低頻功率放大電路(共20頁)

1、PAGE 124PAGE 151第6章 低頻(dpn)功率放大電路在實(shí)際的放大(fngd)電路中，無論是分立元件放大器還是(hi shi)集成放大器，其末級(jí)都要求輸出較大的功率以便驅(qū)動(dòng)如音響放大器中的揚(yáng)聲器、電視機(jī)的顯像管和計(jì)算機(jī)監(jiān)視器等功率型負(fù)載。能夠?yàn)樨?fù)載提供足夠大功率的放大電路稱為功率放大電路，簡稱功放。功率放大電路按構(gòu)成放大電路器件的不同可分為分立元件功率放大電路和集成功率放大電路。由分立元件構(gòu)成的功率放大電路，電路所用元器件較多，對(duì)元器件的精度要求也較高。輸出功率可以做得比較高。采用單片的集成功率放大電路，主要優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，設(shè)計(jì)生產(chǎn)比較方便，但是其耐電壓和耐電流能力較弱，輸出功率偏

2、小。功率放大電路按放大信號(hào)的頻率，可分為高頻功率放大電路和低頻功率放大電路。前者用于放大射頻范圍（幾百千赫茲到幾十兆赫茲）的信號(hào)，后者用于放大音頻范圍（幾十赫茲到幾十千赫茲）的信號(hào)。本章主要討論的是低頻功率放大電路。6.1 功率放大器的一般問題6.1.1功率放大器的特點(diǎn)及主要指標(biāo)從能量控制和轉(zhuǎn)換的角度來看，功率放大電路和一般的放大電路沒有本質(zhì)的區(qū)別。但功率放大電路上既有較大的輸出電壓，同時(shí)也有較大的輸出電流，其負(fù)載阻抗一般相對(duì)較小，輸出功率要求盡可能大。因此從功率放大電路的組成和分析方法，到電路元器件的選擇，都與前幾章所討論的小信號(hào)放大電路有很大的區(qū)別。低頻功率放大器的主要指標(biāo)有以下幾項(xiàng)：1提

3、供盡可能高的輸出功率Po功率放大器的主要要求之一就是輸出功率要大。為了獲得較大的輸出功率，要求功率放大管（簡稱功放管）既要輸出足夠大的電壓，同時(shí)也要輸出足夠大的電流，因此管子往往在接近極限運(yùn)用狀態(tài)下工作。所謂最大輸出功率，是指在輸入正弦信號(hào)時(shí)，輸出波形不超過規(guī)定的非線性失真指標(biāo)時(shí)，放大電路最大輸出電壓和最大輸出電流有效值的成積，即：2提供盡可能高的功率轉(zhuǎn)換效率 功率放大器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器，它將直流電源提供的功率轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)的能量提供給負(fù)載，但同時(shí)還有一部分功率消耗在功率管上并產(chǎn)生熱量。所謂效率就是負(fù)載得到的有用信號(hào)功率和電源提供的直流總功率的比值，其定義為 （6.1）式中，Po為輸出(

4、shch)信號(hào)功率，PV為直流總功率(gngl)。顯然， 越大越好，但總有0 1。設(shè)功放管的損耗(snho)功率為PVT，則有PV =Po+PVT （6.2）式（6.2）表明，提高效率 可以在保持輸出功率Po不變的情況下降低損耗功率PVT。 值得注意的是，效率越低，輸出功率就越低，相對(duì)的消耗在電路內(nèi)部的損耗功率也就越高，這部分電能使元器件和功率管的溫度升高，對(duì)電路的工作造成不利。3非線性失真要小功率放大器是在大信號(hào)下工作，電壓電流擺動(dòng)幅度很大，所以不可避免地產(chǎn)生非線性失真。而同一功率管的輸出功率越大，非線性失真也就越嚴(yán)重。在實(shí)際應(yīng)用中，我們應(yīng)根據(jù)負(fù)載的不同要求來選擇重點(diǎn)，如在音響和測量設(shè)備中應(yīng)

5、盡量減小非線性失真。而在控制繼電器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等工業(yè)控制場合，允許有一定的非線性失真，而以輸出功率為主要目的。4功率管的散熱要好在功率放大器中，即使最大限度地提高效率 ，仍有相當(dāng)大的功率消耗在功率管上，使其溫度升高。為了充分利用允許的管耗，使管子輸出的功率足夠大，就必須研究功率管的散熱問題。為了功率管的工作安全，必須給它加裝散熱片。功率管裝上散熱片后，可使其輸出功率成倍提高。6.1.2功率放大電路工作狀態(tài)的分類電路測試42 基本放大電路效率的測量 （見9.6） 功率放大電路按放大器中三極管靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置的不同，可以分為甲類、乙類、甲乙類三種。如圖6-1所示。圖6-1 功率放大電路的三種(sn z

6、hn)工作狀態(tài) a）甲類 b）甲乙類 c）乙類 甲類功率放大電路通常將工作(gngzu)點(diǎn)設(shè)置在交流負(fù)載線的中點(diǎn)，放大管在整個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)都導(dǎo)通，有電流流過。甲類功放的導(dǎo)通角為=360。在甲類放大器中，當(dāng)工作(gngzu)點(diǎn)確定之后，不管有無交流信號(hào)輸入，直流電源提供的功率PV始終是恒定的，且為直流電壓VCC與直流電流IC之積， 因此，由式（6.2）容易理解，當(dāng)交流輸出功率Po越小時(shí)，管子及電阻上損耗的功率即無用功率PVT反而越大，這種損耗功率通常以熱量的形式耗散出去。也就是說，在沒有信號(hào)輸出時(shí)，放大器的負(fù)荷恰恰是最重的，最有可能被熱擊穿，顯然這是極不合理的。甲類功放的最大缺點(diǎn)是效率低下，可

7、以證明在理想情況下，甲類放大電路的效率最高也只能達(dá)到50%。實(shí)際的甲類放大器的效率通常在10%以下。如果能做到無信號(hào)時(shí)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，電源不提供電流，只在有信號(hào)時(shí)電源才提供電流。把電源提供的能量大部分用到負(fù)載上，整體效率就會(huì)提高很多。按照此要求設(shè)計(jì)的放大器就是乙類功率放大器。乙類功率放大電路通常將工作點(diǎn)設(shè)置在截至區(qū)，放大管在整個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)僅有半個(gè)周期導(dǎo)通，有電流流過。乙類功放的導(dǎo)通角為=180。甲乙類功率放大電路通常將工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)內(nèi)，但很接近截至區(qū)，放大管在整個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)有大半個(gè)周期導(dǎo)通，有電流流過。甲乙類功放的導(dǎo)通角為180360。甲乙類和乙類放大器的效率大大提高，因此甲

8、乙類和乙類放大器主要(zhyo)用于功率放大電路中。功率放大電路(dinl)還有丙類，丁類等。丙類放大器一般用在高頻發(fā)射機(jī)的諧振(xizhn)功率放大電路中，其導(dǎo)通角為180。丁類放大器工作于開關(guān)狀態(tài)，由于其工作效率高而得到越來越廣泛的應(yīng)用。6.2 乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路6.2.1 OCL電路的組成乙類放大電路雖然管耗小，有利于提高效率，但存在嚴(yán)重的失真，只有半個(gè)周期導(dǎo)通，即輸出信號(hào)只有半個(gè)波形。常用兩個(gè)對(duì)稱的乙類放大電路，一個(gè)放大正半周信號(hào)，而另一個(gè)放大負(fù)半周信號(hào)，從而在負(fù)載上得到一個(gè)合成的完整波形，這種兩管交替工作的方式稱為推挽工作方式，這種電路稱為乙類互補(bǔ)對(duì)稱推挽功率放大電路。電路測試

9、43 基本互補(bǔ)對(duì)稱電路的測試 （見9.6） 功率放大器的基本電路如圖6-2a所示，該電路中，VT1和VT2分別為NPN型管和PNP型管，兩管的基極和發(fā)射極分別相互連接在一起，信號(hào)從基極輸入，從射極輸出，RL為負(fù)載。這個(gè)電路可以看成是由圖6-2b，6-2c兩個(gè)射極輸出器組合而成。圖6-2 兩射極輸出器組成的基本互補(bǔ)對(duì)稱電路 a）基本互補(bǔ)對(duì)稱電路 b）由NPN管組成的射極輸出器 c）由PNP管組成的射極輸出器 （1）靜態(tài)分析當(dāng)輸入信號(hào)ui=0時(shí)，兩個(gè)三級(jí)管都工作在截至區(qū)，此時(shí)的靜態(tài)工作電流為零，負(fù)載上無電流流過，輸出電壓為零。輸出功率為零。（2）動(dòng)態(tài)分析當(dāng)信號(hào)處于正半周時(shí)，VT2截止，VT1放大，

10、有電流通過負(fù)載RL；而當(dāng)信號(hào)處于負(fù)半周時(shí)，VT1截止，VT2放大，仍有電流通過負(fù)載RL。負(fù)載RL上流過的電流是一個(gè)完整的正弦波信號(hào)。在電路(dinl)完全對(duì)稱的理想情況下，負(fù)載電阻上的直流電壓為零，因此，不必采用耦合電容來隔直流，所以，該電路稱為無輸出電容電路（OCL電路(dinl)）。6.2.2 OCL電路(dinl)的性能分析參見圖6-2a，為分析方便起見，設(shè)晶體管是理想的，兩管完全對(duì)稱，其導(dǎo)通電壓UBE = 0，飽和壓降UCES = 0。則放大器的最大輸出電壓振幅為VCC，最大輸出電流振幅為VCCRL，且在輸出不失真時(shí)始終有ui = uo。1. 輸出功率Po設(shè)輸出電壓的幅值為Uom，有效

11、值為Uo；輸出電流的幅值為Iom，有效值為Io。則 （6.3）當(dāng)輸入信號(hào)足夠大，使Uom=Uim =VCC UCESVCC時(shí)，可得最大輸出功率 （6.4）2. 直流電源供給的功率PV由于VT1和VT2在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)均為半周導(dǎo)通，因此直流電源VCC供給的功率為 因?yàn)橛姓?fù)兩組電源供電，所以總的直流電源供給的功率為 （6.5）當(dāng)輸出電壓幅值達(dá)到最大，即UomVCC時(shí)，得電源供給的最大功率為 （6.6）3. 效率 （6.7）當(dāng)輸出(shch)電壓幅值達(dá)到最大，即UomVCC時(shí)，得最高效率(xio l) （6.8）這個(gè)結(jié)論是假定互補(bǔ)對(duì)稱電路工作在乙類，且負(fù)載電阻為理想(lxing)值，忽略管子的飽和

12、壓降UCES和輸入信號(hào)足夠大（UimUomVCC）情況下得來的，實(shí)際效率比這個(gè)數(shù)值要低些。4. 管耗PVT兩管的總管耗為直流電源供給的功率PV與輸出功率Po與之差即 （6.9） 顯然，當(dāng)ui =0即無輸入信號(hào)時(shí)，Uom =0, Po, 管耗PVT和直流電源供給的功率PV 均為0。5. 最大管耗和最大輸出功率的關(guān)系電路測試44 基本互補(bǔ)對(duì)稱電路最大管耗的測量（見9.6） 當(dāng)輸出電壓幅度最大時(shí)，雖然功放管電流最大但管壓降最小，故管耗不是最大；當(dāng)輸出電壓為零時(shí)，雖然功放管管壓降最大但集電極電流最小。故管耗也不是最大。由式（6.7）知，管耗PVT是輸出電壓幅值Uom的一元二次函數(shù)，存在極值。對(duì)式（6.

13、7）求導(dǎo)可得令，則： （6.10）式（6.10）表明，當(dāng)輸出電壓時(shí)具有最大管耗。將式（6.10）代入式（6.7）可得最大管耗為： （6.11）而最大輸出功率，則每管的最大管耗和電路的最大輸出功率具有如下(rxi)的關(guān)系 （6.12）式（6.12）常用來作為乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路選擇管子的依據(jù)，例如(lr)，如果要求輸出功率為5W，則只要(zhyo)用兩個(gè)額定管耗大于1W的管子就可以了。需要指出的是，上面的計(jì)算是在理想情況下進(jìn)行的，實(shí)際上在選管子的額定功耗時(shí)，還要留有充分的余地。功放管消耗的功率主要表現(xiàn)為管子結(jié)溫的升高。散熱條件越好，越能發(fā)揮管子的潛力，增加功放管的輸出功率。因而，管子的額定功耗還和所

14、裝的散熱片的大小有關(guān)。必須為功放管配備合適尺寸的散熱器。6.2.3 功率晶體管的選擇在選擇功率晶體管時(shí)，必須考慮晶體管的最大集電極功耗PCM、最大管壓降、最大集電極電流ICM。 每只功率管的最大允許管耗PCM必須大于實(shí)際工作時(shí)的PVT1m。 由于乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路中得一個(gè)晶體管導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)晶體管截止。當(dāng)輸出電壓達(dá)到最大不失真輸出幅度時(shí)，截止管所承受的反向電壓為最大，且近似等于2 VCC。因此，應(yīng)選用擊穿電壓的功率管。 通過功率晶體管的最大集電極電流為VCC/RL，選擇功率晶體管的最大允許的集電極電流應(yīng)滿足ICMVCC/RL?！纠?-1】已知乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放電路如圖6-2a所示，設(shè)VCC

15、=24V，RL=8試求： 估算其最大輸出功率Pom以及最大輸出時(shí)的PV、PVT1和效率，并說明該功率放大電路對(duì)功率晶體管的要求。 放大電路在 = 0.6時(shí)的輸出功率Po的值。解 求Pom由式（6.4）可求出而通過(tnggu)晶體管的最大集電極電流(dinli)，晶體管的c, e極間的最大壓降和它的最大管耗分別(fnbi)為功率晶體管的最大集電極電流ICM必須大于3A，功率管的擊穿電壓必須大于48V， 功率管的最大允許管耗PCM必須大于7.2W。 求 =0.6時(shí)的Po值。由式（6.6）可求出則6.2.4 OTL電路和BTL電路OCL乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的特點(diǎn)是：雙電源供電、由于電路無需輸出

16、電容所以電路可以放大變化較緩慢的信號(hào)，頻率特性較好。但由于負(fù)載電阻直接連在兩個(gè)晶體管的發(fā)射極上，假如靜態(tài)工作點(diǎn)失調(diào)或電路內(nèi)元器件損壞，負(fù)載上有可能因獲得較大的電流而損壞，實(shí)際電路中可以在負(fù)載回路中接入熔斷絲。OCL乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是采用雙電源的供電方式很不方便，互補(bǔ)對(duì)稱電路也可采用單電源供電，即為OTL乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。OTL乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路如圖6-3所示，VT1和VT2組成互補(bǔ)對(duì)稱功放的輸出電路，信號(hào)從基極輸入，發(fā)射極輸出；VT1為前置放大級(jí)， RL為負(fù)載，C1為耦合電容，C2為輸出端所接的大電容，由于VT1和VT2對(duì)稱，所以靜態(tài)時(shí)大電容C2上的電壓為

17、VCC/2，所以C2可以作為一個(gè)電源使用，C2還有隔直流的作用。OTL乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路雖然少用一個(gè)電源，但由于大電容C2的存在，使電路對(duì)不同頻率的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生不同的相移，輸出信號(hào)會(huì)產(chǎn)生失真。OTL電路的分析計(jì)算方法和OCL基本相同，只要把前面推導(dǎo)出的計(jì)算公式中的VCC換成VCC/2即可。 圖6-3 OTL互補(bǔ)(h b)對(duì)稱電路 圖6-4 BTL互補(bǔ)對(duì)稱(duchn)電路OCL電路(dinl)和OTL電路的特點(diǎn)是效率高，但不足是電源利用率不高，電路中負(fù)載上獲得的最大輸出電壓值只有所加電源電壓的一半，電路的輸出功率將受到電源電壓的限制。為了提高電源的利用率，使負(fù)載上獲得較大的功率，可以采用平

18、衡式無輸出變壓器電路，又稱為BTL電路。BTL乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路如圖6-4所示，VT1和VT2，VT3和VT4分別組成一對(duì)互補(bǔ)管，BTL電路由兩組對(duì)稱電路組成，RL為負(fù)載；信號(hào)從基極輸入，發(fā)射極輸出。靜態(tài)時(shí)，負(fù)載上RL的輸出為零。輸入信號(hào)ui正半周時(shí)，晶體管VT1和VT4導(dǎo)通，輸出電壓最大值約為VCC，輸入信號(hào)ui負(fù)半周時(shí)，晶體管VT2和VT3導(dǎo)通，輸出電壓最大值約為VCC。輸出功率為：可以證明，在同樣大小的電源電壓的負(fù)載的情況下，BTL電路的效率近似為78.5%。最大輸出功率是OTL電路的四倍。其輸出也不需要接耦合電容。其缺點(diǎn)是所用的晶體管數(shù)目較多。6.3甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路6.

19、3.1 乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路的失真電路測試45 基本互補(bǔ)對(duì)稱電路失真的測試（見9.6） 前面所討論的乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路（圖6-5a所示）在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些缺陷，主要是晶體管沒有直流偏置電流，因此只有當(dāng)輸入電壓大于晶體管導(dǎo)通電壓（硅管約為0.7V，鍺管約為0.2V）時(shí)才有輸出電流，當(dāng)輸入信號(hào)ui低于這個(gè)數(shù)值時(shí)，VT1和VT2都截止，iC1和iC2基本為零，負(fù)載RL上無電流通過，出現(xiàn)一段死區(qū)，如圖6-5b所示。這種現(xiàn)象稱為交越失真。解決這一問題的辦法就是預(yù)先給晶體管提供一較小的基極偏置電流，使晶體管在靜態(tài)時(shí)處于微弱導(dǎo)通狀態(tài)，即甲乙類狀態(tài)。圖6-5 工作在乙類的雙電源互補(bǔ)(h b)對(duì)稱電路 a）電路(

20、dinl) b）形成(xngchng)交越失真的原理 6.3.2 甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路1. 甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路圖6-6所示為采用二極管作為偏置電路的甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路。該電路中，VD1, VD2上產(chǎn)生的壓降為互補(bǔ)輸出級(jí)VT1、VT2提供了一個(gè)適當(dāng)?shù)钠珘?，使之處于微?dǎo)通的甲乙類狀態(tài)，且在電路對(duì)稱時(shí)，仍可保持負(fù)載RL上的直流電壓為0；而VD1、VD2導(dǎo)通后的交流電阻也較小，對(duì)放大器的線性放大影響很小。另外，VT3通常構(gòu)成驅(qū)動(dòng)級(jí)，為簡明起見，其基極偏置電路在這里未畫出。 圖6-6 利用二極管進(jìn)行偏置的 圖6-7 利用恒壓源電路進(jìn)行偏置的 互補(bǔ)對(duì)稱電路 互補(bǔ)對(duì)稱電路采用二極管作為偏置電路的缺

21、點(diǎn)是偏置電壓不易調(diào)整。圖6-7所示為利用恒壓源電路進(jìn)行偏置的甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路。該電路中，由于流入VT4的基極電流遠(yuǎn)小于流過R1, R2的電流，因此可求出為VT1, VT2提供偏壓的VT4管的，而VT4管的UBE4基本為一固定值，即UCE4相當(dāng)于一個(gè)不受交流信號(hào)影響的恒定電壓源，只要適當(dāng)調(diào)節(jié)R1, R2的比值，就可改變VT1, VT2的偏壓值，這是集成電路中經(jīng)常采用的一種方法。2. 甲乙類單電源(dinyun)互補(bǔ)對(duì)稱電路在有些要求不高而又希望(xwng)電路簡化的場合，可以考慮采用一個(gè)電源的互補(bǔ)對(duì)稱電路，如圖6-8所示。該電路(dinl)中，C為大電容，正常工作時(shí)，可使N點(diǎn)直流電位UN =V

22、CC/2，而大電容C對(duì)交流近似短路，因此C上的電壓uCUC =UN =VCC/2。當(dāng)信號(hào)ui輸入時(shí)，由于VT3組成的前置放大級(jí)具有倒相作用，因此，在信號(hào)的負(fù)半周，VT1導(dǎo)電，信號(hào)電流流過負(fù)載RL，同時(shí)向C充電；在信號(hào)的正半周，VT2導(dǎo)電，則已充電的C起著雙電源電路中的VCC的作用，通過負(fù)載RL放電并產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)電流。即只要選擇時(shí)間常數(shù)RLC足夠大（遠(yuǎn)大于信號(hào)的最大周期），單電源電路就可以達(dá)到與雙電源電路基本相同的效果。那么，如何使N點(diǎn)得到穩(wěn)定的直流電壓UN =VCC/2？在該電路中，VT3管的上偏置電阻R2的一端與N點(diǎn)而不是與M點(diǎn)相連，即引入直流負(fù)反饋，因此只要適當(dāng)選擇R1, R2的阻值，就

23、可以使N點(diǎn)直流電壓穩(wěn)定并容易得到UN =VCC/2。值得指出，R1, R2還引入了交流負(fù)反饋，使放大電路的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)得到了改善。圖6-8 單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路需要特別指出的是，采用單電源的互補(bǔ)對(duì)稱電路，由于每個(gè)管子的工作電壓不是原來的VCC，而是VCC/2（輸出電壓最大也只能達(dá)到約VCC/2），所以前面導(dǎo)出的計(jì)算Po, PVT, PV和PVTm的公式中的VCC要以VCC/2代替。6.4 集成功率放大器電路測試46 集成功率放大器的測試（見9.6） 集成功率放大器由功率放大集成塊和一些外部阻容元件構(gòu)成(guchng)。它具有線路簡單，性能優(yōu)越，工作可靠，調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，額定輸出功率從幾瓦至幾百瓦

24、不等。已經(jīng)成為音頻領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的功率放大器。集成功率放大器中最主要的組件是功率放大集成塊，功率放大集成塊內(nèi)部通常包括有前置(qin zh)級(jí)、推動(dòng)級(jí)和功率級(jí)等幾部分電路，一般還包括消除噪聲、短路保護(hù)等一些特殊功能的電路。功率放大集成塊的種類(zhngli)繁多，近年來市場上常見的主要有以下三家公司的產(chǎn)品： 美國國家半導(dǎo)體公司（NSC）的產(chǎn)品，其代表芯片有LM1875、LM1876、LM3876、LM3886、LM4766、LM386等。 荷蘭飛利浦公司（PHILIPS）的的產(chǎn)品，其代表芯片有TDA15系列，比較著名的有TDA1514、TDA1521。 意法微電子公司（SGS）的的產(chǎn)品，其

25、代表芯片有TDA20系列，以及DMOS管的TDA7294、TDA7295、TDA7296等。美國國家半導(dǎo)體公司的小功率音頻功率放大集成電路LM386因?yàn)槠渫鈬娐繁容^簡單，雙列直插式封裝，8個(gè)引腳，單電源供電，電源電壓范圍廣（4V12V 或 5V18V）。功耗低，在6V電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為24mW。輸入端以地位參考，同時(shí)輸出端被自動(dòng)偏置到電源電壓的一半。頻帶較寬（300KHZ），輸出功率0.3W0.7W，最大可達(dá)2W。 LM386主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類產(chǎn)品，特別適用于電池供電的場合。圖6-9所示為LM386集成功率放大器的其內(nèi)部電路，該電路中由差動(dòng)放大電路構(gòu)成輸入級(jí)，其電路形式為雙端輸

26、入-單端輸出結(jié)構(gòu)。共射放大電路構(gòu)成中間放大級(jí)，VT9和VT10構(gòu)成互補(bǔ)對(duì)稱電路的輸出級(jí)。采用單電源供電的OTL電路形式。內(nèi)部自帶有反饋回路，電阻R7從輸出端連接至輸入級(jí)，與R5，R6組成反饋網(wǎng)絡(luò)，形成電壓串聯(lián)交直流負(fù)反饋?？梢苑€(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，減小失真。VT8，VD1，VD2的作用是為VT9，VT10提供適當(dāng)?shù)闹绷髌?，以防止VT9，VT10產(chǎn)生交越失真。I為恒流源，作為中間級(jí)的負(fù)載。圖6-9 LM386集成功率放大器內(nèi)部(nib)電路圖6-10a所示為LM386集成功率放大器的引腳圖，腳為反相輸入(shr)端，腳為同相輸入端，腳為輸出端，腳接電源+VCC，腳接地，腳接一個(gè)(y )旁路電容，一般

27、取10F, 腳和腳之間增加一只外接電阻和電容，便可使電壓增益調(diào)為任意值（LM386電壓增益可調(diào)范圍為20200），最大可調(diào)至200。若腳和腳之間開路，則電壓放大倍數(shù)為內(nèi)置值為20；若腳和腳之間只接一個(gè)10F的電容，則電壓放大倍數(shù)可達(dá)200；如圖6-10b所示為LM386集成功率放大器的典型應(yīng)用電路圖中若R=1.2k的電阻，C=10F的電容時(shí)，電壓放大倍數(shù)可達(dá)50；使用時(shí)，可通過調(diào)節(jié)電阻R的大小來調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)的大小。圖6-10 LM386集成功率放大器的引腳圖和典型應(yīng)用電路 a）LM386外形引腳排列 b）LM386典型應(yīng)用電路 LM386在和其它電路結(jié)合使用(shyng)時(shí)有可能產(chǎn)生自激，

28、對(duì)于高頻自激，可在輸入端和地之間，引腳8與地之間加接一個(gè)小電容；對(duì)于低頻自激，可在輸入(shr)端與地之間接一電阻，同時(shí)加大電源腳（6腳）的濾波(lb)電容。選擇功率放大集成塊時(shí)主要應(yīng)注意芯片的輸出功率、供電類型、最大、最小供電電壓和典型供電電壓值。其次主要考慮的因素有放大倍數(shù)（增益）的大小、效率的高低，還要考慮芯片總諧波失真的大小、頻率特性、輸入阻抗和負(fù)載電阻的大小，最后還要考慮外圍電路的復(fù)雜程度。6.5 功率器件1. 功率晶體管如圖6-11示為典型的功率晶體管外形示意圖。為保證功率晶體管散熱良好，通常晶體管有一個(gè)大面積的集電結(jié)并與熱傳導(dǎo)性能良好的金屬外殼保持緊密接觸。在很多實(shí)際應(yīng)用中，還要

29、在金屬外殼上再加裝散熱片，甚至在機(jī)箱內(nèi)功率管附近安裝冷卻裝置，如電風(fēng)扇等。圖6-11 功率晶體管的外形圖（1）功率晶體管的熱擊穿在功率放大電路中，給負(fù)載輸送功率的同時(shí)，管子本身也要消耗一部分功率，這部分功率主要消耗在晶體管的集電結(jié)上（因?yàn)榧娊Y(jié)上的電壓最高，一般可達(dá)幾伏到幾十伏以上，而發(fā)射結(jié)上的電壓只有零點(diǎn)幾伏），并轉(zhuǎn)化為熱量使管子的結(jié)溫升高。當(dāng)結(jié)溫升高到一定程度（鍺管一般約為90，硅管約為150）以后，就會(huì)使管子因過熱擊穿而永久性損壞，因而輸出功率受到管子允許的最大管耗的限制。值得注意的是，管子允許的功耗與管子的散熱情況有密切的關(guān)系。如果采取適當(dāng)?shù)纳岽胧?，就有可能充分發(fā)揮管子的潛力，增加功

30、率管的輸出功率。反之，就有可能使晶體管由于結(jié)溫升高而被損壞。所以解決好功率晶體管的散熱問題，對(duì)于提高功率放大器的整機(jī)性能具有重要的意義。（2）功率晶體管的二次擊穿在實(shí)際工作中，常發(fā)現(xiàn)功率晶體管的功耗并未超過允許的PCM值，管子本身的溫度也并不高（不燙手），但功率晶體管卻突然失效或者性能顯著下降。這種損壞的原因，有可能是由于二次擊穿所造成的。下面就二次擊穿問題進(jìn)行簡單介紹。二次擊穿現(xiàn)象可以用圖6-11說明。當(dāng)集電極電壓UCE逐漸增加時(shí)，首先出現(xiàn)一次擊穿現(xiàn)象，如圖6-11中AB段所示，這種擊穿就是正常的雪崩擊穿。當(dāng)擊穿出現(xiàn)時(shí)，只要適當(dāng)限制功率晶體管的電流（或功耗），且進(jìn)入擊穿的時(shí)間不長，功率晶體管

31、并不會(huì)損壞。所以一次擊穿（雪崩擊穿）具有可逆性。一次擊穿出現(xiàn)后，如果繼續(xù)增大iC到某數(shù)值，晶體管的工作狀態(tài)將以毫秒級(jí)甚至微秒級(jí)的速度移向低電壓大電流區(qū)，如圖6-12中BC段所示，BC段相當(dāng)于二次擊穿。二次擊穿的結(jié)果也是一種永久性損壞。圖6-12 晶體管的二次擊穿(j chun)現(xiàn)象產(chǎn)生二次擊穿的原因至今尚不完全清楚(qng chu)。一般來說，二次擊穿是一種與電流、電壓、功率和結(jié)溫都有關(guān)系的效應(yīng)。它的物理過程多數(shù)認(rèn)為是由于流過晶體管結(jié)面的電流不均勻，造成結(jié)面局部高溫（稱為熱斑），因而產(chǎn)生熱擊穿所致。這與晶體管的制造工藝有關(guān)。晶體管的二次擊穿特性對(duì)功率管，特別是外延型功率管，在運(yùn)用性能的惡化(

32、hu)和損壞方面起著重要影響，因此在電路設(shè)計(jì)參數(shù)選擇時(shí)必須考慮二次擊穿的因素。如增大功率余量、改善散熱情況、選用較低的電源電壓、不要將負(fù)載開路或短路、輸入信號(hào)不要突然增大、對(duì)功率管采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。（3）功率晶體管的安全工作區(qū)為了保證功率管安全工作，主要應(yīng)考慮功率晶體管的極限工作條件的限制，這些條件有，集電極允許的最大電流ICM、集電極允許的最大電壓UBR,CEO和集電極允許的最大功耗PCM等，另外還有二次擊穿的臨界條件。如圖6-13陰影線內(nèi)所示為功率晶體管的安全工作區(qū)。顯然，考慮了二次擊穿以后，功率晶體管的安全工作范圍變小了。需要指出的是，為保證功率晶體管工作時(shí)安全可靠，實(shí)際工作時(shí)的電壓、

33、電流、功耗、結(jié)溫等各變量最大值不應(yīng)超過相應(yīng)的最大允許極限值的50%80%。6-13 功率晶體管的安全(nqun)工作區(qū)2. 功率(gngl)MOSFET功率(gngl)MOSFET的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖6-14所示。它以N+ 型襯底作為漏極，在其上有一層N 型外延層，然后在外延層上摻雜形成一個(gè)P型層和一個(gè)N+ 型層源極區(qū)，最后利用光刻的方法沿垂直方向刻出一個(gè)V形槽，在V形槽表面有一層二氧化硅并覆蓋一層金屬鋁，形成柵極。當(dāng)柵極加正電壓時(shí)，靠近柵極V形槽下面的P型半導(dǎo)體將形成一個(gè)N型反型層導(dǎo)電溝道（圖中未畫出）?？梢姡杂呻娮友貙?dǎo)電溝道由源極到漏極的運(yùn)動(dòng)是縱向的，它與第3章介紹的載流子是橫向從源極流到漏

34、極的小功率MOSFET不同。因此，這種器件被命名為VMOSFET（簡稱VMOS管）。圖6-14 VMOSFET結(jié)構(gòu)剖面圖參見圖6-14，由于VMOS管的漏區(qū)面積大，因此有利于利用散熱片散去器件內(nèi)部耗散的功率。同時(shí)溝道長度（當(dāng)柵極加正電壓時(shí)在V形槽下P型層部分形成）可以做得很短（例如1.5m），且溝道間又呈并聯(lián)關(guān)系（根據(jù)需要可并聯(lián)多個(gè)），故允許流過的電流ID很大。此外，利用現(xiàn)代半導(dǎo)體制造工藝，使VMOS管靠近柵極形成一個(gè)低濃度的N 外延層，當(dāng)漏極與柵極間的反向電壓形成耗盡區(qū)時(shí)，這一耗盡區(qū)主要出現(xiàn)在N 外延區(qū)，N 區(qū)的正離子密度低，電場強(qiáng)度低，因而有較高的擊穿電壓。這些都有利于VMOS制成大功率器

35、件。目前制成的VMOS產(chǎn)品，耐壓達(dá)1000V以上，最大連續(xù)電流值高達(dá)200A。與功率(gngl)BJT相比(xin b)，VMOS器件具有以下(yxi)優(yōu)點(diǎn)。 與MOS器件一樣是電壓控制電路器件，輸入電阻極高，因此所需驅(qū)動(dòng)電流極小，功率增益高。 在放大區(qū)，其轉(zhuǎn)移特性幾乎是線性的，gm基本為常數(shù)。 因?yàn)槁┰措娮铚囟认禂?shù)為正，當(dāng)器件溫度上升時(shí)，電流受到限制，所以VMOS不可能有熱擊穿，因而不會(huì)出現(xiàn)二次擊穿，溫度穩(wěn)定性高。 因無少子存儲(chǔ)問題，加上極間電容小，VMOS的開關(guān)速度快，工作頻率高，可用于高頻電路（其fT600MHz）或開關(guān)式穩(wěn)壓電源等。VMOS器件還有其他一些優(yōu)點(diǎn)，例如導(dǎo)通電阻rDS,ON

36、3。目前在VMOSFET的基礎(chǔ)上又已研制出雙擴(kuò)散VMOSFET，或稱DMOS器件，這是新的發(fā)展方向之一。3功率模塊這里所討論的功率模塊是指由若干BJT、MOSFET或BiFET（BJT-FET組合器件）組合而成的功率部件。這種功率模塊近年來發(fā)展很快，成為半導(dǎo)體器件的一支生力軍。它的突出特點(diǎn)是，大電流、低功耗，電壓、電流范圍寬，電壓高達(dá)1200V，電流高達(dá)400A?，F(xiàn)在已廣泛用于不間斷電源（UPS）、各種類型的電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)、大功率開關(guān)、醫(yī)療設(shè)備、換能器、音頻功放等。功率模塊包括BJT達(dá)林頓模塊、功率MOSFET模塊、IGBT（絕緣柵雙極型三極管）模塊等。按速度和功耗又可分為高速型和低飽和壓降型。

37、這里以IGBT模塊為例，介紹功率模塊的結(jié)構(gòu)。IGBT是由具有高輸入阻抗、高速的MOSFET和低飽和壓降的BJT組成的。圖6-18所示為這種IGBT結(jié)構(gòu)的簡化等效電路和器件符號(hào)。圖6-15 IGBT的等效電路及符號(hào) a）等效電路 b）符號(hào) 圖6-15中VT2為增強(qiáng)型MOS管，工作時(shí)，首先在施加于柵極電壓之后形成導(dǎo)電(dodin)溝道，出現(xiàn)PNP管VT1的基極(j j)電流，IGBT導(dǎo)電(dodin)；當(dāng)FET溝道消失，基極電流切斷，IGBT截止。功率模塊將許多獨(dú)立的大功率BJT，MOSFET等集合在一起封裝在一個(gè)外殼中，其電極與散熱片相隔離，型號(hào)不同，電路多樣化，便于應(yīng)用。知識(shí)小結(jié)功率放大電路研

38、究的重點(diǎn)是如何在允許的失真情況下，盡可能提高輸出功率和效率。功率放大電路的特點(diǎn)是信號(hào)的電壓和電流的動(dòng)態(tài)范圍大，是在大信號(hào)下工作的，小信號(hào)的分析方法已不再使用，功率放大電路的分析方法通常采用圖解法進(jìn)行分析。甲類功放電路的效率低，不適合作功放電路。與甲類功率放大電路相比，乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的主要優(yōu)點(diǎn)是效率高，在理想情況下，其最大效率約為78.5%。為保證晶體管安全工作，雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路工作在乙類時(shí)，器件的極限參數(shù)必須滿足PCMPVT10.2Pom，UBR,CEO2VCC，ICMVCC/RL。由于晶體管輸入特性存在死區(qū)電壓，工作在乙類的互補(bǔ)對(duì)稱電路將出現(xiàn)交越失真，克服交越失真的方法是采用甲乙

39、類（接近乙類）互補(bǔ)對(duì)稱電路。通?？衫枚O管或三極管UBE擴(kuò)大電路進(jìn)行偏置。集成功放具有體積小、電路簡單、安裝調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)而獲得廣泛的應(yīng)用。為了保證器件的安全運(yùn)行，可從功率管的散熱、防止二次擊穿、降低使用定額和保護(hù)措施等方面來考慮。思考與練習(xí)6.1 如何區(qū)分晶體管是工作在甲類、乙類還是甲乙類？畫出在三種工作狀態(tài)下的靜態(tài)工作點(diǎn)及相應(yīng)的工作波形。6.2 在甲類、乙類和甲乙類放大電路中，放大管的導(dǎo)通角分別等于多少？它們中哪一類放大電路效率高？6.3 由于功率放大電路中的晶體管常處于接近極限工作狀態(tài)，因此，在選擇晶體管時(shí)必須特別注意哪3個(gè)參數(shù)？6.4 有人說：“在功率放大電路中，輸出功率最大時(shí)，功放管的功率損耗也最大。”這種說法對(duì)嗎？設(shè)輸入信號(hào)為正弦波，對(duì)于工作在甲類的功率放大輸出級(jí)和工作在乙類的互補(bǔ)對(duì)稱功率輸出級(jí)來說，這兩種功放分別在什么情況下管耗最大？6.5 與甲類功率放大電路相比，乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的主要優(yōu)點(diǎn)是什么？6.6 乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的效率在理想情況可達(dá)到多少？6.7 設(shè)采用雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路，如果要求最大輸出功率為5W，則每只功率晶體管的最大允許管耗PCM至少應(yīng)多大？6.8 在圖6-8所示電路中，用