第三節(jié)音頻功率放大器

1、第七節(jié)：音頻功率放大器一、雙管乙類功率放大器的功能和問題如圖所示：1、能夠雙向輸出電流當(dāng)輸入信號(hào)為零的時(shí)候，電路的靜態(tài)工作電流為零。當(dāng)輸入信號(hào)正半周的時(shí)候，NPN三極管的基極和發(fā)射給處于正向偏置狀態(tài)而輸出正半周的電流。當(dāng)輸入信號(hào)負(fù)半周的時(shí)候，PNP三極管的基極和發(fā)射極處于正向偏置狀態(tài)而輸出負(fù)半周的電流。2、問題方面：會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的交越失真當(dāng)輸入正半周電壓從零開始向正的方向增加的時(shí)候，只有當(dāng)基極電壓增加到超過0.6V左右時(shí)，NPN三極管的基極與發(fā)射極之間才會(huì)導(dǎo)通，負(fù)載的電壓才能開始向正半周跟隨變化。當(dāng)輸入負(fù)半周從零開始向負(fù)的方向增加的時(shí)候，只有當(dāng)基極電壓電壓變化到超過0.6V左右時(shí)，PNP三極管的

2、基極與發(fā)射極之間才會(huì)導(dǎo)通，負(fù)載的電壓才能開始向負(fù)半周跟隨變化。輸出電壓產(chǎn)生了嚴(yán)重的交越失真，而且這種交越過程不連續(xù)的、存在信息缺失的失真是不可修復(fù)的。二、雙管甲乙類功率放大器的功能和問題 、電路結(jié)構(gòu)如圖所示：根據(jù)電路結(jié)構(gòu)，Rb1Z1和R2Z2串聯(lián)回路的b1和b2點(diǎn)分別為三極管A和B的基極提供了一個(gè)正向偏置電壓。兩個(gè)使三極管的基極電壓處與正常偏置狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)電壓上下波動(dòng)時(shí)，由于大容量電容C1和C2的作用，使兩個(gè)三極管基極的正向偏置電壓基本保持不變。、運(yùn)行原理如圖所示： a、當(dāng)輸入信號(hào)正半周的時(shí)候，兩個(gè)三極管的基極電壓在保持一個(gè)設(shè)定電壓差的情況下共同向上變化。由于兩個(gè)三極管都處于微小導(dǎo)通的狀態(tài)

3、，不像乙類放大器那樣存在一個(gè)0.7V左右的截止區(qū)。所以輸出端立刻就可以隨輸入信號(hào)的上升而上升。也正由于三極管此時(shí)處于微小導(dǎo)通的狀態(tài)，所以輸出端電壓的上升速率要小于輸入信號(hào)。隨著輸入信號(hào)的繼續(xù)上升，三極管A的導(dǎo)通電流越來越大，輸出電壓的上升速率越來越接近輸入信號(hào)。三極管B的導(dǎo)通電流越來越小，但不會(huì)完全截止。如圖中Qb1+和Qb2+的位置。 b、當(dāng)輸入信號(hào)負(fù)半周的時(shí)候，兩個(gè)三極管的基極電壓在保持一個(gè)設(shè)定電壓差的情況下共同向負(fù)極變化。與正半周的原理一樣，輸出端同樣立刻就可以隨輸入信號(hào)向負(fù)極變化。 同樣也由于三極管此時(shí)處于微小導(dǎo)通的狀態(tài)，所以輸出端電壓向負(fù)極變化的速率明顯小于輸入信號(hào)。隨著輸入信號(hào)的繼

4、續(xù)向負(fù)極變化，三極管B的導(dǎo)通電流越來越大，輸出電壓的向負(fù)極變化的速率越來越接近輸入信號(hào)。三極管A的導(dǎo)通電流越來越小，但不會(huì)完全截止（如圖B所示）。如圖中Qb1-和Qb2-的位置。c、由此可見，NPN和PNP三極管輸出電壓的交越過程是連續(xù)的，輸出信號(hào)電壓在接近零的區(qū)域與純乙類放大器相比不僅交越失真小得多，而且不存在信息的丟失。這種柔性的失真很容易用負(fù)反饋的方式予以糾正。d、用負(fù)反饋的方式予以糾正該類失真的辦法如圖所示：晶體管的溫度系數(shù)問題如圖所示： 二極管在正向?qū)妷阂欢ǖ那疤嵯拢驅(qū)娏髋c溫度成正比。 反過來，二極管在正向?qū)娏饕欢ǖ那疤嵯?，正向?qū)妷号c溫度成反比。 三極管的電流放大

5、倍數(shù)與溫度成正比。 這就使三極管的所謂正溫度系數(shù)。 三極管的輸出效率最高只能達(dá)到70%，所以電路在運(yùn)行中，三極管的溫度一定會(huì)升高。 根據(jù)三極管正溫度系數(shù)的原理: a、在三極管基極正向偏置電壓一定的情況下，溫度越高，三極管的值就越大，靜態(tài)工作電流就越大，就會(huì)使溫度上升得更多。 b、在三極管基極正向偏置電壓一定的情況下，溫度越高，基極靜態(tài)偏置電流就越大，集電極靜態(tài)偏置電流隨也就越大，又會(huì)使溫度上升得更多。 c、前兩個(gè)因素共同使三極管的溫度上升得更多，而上升得更多的溫度，又使三極管的B值更嚴(yán)重的增大、基極靜態(tài)偏置電流以及集電極靜態(tài)偏置電流也更嚴(yán)重的增大，從而進(jìn)一步使三極管的溫度更加嚴(yán)重的上升。如此惡

6、性循環(huán)，很快就會(huì)將三極管燒毀。音頻功率放大器所帶動(dòng)的揚(yáng)聲器的阻抗10歐姆，所以音頻功率放大器最首先要解決的是三極管的正溫度系數(shù)問題。第三節(jié)、溫度負(fù)反饋工作原理如圖所示： 將功率三極管與溫度補(bǔ)償二極管在工藝上組合成順利的熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。 如圖B所示：在理想熱傳導(dǎo)的條件下，當(dāng)功率三極管溫度上升的時(shí)候，熱量也傳導(dǎo)至溫度補(bǔ)償二極管。功率三極管的靜態(tài)偏置電流因溫度的升高而升高，因?yàn)楣β嗜龢O管的基極和發(fā)射極的PN節(jié)與溫度補(bǔ)償二極管具有同樣的性質(zhì)，所以也具有同樣的溫度系數(shù)。因此溫度補(bǔ)償二極管的正向?qū)妷阂驗(yàn)闇囟鹊纳叨玫酵认禂?shù)的降低。從而使功率三極管基極的靜態(tài)偏置電壓因溫度的升高而得到同等系數(shù)的降低，最

7、終使功率三極管的靜態(tài)工作電流回到不變的水平。然而，現(xiàn)實(shí)的條件總是不理想的，這種不理想使該電路存在的問題有：1、根據(jù)熱學(xué)原理，熱傳導(dǎo)系統(tǒng)總是存在熱阻的。功率三極管集電極的發(fā)熱點(diǎn)與溫度補(bǔ)償二極管之間存在著溫度梯度；也就是在發(fā)熱過程中，溫度補(bǔ)償二極管的溫度總是低于三極管的集電極發(fā)熱點(diǎn)。在降熱過程中，溫度補(bǔ)償二極管的溫度總是高于三極管的集電極發(fā)熱點(diǎn)。所以在放熱過程中，溫度補(bǔ)償二極管并不能及時(shí)足量地對功率三極管的基極偏置電壓進(jìn)行恰到好處地反向補(bǔ)償。 2、大功率三極管B值只有100左右，假設(shè)該電路輸出1A的電流，基極就必須得到10mA的輸入電流。這是能夠勝任音頻功率放大器推動(dòng)級(jí)工作的大部分運(yùn)算放大器所難以

8、勝任的負(fù)載能力。 解決問題的方案如圖所示： 1、功率三極管采用復(fù)合管結(jié)構(gòu)，使復(fù)合管的總體B值等于兩個(gè)三極管值的乘積。從而使推動(dòng)級(jí)運(yùn)算放大器的輸出電流負(fù)載能力減輕兩個(gè)數(shù)量級(jí)。 2、功率三極管采用復(fù)合管的結(jié)構(gòu)時(shí)候，復(fù)合管的基極與發(fā)射極正向電壓增加了一倍。溫度補(bǔ)償二極管也改為兩個(gè)二極管向串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，使偏置電壓與復(fù)合管的參數(shù)相適應(yīng)。 3、復(fù)合管的前一級(jí)三極管與功率三極管沒有熱傳導(dǎo)關(guān)系，因此基本不受功率三極管的溫度影響。 4、功率三極管與兩個(gè)溫度補(bǔ)償二極管一起在工藝上組成熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。因此功率三極管在發(fā)熱的時(shí)候，能同時(shí)使兩個(gè)溫度補(bǔ)償二極管受熱。雖然在發(fā)熱階段，溫度補(bǔ)償二極管溫度的升高滯后于功率三極管，但兩

9、個(gè)二極管因溫度升高而降低的正向?qū)妷旱牟钪抵蛥s大于一個(gè)功率三極管的基極電壓所降低的電壓差。如圖所示：從而使功率三極管的靜態(tài)工作電流隨著溫度的升高反而會(huì)略有下降。由此可見，這樣的電路結(jié)構(gòu)，能夠使功率輸出電路在整體上具有一個(gè)比較小的負(fù)溫度系數(shù)。從而保護(hù)功率三極管在大功率和大熱量運(yùn)行的條件下不被燒毀。第四節(jié)、音頻功率輸出部分電路具體方案如圖所示： a、推動(dòng)級(jí)運(yùn)算放大器與功率輸出電流組成了一個(gè)完整的深度負(fù)反饋體系。在輸出電壓有交越失真的區(qū)域內(nèi)，相當(dāng)于功率輸出級(jí)的電壓傳輸系數(shù)偏小。 b、設(shè)輸入信號(hào)為小信號(hào)正半周，推動(dòng)級(jí)運(yùn)算放大器的是反相輸入端電壓而升高，輸出電壓因此而下降；功率輸出端的電壓也因此而下

10、降。盡管功率輸出級(jí)此時(shí)的電壓傳輸系數(shù)偏小，但運(yùn)算放大器推動(dòng)級(jí)輸出端必須使功率輸出端的電壓達(dá)到UL=R2/R1才能使自己反相輸入端的電壓等于同相輸入端的電壓。由此可見，功率輸出級(jí)雖然存在不大的交越失真，但在深度負(fù)反饋的作用下，被得到精確糾正而符合高保真的要求。c、正向偏置恒壓電容的作用 假設(shè)輸入正半周信號(hào)接近電源電壓的時(shí)候，偏置電阻Rb1上的電壓就會(huì)變得很??；甚至有可能等于零，此時(shí)IRb1也就會(huì)變得很??；甚至有可能等于零。這種情況下，提供偏置電壓的二極管就不可能可靠的具有合適的正向?qū)妷?，電路就難以正常工作。 如果設(shè)置容量足夠大的正向偏置恒壓電容，在輸入信號(hào)波動(dòng)的時(shí)候，電容兩端的電壓則因?yàn)閮?chǔ)存

11、電荷的能力而基本保持不變。從而使偏置電阻Rb上的電壓即使降到零的時(shí)候，電容所貯存的電荷也能保證提供偏置電壓的二極管為是合適的正向?qū)ㄆ秒妷?。偏置恒壓電容的容量與功率輸出器的輸入阻抗之間的數(shù)量關(guān)系還決定了功率輸出級(jí)的低頻截止頻率。 3、電路參數(shù) a、功率放大器輸出級(jí)的輸入阻抗等于輸入偏置電阻的并聯(lián)值；與復(fù)合管組成的設(shè)計(jì)輸出線的輸入阻抗的并聯(lián)。如圖所示：輸入偏置電阻的并聯(lián)值很容易計(jì)算 b、復(fù)合管設(shè)計(jì)輸出器的輸入阻抗Zi=B1B2RL，約等于100*100*8歐姆=80K歐姆輸出器的輸出阻抗與輸出級(jí)輸出電流的瞬時(shí)值有關(guān)，在小信號(hào)輸出狀態(tài)下，輸出阻抗等于功率三極管發(fā)射極靜態(tài)偏置電流下的二級(jí)管導(dǎo)通動(dòng)態(tài)

12、阻抗，加上功率三極管積極之前電路系統(tǒng)的等效阻抗之和。第五節(jié)、音頻功率放大器的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1、負(fù)載參數(shù)和性質(zhì)的確定 2、最大輸出功率的確定a、最大輸出電壓的確定 因?yàn)槿龢O管必須工作在大于保和電壓的線性放大區(qū)，所以功率放大器的最大輸出電壓等于電源電壓減去復(fù)合管的飽和電壓 ULm=E-Uccb、最大輸出電流由兩個(gè)因素決定 第一個(gè)因素是最大輸出電壓與負(fù)載阻抗的關(guān)系，由歐姆定律決定。 第二個(gè)因素是功率三極管的電氣特性，它有無歐姆定律所決定的最大輸出電流的能力。 c、最大輸出電壓和最大輸出電流決定了最大的輸出功率W=UmIm/2。d、功率輸出級(jí)的最大輸出電壓決定了推動(dòng)級(jí)運(yùn)算放大器的最大電源工作電壓必須大于功