出電壓的頻率，從而方便對負載進行控制。1 1、D D類功率放大器的類功率放大器的PWMPWM調制方式調制方式圖圖5.16 SPWM5.16 SPWM示意圖示意圖5.4 5.4 集成功率放大器集成功率放大器天津工業(yè)大學天津工業(yè)大學2626 LM386LM386 NS公司生產的低電壓小功率通用型集成功率放大器，價格低廉、使用方便、工作穩(wěn)定，進而應用廣泛。該芯片采用DIP8腳

22、封裝，引腳如圖5.21。 圖圖5.21 LM3865.21 LM386的封裝及引腳說明的封裝及引腳說明圖圖5.22 LM3865.22 LM386的內部結構的內部結構 5.4.1 5.4.1 小功率集成功率放大器小功率集成功率放大器 表表5.1 LM3865.1 LM386主要參數(shù)主要參數(shù) 如圖5.23，其反相輸入端接地，芯片輸出端5引腳的靜態(tài)電壓為VCC/2，靜態(tài)功率為24mW。電位器Rp和電容C1串聯(lián)支路用于調節(jié)放大器的電壓放大倍數(shù)，放大倍數(shù)的計算公式為： (5.19) R1和C2組成補償網絡，使電感性揚聲器負載變換成電阻性，以提高電路的穩(wěn)定性，消除高頻自激。 圖圖5.23 LM3865.

23、23 LM386的典型應用電路的典型應用電路 LM386 LM386的典型應用電路的典型應用電路15035. 135. 130PPuRkRkkA 由于由于LM386LM386的封裝形式使散熱器安裝不便，芯片散熱不夠理想，故該功率放大器的封裝形式使散熱器安裝不便，芯片散熱不夠理想，故該功率放大器的最大不失真輸出功率實際上要小于指標給出的輸出功率，如的最大不失真輸出功率實際上要小于指標給出的輸出功率，如LM386N-4LM386N-4的實際輸出的實際輸出功率在功率在500mW500mW以下。以下。5.4.2 5.4.2 中等功率集成功率放大器中等功率集成功率放大器 為中等輸出功率的功率放大器，LM

24、1875為單通道，LM1876為立體雙聲道。兩個芯片的非線性失真都非常低，輸出功率在20W時，均低于0.1%。兩個芯片通頻帶都較寬，速度較快，LM1875的壓擺率為8V/s，LM1876的壓擺率為18V/s。LM1875/1876LM1875/1876LM1875、LM1876均采用帶散熱金屬后背的TO-220封裝形式，封裝引腳如圖5.24。 L M 1 8 7 6 每 個 通 道 靜 音 控 制Standby端和待機控制Mute端均獨立引出，這兩個端子輸入低電壓0.8V時，芯片處于正常放大狀態(tài)；輸入電壓高于2V時，芯片處于待機模式或靜音模式。圖圖5.24 LM1875/LM18765.24

25、LM1875/LM1876的引腳封裝的引腳封裝LM1875/1876LM1875/1876在設計功率放大電路時應注意以下在設計功率放大電路時應注意以下3 3方面：方面：1 1、放大電路結構選擇、放大電路結構選擇 LM1875/1876在應用時通常接成同相放大器的形式，雙電源供電的典型應用電路如圖5.25所示，對于LM1876，這是其中一個通道的連接電路。圖圖5.25 LM1875/LM18765.25 LM1875/LM1876典型應用電路典型應用電路 中、大功率集成功率放大器使用時，兩個芯片必須安裝足夠尺寸的散熱器，散熱器面積不夠大時，芯片的輸出功率就達不到參數(shù)給定的輸出功率。以LM1875

26、為例，在理想乙類工作方式時，功耗近似為： （5.20）如果最高結溫保持在低于150（超過170芯片會過熱關斷），最高環(huán)境溫度在70，則結到環(huán)境的熱阻必須低于： （ 5 . 2 1）2 2、散熱問題、散熱問題222sDQLUPPRm axm ax150704.2 /19oojaoDTTCCC WPW 1)注意印制板電路上元件的布局和地線的安排。 2)當電路出現(xiàn)自激振蕩，特別是高頻振蕩時，由于揚聲器反映不出高頻振蕩的聲音，直觀的現(xiàn)象是芯片接通電源后，在靜態(tài)條件下迅速發(fā)熱，靜態(tài)電流遠大于參數(shù)給定的數(shù)值。 3)解決方法是在輸入端到地之間接一個50500pF的電容或者將輸出端校正電容的容量適當提高，一般

27、將校正電容提高到0.5F即可消除自激，但放大器的上限頻率會受到影響。 3 3、電路調整、電路調整5.4.3 5.4.3 大功率集成功率放大器大功率集成功率放大器 它是NS公司生產的大功率立體聲雙聲道集成功率放大器，每個通道能夠在THD+N小于0.5%、帶寬20Hz20kHz的條件下，獨立地向8負載提供60W的連續(xù)平均輸出功率。 片上具有比較完善的過熱、過壓、輸出短路保護；每個通道具有獨立的靜止控制端，能夠實現(xiàn)完全消除聲音的靜音；能夠適應很寬的供電電壓范圍。 芯片采用TO-220封裝，28條引腳呈現(xiàn)前后排列，其引腳如圖5.26所示。圖圖5.26 LM47805.26 LM4780的引腳說明的引腳

28、說明LM4780LM4780圖5.27（a）、（b）所示分別為LM4780雙通道應用和橋式應用的典型電路。通過選擇反饋電阻Rf和反相輸入端電阻R1來決定放大器的閉環(huán)電壓增益，一般電壓增益取1020。靜音控制端Mute A、Mute B接地或斷開時啟動靜音功能；經過電阻RM接-VEE時關閉靜音功能。RM的取值為： （5.22) 使用該芯片設計功率放大器時，關鍵問題是散熱，該芯片的最高承受溫度為150，熱阻RjA=30 /W，RjC=0.8/W，最大功耗125W。電路設計時，需要根據相關參數(shù)，參考數(shù)據手冊選擇合適的散熱片。EE| 2.6,0.5MMUTEMUTEVVRImAILM4780LM4780典型應用電路典型應用電路（a a）雙通道功率放大電路）雙通道功率放大電路（b b）橋式功率放大電路）橋式功率放大電路圖圖5.27 LM47805.27 LM4780的典型應用電路的典型應用電路5.4.4 5.4.4 集成集成D D類功率放大器類功率放大器