模擬電子技術(shù)項目化教程（第2版）課件 項目5 音頻功率放大電路

功率放大器特點與分類功率放大器在實用電子電路中，往往要求放大電路的末級（輸出級）輸出有足夠大的信號功率去驅(qū)動負載，如揚聲器、繼電器、指示表頭或顯示器等，這就要求末級電路不但要輸出大幅度的電壓，而且要輸出大幅度的電流，即輸出足夠大的功率。這種向負載提供不失真功率的電路，稱為功率放大器，簡稱功放。功率放大器特點與分類1.引入新課功率放大器的作用：用作放大電路的輸出級，以驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動作、儀表顯示等。例1：擴音系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)功率放大電壓放大信號提取功率放大器特點與分類1.引入新課例2：自動調(diào)速系統(tǒng)結(jié)論：以上末級電路不但要求輸出大幅度的電壓，而且要輸出大幅度的電流，即輸出足夠大的功率。傳感器M前置放大和功放生產(chǎn)機械或其它部件電動機n功率放大器特點與分類2.功率放大電路概述1）什么是功率放大電路

：以輸出較大功率為目的的放大電路稱為功率放大電路，簡稱功放。

項目

電路區(qū)別相同之處使用信號主要分析方法分析對象一般放大器小信號微變等效電路法Au、Ri、Ro都是實現(xiàn)能量控制與能量轉(zhuǎn)換功放大信號圖解法、工程估算法Po、η2)主要特點（與一般放大器相比）(輸出的信號：高電壓、大電流)功率放大器特點與分類2.功率放大電路概述3)功放電路的要求——要解決的問題

提高效率

減小失真

管子的保護

足夠大的功率提高效率的途徑主要方式:降低靜態(tài)功耗，即減小靜態(tài)電流。功率放大器特點與分類2.功率放大電路概述4）功率放大電路的分類——按管子的工作狀態(tài)（靜態(tài)工作點）不同分類：

功率放大器特點與分類3.功率放大電路分類按功放管靜態(tài)工作點（1）甲類：一個周期內(nèi)均導通特點：1.靜態(tài)電流較大2.管耗大3.效率低

η≤50%功率放大器特點與分類（2）乙類：導通角等于180°icωt產(chǎn)生交越失真特點：1.靜態(tài)電流=02.管耗小，效率高3.存在交越失真

功率放大器特點與分類（3）甲乙類：導通角大于180°小于360°icωt消除交越失真特點：靜態(tài)電流≈0管耗小，效率較高消除交越失真功率放大器特點與分類小結(jié)功率放大器的特點：（1）輸出電壓和電流的幅度足夠大；（2）輸出信號存在一定程度的失真；（3）不可忽視管耗問題；（4）要有適當?shù)谋Ｗo措施；（5）需要考慮轉(zhuǎn)換的效率。功率放大器的分類：三極管靜態(tài)工作點設(shè)置的不同，可分成甲類、乙類和甲乙類三種。功率放大器特點與分類OCL放大電路主講：蔣小輝OCL放大電路用哪種組態(tài)的電路作功率放大電路最合適？思考1.甲類放大電路效率低，η≤50%2.甲乙類和乙類放大電路效率高，但失真大，可以改進嗎？引入課題OCL放大電路無輸出電容的互補對稱功放電路基本電路及其工作原理電路的結(jié)構(gòu)特點：電路形式（設(shè)ui為正弦波）（1）由NPN型、PNP型三極管構(gòu)成兩個對稱的射極（2）雙電源供電。（3）輸入輸出端不加隔直電容。ui-VCCVT1VT2uo+VCCRiL輸出器對接而成。OCL放大電路ic1ic22）動態(tài)分析：ui

0VVT1截止，VT2導通ui>0VVT1導通，VT2截止iL=ic1

iL=ic2VT1、VT2兩個晶體管都只在半個周期內(nèi)工作1）靜態(tài)分析：ui=0VVT1、VT2均不工作

uo

=0Vui-VCCVT1VT2uo+VCCRLiL無輸出電容的互補對稱功放電路OCL放大電路3）輸出功率PO

最大輸出功率Pom晶體管飽和壓降4）直流電源供給功率PVOCL放大電路5）功率管管耗PT由于VT1、VT2各導通半個周期，且兩管對稱，故兩管的管耗相同，設(shè)輸出電壓為，則每只管子的平均管耗為：（1）平均管耗OCL放大電路（2）輸出最大功率時的管耗PTm(Uom≈Vcc)Uom=VCC時，輸出功率最大，此時管耗為：輸出最大功率時每只管子的管耗為PT1(Uom≈Vcc)=0.137PomOCL放大電路（3）最大管耗可得，當時，三極管有最大管耗：要求最大值OCL放大電路6）效率結(jié)論：OCL電路效率較高

小結(jié)特點（乙類放大）：（1）靜態(tài)電流ICQ、IBQ等于零；（2）每管導通時間等于半個周期；（3）存在交越失真。交越失真產(chǎn)生的原因：由于晶體管特性存在非線性，ui<VT時晶體管截止。OCL放大電路謝謝！OTL放大電路主講：蔣小輝OTL放大電路引入課題1、OCL電路的優(yōu)點：

OCL電路具有低頻響應好，輸出功率大，電路便于集成等優(yōu)點，另外還具有電路結(jié)構(gòu)簡單，效率高等特點。

2、缺點：需要兩個獨立電源，使用和維修都不太方便。

為了克服這一缺點，可以采用單電源供電的互補對稱電路，只要在輸出接入隔直電容即可，這種電路通常稱為無輸出變壓器的功放電路，簡稱——OTL電路OTL放大電路1.OTL功放電路組成0.5VCCRLviVT1VT2+VCCCAUL+-VE=0.5VCCE（1）基本電路形式：如右圖所示（2）特點（1）

由NPN型、PNP型三極管構(gòu)成兩個對稱的射

極輸出器對接而成。（2）

單電源供電。（3）

輸出加有大電容。——耦合、副電源OTL放大電路2.OTL功放電路靜態(tài)分析0.5VCCRLuiVT1VT2+VCCCAUL+-uoE而VT1、VT2特性對稱，電路在靜態(tài)設(shè)置時，前一級放大電路的輸出應使：VA=VCC/2OTL放大電路輸入端在0.5VCC直流電平基礎(chǔ)上加入正弦信號。注意：①若輸出電容足夠大，

VE基本保持在0.5VCC

，負載上得到的交流信號正負半周對稱，但存在交越失真。②輸出電壓uo的最大幅值約為VCC/2T1導通、T2截止T1截止、T2導通ic1ic2交越失真0.5VCCuituiRLT1T2+VCCEAuL+-3.OTL功放電路動態(tài)分析OTL放大電路（1）輸出功率及最大輸出功率Pom4.OTL功放輸出功率及效率uLUOmaxuitt當輸入信號足夠大時，Ucem=VCC/2—UCE(sat)≈VCC/2，則OTL放大電路（2）直流電源供給功率PV4.OTL功放輸出功率及效率根據(jù)富氏級數(shù)分解，周期性半波電流的平均值Iav＝Icm/π，因此電源供給的直流功率為

OTL放大電路（3）管耗PC（平均管耗）

由于V1、V2各導通半個周期，且兩管對稱，故兩管的管耗相同，每只管子的平均管耗為4.OTL功放輸出功率及效率OTL放大電路（4）管耗PC（最大管耗）4.OTL功放輸出功率及效率令即

時為最大管耗每只管子的管耗為OTL放大電路4.OTL功放輸出功率及效率（5）OTL功放的效率小結(jié)（1）OTL功放電路是利用大電容的儲能作用，來充當另一組電源－Vcc；（2）OTL電路與OCL電路相比，每個管子實際工作電源電壓不是VCC，而是VCC/2，故計算OTL電路的主要性能指標時，將OCL電路計算公式中的參數(shù)VCC全部改為VCC/2即可。OTL放大電路謝謝！BTL電路主講：蔣小輝BTL放大電路引入課題

BTL(Balancedtransformerless)

BTL功率放大器又稱為橋式功率放大器，功率放大器的輸出級與負載間采用電橋式的連接方式，主要解決OCL、OTL功放效率雖高，但電源利用率不高的問題。

BTL電路1.BTL電路組成BTL電路是由兩組對稱的互補電路組成，它們分別由相位相反的輸入信號ui1和ui2激勵，ui1和ui2是由前級倒相電路提供的，負載RL則接在兩個互補電路的輸出端之間。BTL電路1.BTL電路原理輸入端加入正弦信號時當輸入信號ui1，ui2的相位差1800。當ui1輸入信號正半周，ui2為負半周，三極管VT1和VT4導通，VT2和VT3截止。由于對稱，兩個互補電路的輸出信號uo1上升多少，uo2就下降多少，于是有電流ic1自左至右流過負載。uit靜態(tài)時，電橋平衡，負載接在兩輸出端之間，因此ui=0，uO=0BTL電路1.BTL電路原理輸入端加入正弦信號時當ui1為負半周時，ui2為正半周，三極管VT2和VT3導通，VT1和VT4截止，于是有電流ic2自右至左流過負載，由于ic1與ic2方向相反，因此在RL就得到完整的輸出信號。uit靜態(tài)時，電橋平衡，負載接在兩輸出端之間，因此ui=0，uO=0BTL電路1.BTL電路原理綜上所述

在負載RL上的輸出電壓為：BTL電路1.BTL電路組成BTL電路的輸出電壓等于OTL（OCL）電路輸出電壓的2倍，在ui和RL相同條件下，輸出功率可增大為4倍。此外，BTL電路在單電源供電時，負載上得到最高電壓經(jīng)為VCC（雙電源供電則2VCC），即輸出電壓的最大幅值約為VCC（雙電源供電則2VCC），也為OTL或OCL電路的2倍。因此，最大輸出功率Pom也增大為后者的4倍。小結(jié)（1）在單電源的情況下，BTL可以不用輸出電容，電源的利用率為一般單端推挽電路的兩倍，適用于電源電壓低而需要獲得較大輸出功率的場合，在新型的集成功放電路中應用比較廣泛。（2）BTL電路的不中之處是需要一個倒相的前置級電路，且其負載是浮地的（沒有接地點）。BTL電路謝謝！TDA2030集成功率放大電路主講：蔣小輝TDA2030集成功率放大電路引入課題TDA2030是音頻功放電路，采用V型5腳單列直插式塑料封裝結(jié)構(gòu)。如圖所示，該集成電路廣泛應用于汽車立體功放、中功率音響設(shè)備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點。很多公司均有同類產(chǎn)品生產(chǎn)，雖然其內(nèi)部電路略有差異，但引出腳位置及功能均相同，可以互換。

TDA2030集成功率放大電路1.TDA2030介紹TDA2030與其它功放相比：它的引腳和外部元件都較少，同時電器性能穩(wěn)定，并在內(nèi)部集成了過載和熱切斷保護電路，能適應長時間連續(xù)工作，由于其金屬外殼與負電源引腳相連，因而在單電源使用時，金屬外殼可直接固定在散熱片上并與地線（金屬機箱）相接，無需絕緣，使用很方便。

2.TDA2030外形管腳及排列圖TDA2030集成功率放大電路電源電壓VCC：±3~±18V；輸出峰值電流：3.5A；輸入電阻：>0.5MΩ；

靜態(tài)電流：<60mA（測試條件：VCC=±18V）；

電壓增益：30dB；頻響帶寬（BW）：0~140kHz；在電源為±15V、RL=4Ω時，輸出功率為14W。3.TDA2030主要性能參數(shù)TDA2030使用于收錄機和有源音箱中，作音頻功率放大器，也可作其它電子設(shè)備中的功率放大。因其內(nèi)部采用的是直接耦合，也可以作直流放大。其主要性能參數(shù)如下：TDA2030集成功率放大電路①⑤4.判斷TDA2030性能參數(shù)是否正常TDA2030集成功率放大電路1）電阻法

正常情況下TDA2030各腳對③腳阻值見下表

TDA2030集成功率放大電路2）電壓法

將TDA2030接成OTL電路，去掉負載，①腳用電容對地交流短路，然后將電源電壓從0至36V逐漸升高，用萬用表測電源電壓和④腳對地電壓，若TDA2030性能完好，④腳電壓應始終為電源電壓的一半。否則說明該芯片為偽品或殘次品。說明電路內(nèi)部對稱性差，用作功率放大器將產(chǎn)生失真。4.判斷TDA2030性能參數(shù)是否正常5.TDA2030實用電路TDA2030A構(gòu)成的OCL功放電路。信號由同相端輸入，R2、R3、C2構(gòu)成交流電壓串聯(lián)負反饋，用以穩(wěn)定輸出電壓和提供輸入電阻，閉環(huán)增益由下式估算。TDA2030接成OCL（雙電源）典型應用電路如圖TDA2030集成功率放大電路5.TDA2030實用電路為了保持兩輸入端直流電阻平衡，選擇R1=R3。C5、C6為電源低頻去耦電容，用以減少電源內(nèi)阻交流信號的影響。C3、C4為電源高頻去耦電容。R4與C7組成容性負載，用以抵消喇叭音圈電感的部分感性。為防止輸出電壓過大，可在輸出端④腳與正、負電源接一反偏二極管組成輸出電壓限幅電路。

TDA2030接成OCL（雙電源）典型應用電路如圖TDA2030集成功率放大電路小結(jié)（1）TDA2030它的引腳和外部元件都較少，性能穩(wěn)定，內(nèi)部集成了過載和熱切斷保護電路，能適應長時間連續(xù)工作，使用很方便。（2）集成功率放大器廣泛應用于電視機、各種音響設(shè)備，開關(guān)功率電路、伺服放大電路中，輸出功率由幾百毫瓦到幾十瓦。（3）為保證功率放大電路的安全工作，必須合理選擇器件，增強功率管的散熱效果，防止二次擊穿并根據(jù)需要選擇保護電路。TDA2030集成功率放大電路謝謝！LM386、1875集成功率放大電路主講：蔣小輝LM386集成功率放大電路1.LM386芯片簡介LM386是音頻功率放大器，主要應用于低電壓消費類產(chǎn)品。為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值,直至200。在6V電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為24mW，使得LM386特別適用于電池供電的場合。

2.LM386引腳功能引腳1234功能增益調(diào)節(jié)反相輸入同相輸入接地引腳5678功能輸出電源去耦增益調(diào)節(jié)

（a)外形圖

（b)管腳排列圖LM386廣泛應用于收音機、對講機和信號發(fā)生器中；LM386采用8腳雙列直插式塑料封裝。LM386集成功率放大電路3.LM386內(nèi)部結(jié)構(gòu)LM386有兩個信號輸入端2腳：反相輸入端3腳：同相輸入端7腳去耦1、8腳增益調(diào)節(jié)LM386集成功率放大電路4.LM386應用電路用LM386組成的OTL功放電路如圖所示，信號從3腳同相輸入端輸入，從5腳經(jīng)耦合電容(220μF)輸出。LM386集成功率放大電路5.LM1875芯片簡介LM1875廣泛用于汽車立體收錄機、中功率音響設(shè)備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點。它形如一只中功率管，外圍電路簡單。該集成電路設(shè)有過載過熱及感性負載反向電勢安全工作保護，是中高檔音響的理想選擇之一。

LM1875集成功率放大電路6.LM1875引腳功能引腳1234功能同相輸入端反相輸入端負電源端輸出端引腳5———功能正電源端———

（a)外形圖

（b)管腳排列圖LM1875采用TO-220-5五針腳封裝。LM1875集成功率放大電路7.LM1875的主要技術(shù)參數(shù)單電壓：15～60V，或±30V工作電壓：±25V靜態(tài)電流：50mA輸出功率：30W諧波失真：＜0.015%（f=1kHz，RL=8Ω，Po=20W）額定增益：26dB（當f=1kHz時）LM1875集成功率放大電路8.LM1875應用電路用LM1875組成的雙電源功放電路，信號從1腳同相輸入端輸入。LM1875集成功率放大電路小結(jié)（1）TDA386具有自身功耗低、更新內(nèi)鏈增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點，廣泛應用于錄音機和收音機之中。（2）LM1875形如一只中功率管，體積小巧，外圍電路簡單，且輸出功率較大，該集成電路內(nèi)部設(shè)有過載、過熱及感性負載反向電勢安全工作保護?？傊晒Ψ磐ㄟ^改變外接電阻，可方便地改變其增益，具有體積小、外接元件少等優(yōu)點，得到廣泛應用。LM386、1875集成功率放大電路謝謝！功放管的安全使用功放管的安全使用1．功放管的安全使用介紹在功放電路中功放管是在接近極限參數(shù)的高電壓狀態(tài)下工作的功率管，由于設(shè)計不當或使用條件的變化而易損壞。因此，在功率放大實用電路中，應采用保護措施以保證功放管的安全運行。①⑤功放管的安全使用2．功放管的二次擊穿及其保護當三極管集電結(jié)上的反偏電壓過大時，三極管將被擊穿，這時集電極電流迅速增大，出現(xiàn)一次擊穿，且IB越大擊穿電壓越低，稱為“一次擊穿”。如圖中曲線AB段所示，A點就是一次擊穿點。這時只要外電路限制擊穿后的電流，使管子的功耗不超過額定值，就不會造成管子的損壞，因此一次擊穿是可逆的。功放管的安全使用2．功放管的二次擊穿及其保護三極管一次擊穿后集電極電流會驟然增大，若電流不加限制，則它的靜態(tài)工作點增大到臨界點（如圖中B點）時，三極管的工作點以毫秒乃至微秒級高速移向C點，這時三極管的管壓降uCE突然減小，電流iC急劇增大。如圖中的BD段，稱之為二次擊穿。二次擊穿是不可逆的，經(jīng)二次擊穿后，性能明顯下降，甚至造成永久性損壞。二次擊穿后，功放管的安全工作范圍將變小，它除了受ICM、PCM和U(BR)CEO的限制外，還要受二次擊穿臨界線的限制，安全工作區(qū)如圖所示。為了保證功放管安全工作，應注意在設(shè)計電路時，要使功放管工作在安全區(qū)域內(nèi)，而且還應留有一定的余量，同時，要有良好的散熱條件。功放管的安全使用2．功放管的二次擊穿及其保護3.功放管的散熱功放管損壞的重要原因是實際功率超過額定功耗PCM。三極管的耗散功率取決于內(nèi)部的PN結(jié)（主要是集電結(jié)）溫度Tj，當Tj超過手冊中規(guī)定的最高允許結(jié)溫TjM時，集電極電流將急劇增大而使管子損壞，這種現(xiàn)象稱為“熱擊穿”或“熱崩”。硅管的允許結(jié)溫值為120～180℃，鍺管允許結(jié)溫為85℃左右。功放管的安全使用3.功放管的散熱功率管極限功耗的大小與管子環(huán)境溫度、散熱途徑和散熱狀況有關(guān)。功率管正常工作時，它的集電結(jié)向周圍空間散發(fā)熱量所遇到的阻力，稱為熱阻Rth。Rth越小，表示管子集電結(jié)的熱量越容易散發(fā)出去。熱阻的單位為℃/W，其物理意義為集電極每耗散1W的功率所引起結(jié)溫升高的度數(shù)。它類似于電流流過導體時，存在電阻對電流阻力。功放管的安全使用3.功放管的散熱因集電結(jié)耗散功率PC引起結(jié)溫升高至Tj而產(chǎn)生的熱量，首先由集電結(jié)傳導至管殼，使管殼溫度升到Tc，其熱阻為R(th)jc，然后由管殼以輻射和對流的形式將熱量散發(fā)到環(huán)境溫度為Ta的環(huán)境A中，其熱阻為R(th)ca。要想使散熱過程能順利進行，需滿足條