《模擬電子技術(shù) 》課件項目5 功率放大電路

項目5功率放大電路

掌握功率放大器的技術(shù)指標(biāo)掌握互補對稱功率放大電路的工作原理，并能進行功率估算。熟悉常用集成功率放大器的型號和特性。掌握集成功率放大器的典型應(yīng)用。學(xué)習(xí)目標(biāo)能識別常見集成功率放大器。能正確識別集成功放，知曉集成功放的用途。能按照電路正確連接使用集成功放。技能目標(biāo)【任務(wù)5.1】功率放大器任務(wù)目標(biāo)◆了解功率放大器的特點及分類?！羰煜ひ翌惢パa對稱功率放大電路的組成、分析計算?！羰煜ぜ滓翌惢パa對稱功放電路的工作原理及計算。工作任務(wù)◆會安裝功放電路，并能正確調(diào)試和測試?！魰_選擇功放管。5.1.1功率放大電路的特點和分類前面章節(jié)中我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了電壓放大，它的主要技術(shù)指標(biāo)有電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻等，輸入信號為小信號。而在電子電路設(shè)備的輸出級末級一般都要將講信號放大到足夠的能量以驅(qū)動不同類型的負(fù)載，如我們所熟悉的收音機電路的輸出級末級需要一定的能量來驅(qū)動揚聲器使之發(fā)出聲音。我們將輸出級中能向負(fù)載提供一定能量的放大電路稱為功率放大器，簡稱功放。從能量控制裝換的角度來看，功率放大電路與前面介紹過的電壓放大電路都是能量控制電路，只是它他們各自完成的任務(wù)不同而已。一、功率放大電路的特點由于功率放大器主要任務(wù)是提供給負(fù)載比較大的輸出功率，所以相對于前面介紹的電壓放大電路相比具有如下特點：（1）輸出功率（PO）要足夠大輸出功率PO是指交變電壓和交變電流的乘積，也就是交流功率。功率放大器的主要任務(wù)是在具有一定的失真（或失真盡可能小）的情況下向負(fù)載提供充足的輸出功率，以驅(qū)動負(fù)載。也就是說輸出信號中不僅要求電壓幅值要大，電流幅值也要大，而且要盡可能失真小。因此，功率放大器中的三極管往往工作在接近極限參數(shù)的狀態(tài)下。若令經(jīng)過某功率放大電路后的輸出信號的表達式為

則輸出功率PO表達式為（5-1）上式中

分別表示在負(fù)載RL上的輸出電壓和輸出電流的振幅，

分別表示輸出電壓、輸出電流的有效值。在實際使用中，我們盡可能的希望在負(fù)載上得到最大的輸出功率，但同時在得到最大輸出功率的同時電路內(nèi)部消耗和電源提供的能量也大，所以在選用功放時，也要考慮轉(zhuǎn)換效率和散熱的問題。（2）轉(zhuǎn)換效率（η）要高功率放大器輸出端的交流功率實質(zhì)將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成交流信號而得到的。如果功率放大器的效率不高，不僅造成能量的浪費，而且消耗在電路內(nèi)部的功率將轉(zhuǎn)換為熱量，使某些元器件和三極管損壞。故此，引入轉(zhuǎn)換效率η來定量反映功率放大電路能量轉(zhuǎn)換效率的高低。功率放大電路的效率η定義為（5-2）上式中POｍ為信號的最大輸出功率；PV為直流電源向電路提供的直流功率。效率η反映了功率放大器把電源的直流功率轉(zhuǎn)換成輸出交流信號功率的能力。效率越高，轉(zhuǎn)換能力越強。（3）非線性失真（non-lineardistortion)要小由于三極管是非線性器件,且功率放大器一般置于電路的末級，所以功放三極管均處在在大信號工作狀態(tài)下,加之三極管器件本身的非線性問題,因而在輸出信號不可避免地會產(chǎn)生一定的非線性失真。諧波成分愈大,表明非線性失真愈大,通常用非線性失真系數(shù)γ表示,它等于諧波總量和基波成分之比，通常情況下,輸出功率愈大,非線性失真就愈嚴(yán)重。因此，對于功率放大器來講，在保證最大輸出功率的同時，盡可能減小其非線性失真，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的要求將輸出功率限制在規(guī)定的失真度范圍之內(nèi)。（4）散熱要好在功率放大電路中，電源提供的直流功率，一部分轉(zhuǎn)換為負(fù)載的有用功率，而另一部分則消耗在功率管上，使功放管發(fā)熱，導(dǎo)致功放管性能變差，甚至?xí)龎?。為了使功放管輸出足夠大的功率，又保證其安全可靠地工作，大部分的功放管都需要額外安裝散熱片來加以保護。綜上所述，對于功率放大電路，要求其輸出波形失真要盡可能的小，效率盡可能的高，同時在功率三極管安全的前提下，輸出功率盡可能的高。二、功率放大電路的分類功率放大電路的電路形式很多，可根據(jù)不同的方面進行劃分。1.按放大信號頻率可分為低頻功率放大器（簡稱低放）和高頻功率放大器（簡稱高放）。低放主要用于放大音頻信號(幾十Hz～幾十kHz),如揚聲器發(fā)出的聲音等；高放主要用于放大射頻信號(幾百kHz～幾千kHz甚至幾萬MHz)，如手機信號塔，廣播電視臺發(fā)射的信號等。高放在本課程不做介紹。2.按導(dǎo)通角所謂導(dǎo)通角，亦即導(dǎo)通時間，是指信號在一個周期內(nèi)使得功放管導(dǎo)通的時間或角度。功率放大器按照導(dǎo)通角可分為甲類、乙類、甲乙類和丙類等四種。圖5.1.1功率放大器分類

（a）甲類

（b）乙類

（c）甲乙類

（d）丙類分類

以共射極放大電路為例。甲類功率放大器的特征是靜態(tài)工作點Q設(shè)在放大區(qū)的中部，在輸入信號的整個周期內(nèi),三極管都導(dǎo)通,即導(dǎo)通角2θ=360o（θ=180o稱為通角），如圖5.1.1（a）所示；乙類功率放大器的靜態(tài)工作點設(shè)置在截止區(qū)，在輸入信號的整個周期內(nèi),三極管僅在半個周期內(nèi)導(dǎo)通,即導(dǎo)通角2θ=180o（θ=90o），如圖5.1.1（b）所示；甲乙類功率放大器是介于甲類和乙類放大器之間，在輸入信號的整個周期內(nèi),三極管在大半個周期內(nèi)導(dǎo)通,即導(dǎo)通角180o

﹤2θ﹤360o（90o﹤θ﹤180o），如圖5.1.1（c）所示；丙類功率放大器的特征是在輸入信號的整個周期內(nèi),三極管在小半個周期內(nèi)導(dǎo)通,即導(dǎo)通角0o

﹤2θ﹤180o（0o﹤θ﹤90o），如圖5.1.1（d）所示。3．按構(gòu)成器件分為分立元器件功率放大器和集成功率放大器。分立元器件功放調(diào)試比較復(fù)雜，容易受到外界干擾；而集成功放則使用方便，調(diào)試簡單，應(yīng)用廣泛。4．按電路結(jié)構(gòu)分為單管功率放大器，變壓器耦合推挽功率放大電路和互補式無變壓器耦合的對稱功率放器大器。單管功率放大器的效率低，變壓器耦合推挽功放體積大，干擾較高，不容易集成，因此兩者的使用受到一定的限制?；パa式無變壓器耦合的對稱功率放大器具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，易于集成的特點，因而得到廣泛應(yīng)用?；パa式無變壓器耦合的對稱功率放大器常見的有OTL和OCL兩種形式。5.1.1互補對稱功率放大電路互補對稱功率放大電路是互補式無變壓器耦合的對稱功率放大器的簡稱，它常見的形式有雙電源互補對稱功率放大電路OCL（OutputCapacitorless無輸出電容）和單電源互補對稱功率放大電路OTL（OutputTransformerless無輸出變壓器）。一、雙電源互補對稱功率放大電路OCL雙電源互補對稱功率放大電路OCL如圖5.1.2所示，圖中VT1為NPN型三極管,VT2為PNP型三極管。VT1、VT2的基極和發(fā)射極分別連接在一起，輸入信號ui（正弦信號）從兩個管子的共基極輸入，輸出信號uo從兩個管子的共射極輸出，RL為負(fù)載電阻。很明顯，OCL實際上是兩個射極輸出器的組合。為保證工作狀態(tài)良好，要求電路具有良好的對稱性，即VT1和VT2管特性對稱，且正負(fù)+Vcc和負(fù)電源－Vcc也對稱。當(dāng)ui＝0時，偏置為零，也就是說VT1、VT2工作在乙類工作狀態(tài)。在圖5.1.2所示的OCL電路中，當(dāng)ui＝0（靜態(tài)）時，由于VT1和VT2均無偏置，因此兩個管子均為處在截止?fàn)顟B(tài)，輸出uo＝0。圖5.1.2

OTL電路

圖5.1.3

OTL電路圖解

當(dāng)ui﹥0時，在輸入信號ui的正半周，假設(shè)為上正下負(fù)，VT1和VT2的共基極電壓升高，VT1此時為正向偏置導(dǎo)通，VT2此時為反向偏置截止。所以VT1的集電極電流iC1從電源+Vcc經(jīng)VT1的集電極流向發(fā)射極再流經(jīng)負(fù)載RL到公共端，RL上得到被放大了的負(fù)半周信號，此時輸出電壓uo﹤0為圖5.1.3所示的前半周期。當(dāng)ui﹤0時，在輸入信號ui的負(fù)半周，即為上負(fù)下正，VT1和VT2的共基極電壓降低，VT1此時為反向偏置截止，VT２此時為正向偏置導(dǎo)通。所以VT２的集電極電流iC1從公共端經(jīng)負(fù)載RL流向VT1的發(fā)射極電極再流到負(fù)電源－Vcc，RL上得到被放大了的正半周信號，此時輸出電壓uo﹥0，為圖5.1.３所示的后半周期。由上可見，在輸入信號ui變化的一個周期內(nèi)，VT1和VT2分別放大信號的正、負(fù)半周，使負(fù)載RL上獲得一個周期的完整的正弦波形uo。由于電路中的VT1和VT2交替工作，我們把這種交替工作的方式也稱為推挽工作狀態(tài)，又兩個管子為乙類工作狀態(tài)，所以把這種電路稱為乙類推挽功率放大器。2．性能指標(biāo)估算1）輸出功率PO由圖5.1.3可知輸出功率PO為當(dāng)考慮功放管的飽和壓降Uces時，則功放電路輸出電壓的最大幅值為Uceｍ＝Vcc－Uces，此時輸出功率為最大不失真輸出功率POｍ（9－3）（9－4）當(dāng)做估算時，即理想狀態(tài)下，Uces＝0，則有（9－5）2）效率η由式（5-2）可知，要求出功放的效率η，先要求出電源供給的功率PV。在乙類互補推挽功率放大電路中，兩個功放管是交替工作，每個功放管的集電極電流的波形如圖5.1.4所示，則其平均值ＩＡV為（9－6）圖5.1.3

OTL電路圖解（9－7）（9－8）由于上面的平均值ＩＡV是單個電源提供的，因此在一周期內(nèi)的平均電流為兩個電源提供的總功率PV為將式（9－5）和式（9－7）帶入式（9－2），可得到乙類互補推挽功率放大器在理想狀態(tài)下的效率為3）管耗PT根據(jù)能量守恒可知，每個管子的管耗為：（9－9）（9－10）（9－11）將式（9－9）兩邊同時對Ｕｃｅｍ求導(dǎo)數(shù)，并令其為零，可得到：Ucem＝2Vcc/π≈0.64Vcc，管耗最大，可見最大管耗，并不發(fā)生在輸出最大時，而是發(fā)生在Ucem≈0.64Vcc處，代入（9－9）式可得到每個管子的最大管耗為將PＴｍ與理想狀態(tài)下（Uces=0）的最大不失真輸出功率POｍ聯(lián)立可求得（9－12）上式表明，最大管耗的功率約為最大不失真（Uces=0）輸出功率POｍ的0.4倍。也就是說最大管耗出現(xiàn)并不是輸出功率最大時，而是發(fā)生在輸出功率為0.4POｍ時。從以上分析可知，若想得到預(yù)期的最大輸出功率，則功放管的選擇需滿足以下原則：（１）每個功放管的最大允許管耗PＴｍ≥0.2POｍ。（２）功放管集電極和發(fā)射極的最大電壓UCEO≥2Vcc。（３）功放管的最大集電極電流ＩＣＭ≥Ｉom，以保護功放管?！纠?.1.1】在圖5.1.2所示的電路中，已知：+Vcc=-VCC=12V，RL=8

，在理想狀態(tài)下（Uces=0），求POｍ以及此時的PTｍ、PV，及效率η，并選管。解：在理想狀態(tài)下（Uces=0），由式（5-5）得由式（5-7）得由式（5-12）得功放管的選擇只需滿足UCEO≥2ＶＣＣ=2×12=24V，PＴｍ≥0.2POｍ=2×1.8=3.6W，ＩＣＭ≥Ｉom=ＶＣＣ/RL=12/8=1.5A即可。3．交越失真在圖5.1.3的分析中，我們將三極管特性曲線折線化處理，而實際功放管的特性曲線為非線性，且發(fā)射結(jié)上存在著導(dǎo)通壓降，在輸入電壓小于導(dǎo)通壓降時，功放管截止，輸出為零。在輸出波形正負(fù)半周的交界處將造成波形失真，如圖5.1.5所示。由于這種失真出現(xiàn)在通過零值處，故稱為交越失真。圖5.1.5交越失真

圖5.1.6消除交越失真電路二、單電源互補對稱功率放大電路

雙電源互補對稱功率放大電路需要兩個正負(fù)兩個電源為其提供能量，在實際中有時使用起來極不方便，而且資源比較浪費。實際應(yīng)用中，常采用單電源供電的互補對稱功率放大器。如圖5.17所示，其中VT1為前置放大。和甲乙類OCL電路相比，此處僅用了一個正電源+VCC，功放管VT1和VT3兩管的發(fā)射極通過一個大電容C接到負(fù)載RL上。只要適當(dāng)選擇R1、R2和RE的數(shù)值，二極管Ｄ１、Ｄ２提供基極偏置電壓，使放管VT1和VT3工作在甲乙類狀態(tài)。使其工作在甲乙類狀態(tài)。靜態(tài)時(ui=0)，由于輸出功放管對稱性，兩管的共發(fā)射極處的電位為VCC/2，電容C被充電至VCC/2。由于電容C的隔直作用，RL上無電流流過，輸出電壓uO=0。

工作過程如下:當(dāng)ui>0時，VT2管導(dǎo)通，電流如圖中iC2所示，VCC通過VT2和RL對C進行充電；當(dāng)ui<0時，VT3管導(dǎo)通，電流如圖中iC3所示，C通過VT3和RL進行放電；這樣在一個周期內(nèi)，通過電容C的充、放電，在負(fù)載上得到完整的電壓波形。從單電源互補對稱功率放大電路的工作原理可以得出，電容的放電起到了負(fù)電源的作用，從而相當(dāng)于雙電源工作。只是輸出電壓的幅度減少了一半，因此，最大輸出功率、效率也都相圖5.17

OTL電路知識拓展

功率放大電路要求輸出功率越大越好，也就是其輸出電流也要非常大。而一般功率管的電流放大倍數(shù)不是很大，為了得到較大的輸出電流，往往利用復(fù)合管來實現(xiàn)這一目標(biāo)。而且在OTL電路中，要使輸出信號的正負(fù)半周對稱，就要求NPN與PNP兩個互補管的特性基本一致。一般小功率管容易配對，但是大功率管就非常困難。也常用復(fù)合管得以實現(xiàn)，組成互補對稱功率放大電路。所謂復(fù)合管就是將兩個或兩個以上的功放管采用一定的連接方式，以實現(xiàn)電流放大作用或互補管一致性的要求，最為一個管子使用。具體的連接如圖5.1.8所示。圖5.1.8復(fù)合管

（1）復(fù)合管的組成原則為：①要確保兩只管子的各電極電流都能按正常的方向流通。②前管的集電極、發(fā)射極只能與后管的基極、集電極極連接。（2）復(fù)合管的三個特點①復(fù)合管的電流放大系數(shù)近似為各個管的放大系數(shù)之積。②復(fù)合管的管型取決于第一個管子的管型。上式表明，最大管耗的功率約為最大不失真（Uces=0）輸出功率POｍ的0.4倍。也就是說最大管耗出現(xiàn)并不是輸出功率最大時，而是發(fā)生在輸出功率為0.4POｍ時。從以上分析可知，若想得到預(yù)期的最大輸出功率，則功放管的選擇需滿足以下原則：（１）每個功放管的最大允許管耗PＴｍ≥0.2POｍ。（２）功放管集電極和發(fā)射極的最大電壓UCEO≥2Vcc。（３）功放管的最大集電極電流ＩＣＭ≥Ｉom，以保護功放管?！纠?.1.1】在圖5.1.2所示的電路中，已知：+Vcc=-VCC=12V，RL=8

，在理想狀態(tài)下（Uces=0），求POｍ以及此時的PTｍ、PV，及效率η，并選管。解：在理想狀態(tài)下（Uces=0），由式（5-5）得技能訓(xùn)練---乙類和甲乙類互補對稱電路的測試

訓(xùn)練電路按圖5.1.9所示搭建乙類和甲乙類互補對稱仿真電路。ui=0，測量兩管集電極靜態(tài)工作電流，并記錄：IC1=

，IC2=

。結(jié)論：互補對稱電路的靜態(tài)功耗_____（a.為零b.較大）。②改變ui，使其fi=1kHz，Uim=10V，用示波器同時觀察ui,uo的波形，并記錄波形。結(jié)論：互補對稱電路的輸出波形____（a.不失真b.失真）。③不接VT2，用示波器同時觀察ui,uo的波形，并記錄波形。結(jié)論：晶體管VT1基本工作在_____（a.甲類b.乙類）狀態(tài)。④不接VT1，接入VT2，用示波器同時觀察ui,uo波形，并記錄波形。⑤再接入VT1，用示波器測量uo幅度Uom，計算輸出功率Po并記錄：Po=___。⑥用萬用表測量電源提供的平均直流電流I0值，計算電源提供功率PV、管耗PT和效率

，并記錄：PT=___，

=___。圖5.1.9乙類、甲乙互補對稱電路仿真測試

結(jié)論：互補對稱電路相對于甲類放大電路，其效率_________（a.較高b.較低）。⑦在甲乙類互補對稱電路中，使其fi=1kHz，Uim=1V，用示波器同時觀察ui,uo的波形，并記錄波形。結(jié)果表明，甲乙類單電源互補對稱電路_（a.可以b.不可以）實現(xiàn)正常放大，但其不失真輸出動態(tài)范圍與甲乙類雙電源互補對稱電路相比

（a.小b.接近c.大）?！救蝿?wù)5.2】集成功率放大器及其應(yīng)用任務(wù)目標(biāo)◆熟悉常用集成功率放大器的型號和特性?！粽莆占晒β史糯笃鞯牡湫蛻?yīng)用。工作任務(wù)

◆熟悉幾種常用集成功放的組成和使用方法由于集成功率放大器具有使用方便，成本不高，體積小，重量輕等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用在收音機、錄音機、電視機，直流伺服電路等功率放大中。當(dāng)前國內(nèi)、外的集成功率放大器已有多種型號的產(chǎn)品。它們都具有體積小，工作穩(wěn)定，易于安裝和調(diào)試等特點。對于使用者來說，只要熟悉其外部特性和掌握了其外部線路的正確連接方法，就能方便地使用它們。5.1.1集成功率放大器介紹一、TDA2030集成功率放大器TDA2030的電器性能穩(wěn)定，并在內(nèi)部集成了過載和熱切斷保護電路，能適應(yīng)長時間連續(xù)工作，由于其金屬外殼與負(fù)電源引腳相連，所以在單電源使用時，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。圖5.2.1所示為TDA2030及其制作的功放模塊。由于功率放大器主要任務(wù)是提供給負(fù)載比較大的輸出功率，所以相對于前面介紹的電壓放大電路相比具有如下特點：TDA2030主要性能參數(shù)如下：電源電壓：±3～±18V輸出峰值電流：3.5A

輸入電阻：>0.5MΩ靜態(tài)電流：<60mA電壓增益：30dB頻響：0～140kHzTDA2030外引腳的排列如圖5.2.2所示。其中管腳1為反相輸入端，管腳2為同相輸入端，管腳3為輸出端，管腳4、5分別為負(fù)、正電源接入端。TDA2030集成功放的典型應(yīng)用如圖5.2.3所示。輸入信號ui由同相端輸入，R1、R2、C2構(gòu)成交流電壓串聯(lián)負(fù)反饋，因此，閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：Auf=1+R1/R2=33圖5.2.1

TDA2030功放模塊圖5.2.2

TDA2030引腳的排列

圖5.2.3TDA2030構(gòu)成的OCL電路為了保持兩輸入端直流電阻平衡，使輸入級偏置電流相等，選擇R3=R1。VD1、VD2起保護作用，用來釋放RL產(chǎn)生的感生電壓，將輸出端的最大電壓鉗位于（VCC+0.7V）和（VCC–0.7V）上。C3、C4為“去耦電容”，用于減少電源內(nèi)阻對交流信號的影響。C1、C2為耦合電容。2.LM386集成功率放大電路LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低，電壓增益可調(diào)，電源電壓范圍大，外接元件少等優(yōu)點。主要應(yīng)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。在腳1和腳8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。輸入端以地為參考，同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半。在6V電源電壓工作條件下，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。LM386的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。它的突出優(yōu)點是頻響寬，功耗低，電源電壓適應(yīng)范圍寬，外接元件很少。由于它能靈活地使用于許多場合，通常又稱為萬用放大器。圖5.2.4所示為LM386實物圖及其構(gòu)成功放模塊。圖5.2.4ＬＭ３８６及其構(gòu)成功放LM386主要性能參數(shù)如下：電源電壓：4~12V輸入電阻：50KΩ額定功率：600mW靜態(tài)電流：4mA電壓增益：26~46dB帶寬：300kHzLM386的外形和引腳排列如圖5.2.5所示。它采用8腳雙列直插式塑料封裝，其額定工作電壓范圍為4～16V；當(dāng)電源電壓為6V時，靜態(tài)工作電流為4mA，因而極適合用電池供電；腳1和8之間用外接電阻、電容元件來調(diào)整電路的電壓增益；電路的頻響范圍較寬，可達到300kHz；最大允許功耗為660mW，使用時不需散熱片；工作電壓為4V，負(fù)載電阻為4Ω時，輸出功率約300mW。圖5.2.5LM386的外形和引腳的排列

圖5.2.6所示的電路是集成功率放大器LM386的典型用法。C1為輸出電容，構(gòu)成ＯＴＬ電路?？烧{(diào)電位器RW可調(diào)節(jié)揚聲器的音量，R和C2串聯(lián)構(gòu)成校正網(wǎng)絡(luò)來完成頻率補償，抵消電感高頻的不良影響防止自激，R2用來改變電壓增益，C5為電源濾波電容，C