模擬電子技術第5章

理解功率放大電路的特點、要求和分類，克服交越失真的措施等掌握OCL功率放大電路的組成、工作過程和最大輸出功率的計算

了解OTL和采用復合管的功率放大電路的組成及原理

了解集成功率放大電路及其應用

本章學習要求第5章功率放大電路

5.1功率放大電路的基本概念5.2幾種常見的功率放大電路5.3集成功率放大電路及其應用5.4知識拓展5.5實驗集成功率放大器的應用5.6實訓OTL電路的組裝、調(diào)試與測量小結(jié)習題本章大綱5.1 功率放大電路的基本概念

能輸出較大功率的放大電路稱為功率放大電路。5.1.1 功率放大電路的特點及要求

1．功率放大電路的特點功率放大電路與電壓放大電路都屬于能量轉(zhuǎn)換電路，是將電源的直流功率轉(zhuǎn)換成被放大信號的交流功率，從而起功率和電壓放大的作用。但在放大電路中它們各自的功能是不同的，電壓放大電路主要使負載得到不失真的電壓信號，所以研究的主要指標是電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等。功率放大電路除了對信號進行足夠的電壓放大之外，還要求對信號進行足夠的電流放大，從而獲得足夠的功率輸出。因此，功率放大電路多工作于大信號放大狀態(tài)，具有動態(tài)工作范圍大的特點。5.1.1 功率放大電路的特點及要求

2．功率放大電路的要求功率放大電路作為放大電路的輸出級，必須滿足如下要求。（1）盡可能大的輸出功率輸出功率等于輸出交變電壓和交變電流的乘積。為了獲得最大的輸出功率，擔任功率放大任務的三極管的工作參數(shù)往往接近極限狀態(tài)，這樣在允許的失真范圍內(nèi)才能得到最大的輸出功率。（2）盡可能高的效率從能量觀點看，功率放大電路是將集電極電源的直流功率轉(zhuǎn)換成交流功率輸出。放大器向負載所輸出的交流功率與從電源吸取的直流功率之比，用

表示，即式中，PV為集電極電源提供的直流功率，PO是負載獲得的交流功率。該比值越大，效率越高。5.1.1 功率放大電路概述

（3）較小的非線性失真功率放大電路往往在大動態(tài)范圍內(nèi)工作，電壓、電流變化幅度大，這樣，就有可能超越輸出特性曲線的放大區(qū)，進入飽和區(qū)和截止區(qū)而造成非線性失真。因此必須將功率放大電路的非線性失真限制在允許的范圍內(nèi)。（4）較好的散熱裝置功率放大管工作時，在功率放大管的集電結(jié)上將有較大的功率損耗，使管子溫度升高，嚴重時可能毀壞三極管。因此多采用散熱板或其他散熱措施降低管子溫度，保證足夠大的功率輸出。總之，只有在保證晶體管安全工作的條件下和允許的失真范圍內(nèi)，功率放大電路才能充分發(fā)揮其潛力，輸出盡量大的功率，同時減小功率放大管的損耗以提高效率。5.1.2 功率放大電路工作狀態(tài)的分類根據(jù)所設靜態(tài)工作點的不同狀態(tài)，常用功率放大電路可分為甲類、乙類、甲乙類等。5.1.2 功率放大電路工作狀態(tài)的分類

（1）甲類功率放大電路在輸入信號的整個周期內(nèi)，功率放大管都有電流通過，如圖（a）所示。（2）乙類功率放大電路只在輸入信號的正半周導通，在負半周截止，如圖（b）所示。（3）甲乙類功率放大電路三極管導通的時間大于信號的半個周期，即介于甲類和乙類中間，如圖（c）所示。甲類狀態(tài)下效率只有30%左右，最高不超過50%。乙類狀態(tài)下效率提高到78.5%，但輸出信號在越過功率放大管死區(qū)時得不到正常放大，從而產(chǎn)生交越失真，如圖所示。

交越失真5.2 幾種常見的功率放大電路

互補對稱功率放大電路按電源供給的不同，分為雙電源互補對稱電路（OCL電路）和單電源互補對稱電路（OTL電路）。5.2.1 OCL乙類互補對稱功率放大電路

OCL乙類互補對稱功率放大電路如圖所示。圖中VT1和VT2分別為NPN型和PNP型三極管，要求VT1和VT2管特性對稱，并且正負電源對稱。兩管的基極和發(fā)射極相互連接在一起，信號從基極輸入、發(fā)射極輸出，RL為負載。該電路可以看成信號正半周VT1工作和信號負半周VT2工作的兩個發(fā)射極輸出電路的組合。5.2.1 OCL乙類互補對稱功率放大電路

1.工作原理電壓和電流波形圖5.2.1 OCL乙類互補對稱功率放大電路

2.性能指標OCL乙類互補對稱功率放大電路的圖解分析5.2.1 OCL乙類互補對稱功率放大電路

2.性能指標（1）輸出功率（Po）5.2.1 OCL乙類互補對稱功率放大電路

2.性能指標（2）直流電流提供的功率（PDC）5.2.1 OCL乙類互補對稱功率放大電路

2.性能指標（3）效率（

）5.2.1 OCL乙類互補對稱功率放大電路

2.性能指標（4）管耗（PC）5.2.1 OCL乙類互補對稱功率放大電路

3.選擇管子原則由以上分析可知，若要得到最大輸出功率，三極管的參數(shù)必須滿足如下原則。①每只三極管的最大允許管耗（或集電極功率損耗）（PCM）必須大于PC1m=PC2m≈0.2Pom。②考慮到VT2接近飽和導通時，忽略飽和壓降，此時VT1管的uCE1具有最大值，且等于2VCC。因此，應選用UCEO>2VCC的管子。③通過晶體管的最大集電極電流約為VCC/RL，所選晶體管的ICM一般不低于最大集電極電流。5.2.1 OCL乙類互補對稱功率放大電路

【例5-1】設如圖所示電路電源電壓VCC=20V，負載RL=8

，并假定射極輸出器的放大倍數(shù)為1，管子導通時發(fā)射結(jié)的壓降可忽略不計，試計算：①ui=10V（有效值）時，電路的輸出功率、管耗、直流電源提供的功率和電路的效率；②uim=20V（幅值）時，電路的輸出功率、管耗、直流電源提供的功率和電路的效率。5.2.1 OCL乙類互補對稱功率放大電路

5.2.1 OCL乙類互補對稱功率放大電路

【例5-2】設如圖所示電路電源電壓VCC=12V，負載RL=10

，三極管的極限參數(shù)為ICM=2A，UCEO=30V，PCM=5W。求最大輸出功率（Pom），并說明所給三極管能否安全工作。5.2.1 OCL乙類互補對稱功率放大電路

5.2.2 OCL甲乙類互補對稱功率放大電路

乙類放大電路靜態(tài)iC為零，具有效率高的特點。但有時信號輸入時，必須要求信號電壓大于死區(qū)電壓時才能導通。顯然在死區(qū)范圍內(nèi)是無電壓輸出的，以至于在輸出波形正負半周交界處造成交越失真，如圖所示。5.2.2 OCL甲乙類互補對稱功率放大電路

為了解決交越失真，可給三極管加適當?shù)幕鶚O偏置電壓，使之工作在甲乙類工作狀態(tài)，如圖所示。5.2.3 單電源互補對稱電路

雙電源互補對稱功率放大電路由于靜態(tài)時輸出端電位為零，負載可以直接連接，不需要耦合電容，因而它具有低頻響應好、輸出功率大、便于集成等優(yōu)點，但需要雙電源供電，使用起來有時會感到不便，如果采用單電源供電，只需在兩管發(fā)射極與負載之間接入一個大容量電容（C）即可。這種電路通常又稱無輸出變壓器的電路，簡稱OTL電路，如圖所示。5.2.3 單電源互補對稱電路

這種電路由于工作于乙類放大狀態(tài)，不可避免地存在著交越失真。為克服這一缺點，多采用工作于甲乙類放大狀態(tài)的OTL電路，如圖所示。OTL甲乙類功率放大電路5.2.4采用復合管的互補對稱功率放大電路

在輸出功率較大時，由于大功率管的電流放大系數(shù)

較小，而且很難找到特性接近的PNP型和NPN型大功率三極管，因此實際電路中采用復合管來解決這個問題。把兩個或兩個以上的三極管的電極適當?shù)剡B接起來，等效為一個使用，即為復合管。復合管的類型取決于第一只三極管，其電流放大系數(shù)近似等于各只三極管

值的乘積。復合管的連接原則：小功率管在前，大功率管在后，兩管子的各極電流都能順著各自的正常工作方向流動。5.2.4采用復合管的互補對稱功率放大電路

采用復合管的OTL功率放大電路5.3 集成功率放大電路及其應用

目前集成功放電路已大量涌現(xiàn)，其內(nèi)部電路一般均為OTL或OCL電路，集成功放除了具有分立元件OTL或OCL電路的優(yōu)點外，還具有體積小、工作穩(wěn)定可靠、使用方便等優(yōu)點，因而獲得了廣泛的應用。低頻集成功放的種類很多，美國國家半導體公司生產(chǎn)的LM386就是一種小功率音頻放大集成電路。該電路功耗低、允許的電源電壓范圍寬、通頻帶寬、外接元件少，廣泛應用于收錄機、對講機、電視伴音等系統(tǒng)中，LM386引腳圖如圖所示。5.3 集成功率放大電路及其應用

LM386引腳圖

5.3 集成功率放大電路及其應用

LM386內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。LM386內(nèi)部結(jié)構(gòu)5.3 集成功率放大電路及其應用

用LM386制作單片收音機的電路如圖所示。L和C1構(gòu)成調(diào)諧回路，可選擇要收聽的電臺信號；C2為耦合電容，將電臺高頻信號送至LM386的同相輸入端；由LM386進行檢波及功率放大，放大后信號第5腳輸出推動揚聲器發(fā)聲。電位器RP用來調(diào)節(jié)功率放大的增益，即可調(diào)節(jié)揚聲器的音量大小。當RP值調(diào)至最小時，電路增益最大，所以揚聲器的音量大。R1、C5構(gòu)成串聯(lián)補償網(wǎng)絡，與呈感性的負載（揚聲器）相并聯(lián)，最終使等效負載近似呈純阻性，以防止高頻自激和過壓現(xiàn)象。C4為去耦電容，用以提高紋波抑制能力，消除低頻自激。5.3 集成功率放大電路及其應用

用LM386作單片收音機的電路5.3 集成功率放大電路及其應用

DG4100集成功率放大器具有輸出功率大、噪聲小、頻帶寬、工作電源范圍寬、保護電路等優(yōu)點，是經(jīng)常使用的標準集成音頻功率放大器。由輸入級、中間級、輸出級、偏置電路及過壓、過熱保護電路等構(gòu)成。DG4100的典型應用電路如圖所示。DG4100的典型應用電路5.4 知識拓展

1.普及型收音機的低放電路5.4.1 集成功率放大電路的識圖

5.4 知識拓展

2.OTL收音機電路中的功放電路5.4.1 集成功率放大電路的識圖

5.4.2 D類功率放大器

所謂D類功率放大器就是將音頻信號轉(zhuǎn)換成脈寬變化的形式，再由脈沖放大器放大輸出，然后通過低通濾波電路還原成音頻信號。由于脈沖放大器工作在開關狀態(tài)，電路本身的損耗只限于三極管導通時飽和壓降引起的損耗和元件開關的損耗，所以適當?shù)倪x擇元件，可以使得總損耗變小，電路工作的效率也較高。音頻放大器大約有一個世紀的歷史了，最近幾年，電子產(chǎn)品正在向薄型化、便攜式迅速發(fā)展。音質(zhì)好、電源效率高、發(fā)熱少的D類放大器成為市場的需求。并且由于D類放大器的耗電低、發(fā)熱少等特點，越來越得到日益強調(diào)環(huán)保的市場的認同。同時，便攜式電子設備的工作時間一直是廠商全力追求的最重要的性能指標，新的無濾波器D類放大器在幾瓦特的功率級別上正在取代原先固定的AB類器件。與體積龐大的傳統(tǒng)線性放大器相比，使用D類放大器并不影響音頻信號的音質(zhì)，且能夠?qū)崿F(xiàn)便攜產(chǎn)品的小型化。因此市場對電子產(chǎn)品薄型化、便攜式的需求趨勢造就了傳統(tǒng)放大器向數(shù)字放大器的轉(zhuǎn)化。5.4.2 D類功率放大器

D類放大器的電路共分為3級：輸入開關級、功率放大級及輸出濾波級。D類放大器工作在開關狀態(tài)下，可以采用脈寬調(diào)制（PWM）模式。利用PWM能將音頻輸入信號轉(zhuǎn)換為高頻開關信號。通過一個比較器將音頻信號與高頻三角波進行比較，當反相端電壓高于同相端電壓時，輸出為低電平；當反相端電壓低于同相端電壓時，輸出為高電平。在D類放大器中，比較器的輸出與功率放大電路相連，功放電路采用金屬氧化物場效應管（MOSFET）替代雙極型晶體管（BJT）。5.4.3 TDA2030A音頻集成功率放大器

TDA2030A的內(nèi)部電路5.4.3 TDA2030A音頻集成功率放大器

TDA2030A外引腳的排列

由TDA2030A構(gòu)成的雙電源（OCL）應用電路

5.4.3 TDA2030A音頻集成功率放大器

由TDA2030A構(gòu)成的單電源功率放大電路5.5實驗集成功率放大器的應用

一實驗目的1.熟悉集成功率放大器的功能及應用；2.掌握集成功率放大器應用電路的調(diào)整與測試。二實驗原理集成功放LM386應用電路三實驗器材

直流穩(wěn)壓電源、低頻信號發(fā)生器、示波器、萬用表、毫伏表、實驗線路板、揚聲器和話筒，元器件數(shù)量和品種見表

。

元器件數(shù)量和品種編號名稱參數(shù)編號名稱參數(shù)R1電阻1MR2電阻4.7kRp可調(diào)電阻100kC1電容1μF/16VC2電解電容10μF/16VC3電容0.1μF/16VC4電解電容100μF/16VC5電解電容100μF/16VVT三極管9013NPN集成功率放大器LM386四實驗步驟

1.測試電路如圖所示，分析電路的工作原理，估算VT管的靜態(tài)工作點電流和電壓。2.按圖所示電路及表配置元器件，并對所有元器件進行檢測。3.按圖在實驗線路板進行組裝。經(jīng)檢查接線沒有錯誤后，接通12V直流電源。4.用萬用表的直流電壓擋，測量三極管的直流工作點電壓以及集成功放5腳對地電壓，是否均符合要求。否則，應切斷直流電源進行檢查。查出原因后，方可再次接通直流電源進行測試。四實驗步驟

5.輸入端用信號發(fā)生器輸入800Hz、10mV左右的音頻電壓，揚聲器中就會有聲音發(fā)出。調(diào)節(jié)Rp，聲音的強弱會跟隨變化。用示波器觀察輸出波形為正弦波后，再用交流毫伏表測量放大電路的電壓增益，Au=Uo/Ui，同時測出最大不失真功率的大小，并與理論值進行比較。6.將話筒置于輸入端，模擬擴音機來檢驗該電路的放大效果。五實驗報告

1.整理實驗數(shù)據(jù)；2.電路工作原理分析；3.靜態(tài)工作點、電壓放大倍數(shù)、最大不失真功率的估算、測量值及其分析比較。六注意事項

1.注意LM386的引腳連接方式。2.接線要用屏蔽線，屏蔽線的外屏蔽層要接到系統(tǒng)的地線上。3.進行故障檢查時，需注意測量儀器所引起的故障。1.了解OTL電路的調(diào)試方法。2.了解交越失真及改善措施。3.測量OTL電路的最大輸出功率。5.6實訓OTL電路的組裝、調(diào)試與測量

一實訓目的二實訓器材直流穩(wěn)壓電源、低頻信號發(fā)生器、示波器、萬用表、毫伏表、實驗線路板，以及若干元器件。

元器件表編號名稱參數(shù)編號名稱參數(shù)R1電阻120WR2電阻5.1kWR3電阻100WR4電阻470WR5電阻150WRp1可調(diào)電阻100kWRp2可調(diào)電阻1kWRL電阻20WC1電容10uF/16VC2電容100uF/16VC3電容47uF/16VC4電容220uF/16VVT1三極管9013NPNVT2三極管8050NPNVT3三極管8550PNPVD二極管1N4148三實訓步驟（1）用萬用表檢查元器件，確保質(zhì)量完好。（2）在實驗線路板或其他電路板上連接下圖所示電路。

OTL實驗電路三實訓步驟

（3）檢測無誤后，接入12V的直流電源電壓EC，并調(diào)節(jié)Rp1，使UA

=

EC/2。（4）輸入1kHz的正弦交流信號，用示波器觀察輸出信號波形是否有交越失真或輸出波形正、負半周是否對稱？若出現(xiàn)失真，緩慢調(diào)節(jié)Rp2。（5）用示波器觀察逐漸增加輸入信號電壓幅度后輸出信號的波形，直到輸出電壓信號剛好不失真為止，用毫伏表測出此時輸入信號電壓Ui、輸出信號Uo數(shù)值，填入下表，同時將所測出的波形描繪在下表中。三實訓步驟OTL功率放大電路實測數(shù)據(jù)計算負載上獲得的最大不失真功率直流電源EC

=

12V中點電壓UA

=輸入頻率f為1kHz，電壓Ui（有效值）為10mV的信號輸出電壓Uo

=輸出電壓波形三實訓步驟（6）觀察自舉電路的作用：在不改變輸入信號和示波器接法時，斷開或接通自舉電容C2，將觀察到的輸出電壓幅度變化波形繪制在下表中。自舉電路的作用直流電源EC

=

12V中點電壓UA

=輸入頻率f為1kHz，電壓ui幅值為10mV的信號斷開自舉電容C2時的輸出電壓波形接通自舉電容C2時的輸出電壓波形四實訓報告（1）整理表中的數(shù)據(jù)。（2）對實測負載上獲得的最大不失真功率與理論值進行比較。（3）說明實驗中遇到的問題及解決辦法。（4）說明自舉電路對改善OTL電路性能所起的作用。五注意事項（1）調(diào)試前先要熟悉各種儀器的使用方法，并仔細加以檢查，以避免由于儀器使用不當或儀器的性能達不到要求（如測量電壓的儀器輸入電阻比較低、頻帶過窄等）而造成測量結(jié)果不準，以致作出錯誤的