功率放大電路2

第九章功率放大電路第九章功率放大電路§9.1

概述§9.2

互補(bǔ)輸出級(jí)的分析計(jì)算§9.1概述一、功率放大電路研究的問題二、對(duì)功率放大電路的要求三、晶體管的工作方式四、功率放大電路的種類能夠向負(fù)載提供足夠信號(hào)功率的放大電路稱為功率放大電路，簡(jiǎn)稱功放。二者無本質(zhì)的區(qū)別，都是能量的控制與轉(zhuǎn)換。功率放大電路與前面介紹的電壓放大電路有本質(zhì)上的區(qū)別嗎？不同之處在哪里？一、概述不同之處在于：各自追求的指標(biāo)不同。電壓放大電路：功率放大電路：主要要求使負(fù)載得到不失真的電壓信號(hào)，其輸出功率并不一定很大；通常為小信號(hào)放大電路。主要要求獲得盡可能大的不失真（或失真較?。┹敵龉β屎娃D(zhuǎn)換效率，通常是在大信號(hào)狀態(tài)下工作。

功率放大電路的特點(diǎn)要求同時(shí)輸出較大的電壓和電流。管子工作在接近極限狀態(tài)。一般直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，帶載能力要強(qiáng)。功率放大電路中的特殊問題輸出功率要大；效率要高；輸出功率電源提供的功率η越大，效率越高2.

對(duì)功率放大電路的要求（1）甲類方式：晶體管在信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)均處于導(dǎo)通狀態(tài)（2）乙類方式：晶體管僅在信號(hào)的半個(gè)周期處于導(dǎo)通狀態(tài)（3）甲乙類方式：晶體管在信號(hào)的多半個(gè)周期處于導(dǎo)通狀態(tài)（1）在電源電壓一定的情況下，最大不失真輸出電壓最大，即輸出功率盡可能大。（2）效率盡可能高，因而電路損耗的直流功率盡可能小，靜態(tài)時(shí)功放管的集電極電流近似為0。3、晶體管的工作方式

三極管根據(jù)導(dǎo)通時(shí)間可分為如下四個(gè)狀態(tài)。

甲類-------三極管360°導(dǎo)電；甲乙類----三極管180°～360°導(dǎo)電乙類-------三極管180°導(dǎo)電丙類-------三極管<180°導(dǎo)電圖17.01三極管的四種工作狀態(tài)乙類180°導(dǎo)電丙類<180°導(dǎo)電甲乙類180°～360°導(dǎo)電甲類360°導(dǎo)電

1.性能指標(biāo)：輸出功率和效率。若已知Uom，則可得Pom。最大輸出功率與電源損耗的平均功率之比為效率。

2.分析方法：因大信號(hào)作用，故應(yīng)采用圖解法。

3.晶體管的選用：根據(jù)極限參數(shù)選擇晶體管。在功放中，晶體管集電極或發(fā)射極電流的最大值接近最大集電極電流ICM，管壓降的最大值接近c(diǎn)-e反向擊穿電壓U(BR)CEO，集電極消耗功率的最大值接近集電極最大耗散功率PCM

。稱為工作在盡限狀態(tài)。一、功率放大電路研究的問題唯一的辦法就是在電路結(jié)構(gòu)上做文章，于是引出：如何解決提高了效率卻使電路波形產(chǎn)生嚴(yán)重失真的矛盾呢？乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路1.變壓器耦合功率放大電路①輸入信號(hào)增大，輸出功率如何變化？②輸入信號(hào)增大，管子的平均電流如何變化？③輸入信號(hào)增大，電源提供的功率如何變化？效率如何變化？四、功率放大電路的種類做功放適合嗎？單管甲類電路為什么管壓降會(huì)大于電源電壓？乙類推挽電路信號(hào)的正半周T1導(dǎo)通、T2截止；負(fù)半周T2導(dǎo)通、T1截止。

兩只管子交替工作，稱為“推挽”。設(shè)β為常量，則負(fù)載上可獲得正弦波。輸入信號(hào)越大，電源提供的功率也越大。2.

OTL

電路

輸入電壓的正半周：＋VCC→T1→C→RL→地

C充電。輸入電壓的負(fù)半周：

C

的“＋”→T2→地→RL→C“－”

C放電。C足夠大，才能認(rèn)為其對(duì)交流信號(hào)相當(dāng)于短路。OTL電路低頻特性差。因變壓器耦合功放笨重、自身損耗大，故選用OTL電路。3.

OCL電路輸入電壓的正半周：＋VCC→T1→RL→地輸入電壓的負(fù)半周：

地→RL→T2→－VCC兩只管子交替導(dǎo)通，兩路電源交替供電，雙向跟隨。靜態(tài)時(shí)，UEQ＝UBQ＝0。4.

BTL電路

輸入電壓的正半周：＋VCC→T1→

RL→T4→地輸入電壓的負(fù)半周：＋VCC→T2→

RL→T3→地①是雙端輸入、雙端輸出形式，輸入信號(hào)、負(fù)載電阻均無接地點(diǎn)。②管子多，損耗大，使效率低。幾種電路的比較

變壓器耦合乙類推挽：?jiǎn)坞娫垂╇?，笨重，效率低，低頻特性差。OTL電路：?jiǎn)坞娫垂╇?，低頻特性差。OCL電路：雙電源供電，效率高，低頻特性好。BTL電路：?jiǎn)坞娫垂╇?，低頻特性好；雙端輸入雙端輸出?！?.2互補(bǔ)輸出級(jí)的分析計(jì)算一、輸出功率二、效率三、晶體管的極限參數(shù)然后求出電源的平均功率，效率在已知RL的情況下，先求出Uom，則求解輸出功率和效率的方法一、輸出功率數(shù)值較大不可忽略大功率管的UCES常為2~3V。二、效率電源電流3.晶體管的極限參數(shù)PT對(duì)UOM求導(dǎo)，并令其為0，可得

在輸出功率最大時(shí)，因管壓降最小，故管子損耗不大；輸出功率最小時(shí)，因集電極電流最小，故管子損耗也不大。管子功耗與輸出電壓峰值的關(guān)系為管壓降發(fā)射極電流因此，選擇晶體管時(shí)，其極限參數(shù)將UOM代入PT的表達(dá)式，可得討論一：圖示各電路屬于哪種功放？9.3功率放大電路的安全運(yùn)行在功率放大電路中，功放管既要流過大電流，又要承受高電壓。只有功放管不超過其極限值，電路才能正常工作。因此，所謂功率放大電路的安全運(yùn)行，實(shí)際上就是要保證功放管的安全工作。在實(shí)用電路中，常加保護(hù)措施，以防止功放管過電壓、過電流和過功耗。一、功放管的二次擊穿二、功放管的散熱問題一、功放管的二次擊穿1、二次擊穿現(xiàn)象在實(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，管身也并不燙，但功率晶體管卻突然失效或者性能顯著下降。這種損壞的的原因，不少是由于二次擊穿所造成的。那么什么叫二次擊穿呢？它產(chǎn)生的原因又是什么呢？應(yīng)當(dāng)如何防止呢？這些問題很值得研究和討論。

從晶體管的輸出特性可知，對(duì)于某一條輸出特性曲線，當(dāng)c~e之間電壓增大到一定數(shù)值時(shí)，晶體管將產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象；而且，IB愈大，擊穿電壓愈低，稱這種擊穿為“一次擊穿”。晶體管在一次擊穿后，集電極電流會(huì)驟然增大，若不加以限制，則晶體管的工作點(diǎn)變化到臨界點(diǎn)A時(shí)，工作點(diǎn)將以毫秒甚至微秒級(jí)的高速度從A點(diǎn)到B點(diǎn)，此時(shí)電流猛增，而管壓降卻減小，如下圖所示，稱為“二次擊穿”。晶體管經(jīng)過二次擊穿后，性能將明顯下降，甚至造成永久性損壞。

IB不同時(shí)二次擊穿的臨界點(diǎn)不同，將它們連接起來，便得到二次擊穿臨界曲線，簡(jiǎn)稱為S／B曲線，如下圖所示。2、二次擊穿是怎樣產(chǎn)生的產(chǎn)生二次擊穿的原因至今尚不清楚。一般說來，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)人認(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)。3、如何防止二次擊穿

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)用性能的惡化和損壞方面起著重要影響。為了保證功率管安全工作，必須考慮二次擊穿的因素。因此，功率管的安全工作區(qū)，不僅受集電極允許的最大電流ICM、集電極允許的最大電壓V（BR）CE和集電極允許的最大功耗PCM所限制，而且還受二次擊穿臨界曲線所限制，其安全工作區(qū)如下圖虛線內(nèi)所示。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。

從二次擊穿產(chǎn)生的過程可知，防止晶體管的一次擊穿，并限制其集電極電流，就可避免二次擊穿。二、功放管的散熱問題功放管損壞的重要原因是其實(shí)際耗散功率超過額定數(shù)值PCM。而晶體管的耗散功率取決于管子內(nèi)部的PN結(jié)（主要是集電結(jié)）溫度Tj，當(dāng)Tj超過允許值后，集電極電流將急劇增大而燒壞管子。硅管的結(jié)溫允許值為120～180℃，鍺管的結(jié)溫允許值為85℃左右。耗散功率等于結(jié)溫在允許值時(shí)集電極電流與管壓降之積。管子的功耗愈大，結(jié)溫愈高。因而改善功放管的散熱條件，可以在同樣的結(jié)溫下提高集電極最大耗散功率PCM

，也就可以提高輸出功率。二、功放管的散熱問題1、熱阻的概念

熱的傳導(dǎo)路徑，稱為熱路。阻礙熱傳導(dǎo)的阻力稱為熱阻。真空不易傳熱，即熱阻大；金屬的傳熱性好，即熱阻小。在晶體管中，管子上的電壓降大部分都降在集電結(jié)上，它和流過集電結(jié)的電流造成集電極功率損耗，使管子發(fā)熱。這個(gè)熱量要從管芯向外傳遞。設(shè)結(jié)溫為Tj

，環(huán)境溫度為Ta

，則溫差T（=Tj

－Ta

）與集電結(jié)耗散功率PC成正比，比例系數(shù)稱為熱阻尼，即

可見，熱阻尼是傳遞單位功率時(shí)所產(chǎn)生的溫差，單位為℃／W。RT愈大，表明相同溫差下能夠散發(fā)的熱能愈小。換言之，RT愈大，表明同樣的功耗下結(jié)溫愈高。可見，熱阻是衡量晶體管散熱能力的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)晶體管結(jié)溫達(dá)到最大允許值TjM時(shí)，集電結(jié)功耗也達(dá)到PCM

，若環(huán)境溫度為Ta

，則式中，若管子的型號(hào)確定，則TjM也就確定，Ta常以25℃為基準(zhǔn)，因而要想增大PCM，必須減小RT

。2、熱阻的估算以晶體管為例，管芯（J）向環(huán)境（A）散熱的途徑有兩條：管芯（J）到外殼（C），再經(jīng)外殼到環(huán)境；或者管芯（J）到外殼（C），再經(jīng)散熱片（S）到環(huán)境。即J→C→A或J→C→S→A，如下圖所示。設(shè)J~C間熱阻為RjC

，C~A間熱阻為RCa

，C~S間熱阻為RCS

，S~A間熱阻為Rsa

，則反映晶體管散熱情況的熱阻模型如下圖所示。在小功率放大電路中，放大管一般不加散熱器，故晶體管的等效熱阻為RT=RjC+Rca

在大功率放大電路中，功放管一般均要加散熱器，且RCS+RSa<<RCa，故RTRjC+RCS+RSa

不同型號(hào)的管子RjC不同，如3AD30的RjC為1℃/W，而3DG7的RjC卻大于150℃／W，可見其差別很大。RCa與外殼所用材料和幾何尺寸有關(guān)，如大功率管3AD30的RCa為30oC／W，而小功率管3DG7的RCa為150℃／W。

上式中RCS既取決于晶體管和散熱器之間是否加絕緣層（如聚乙烯薄膜、0.05～0.lmm的云母片），又取決于二者之間的接觸面積和壓緊程度。RSa與散熱器所用材料及其表面積大小、厚薄、顏色，和散熱片的安裝位置等因素緊密相關(guān)。3、功放管的散熱器兩種散熱器如下圖所示。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)散熱器垂直或水平放置時(shí)，有利于通風(fēng)，故散熱效果較好。散熱器表面鈍化涂黑，有利于熱輻射，從而可以減小熱阻。在產(chǎn)品手冊(cè)中給出的最大集電極耗散功率是在指定散熱器（材料、尺寸等）及一定環(huán)境溫度下的允許值；若改善散熱條件，如加大散熱器、用電風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷，則可獲得更大一些的耗散功率?！?.4集成功率放大電路

OTL、OCL和BTL電路均有各種不同輸出功率和不同電壓增益的多種型號(hào)的集成電路。應(yīng)當(dāng)注意，在使用OTL電路時(shí)，需外接輸出電容。為了改善頻率特性，減小非線性失真，很多電路內(nèi)部還引入深度負(fù)反饋。本節(jié)以低頻功放為例，講述集成功放的電路組成、工作原理、主要性能指標(biāo)和典型應(yīng)用。一、集成功率放大電路分析二、集成功率放大電路的主要性能指標(biāo)三、集成功率放大電路的應(yīng)用一、集成功率放大電路分析

LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)之中。

1、LM386內(nèi)部電路

LM386內(nèi)部電路原理圖如下圖所示。與通用型集成運(yùn)放相類似，它是一個(gè)三級(jí)放大電路，如點(diǎn)劃線所劃分。第一級(jí)為差分放大電路，T1和T3

、T2和T4分別構(gòu)成復(fù)合管，作為差分放大電路的放大管；T5和T6組成鏡像電流源作為T1和T2的有源負(fù)載；信號(hào)從T3和T4管的基極輸入，從T2管的集電極輸出，為雙端輸入單端輸出差分電路。根據(jù)第三章關(guān)于鏡像電流源作為差分放大電路有源負(fù)載的分析可知，它可使單端輸出電路的增益近似等于雙端輸出電路的增益。第二級(jí)為共射放大電路，T7為放大管，恒流源作有源負(fù)載，以增大放大倍數(shù)。第三級(jí)中的T8和T9管復(fù)合成PNP型管，與NPN型管T10構(gòu)成準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)。二極管D1和D2為輸出級(jí)提供合適的偏置電壓，可以消除交越失真。利用瞬時(shí)極性法可以判斷出，引腳2為反相輸入端，引腳3為同相輸入端。電路由單電源供電，故為OTL電路。輸出端（引腳5）應(yīng)外接輸出電容后再接負(fù)載。電阻R7從輸出端連接到T2的發(fā)射極，形成反饋通路，并與R5和R6構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，從而引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使整個(gè)電路具有穩(wěn)定的電壓增益。2、LM386的電壓放大倍數(shù)當(dāng)引腳1和8之間開路時(shí)，由于在交流通路中T1管發(fā)射極近似為地，R5和R6上的動(dòng)態(tài)電壓為反饋電壓，近似等于同相輸入端的輸入電壓。即為二分之一差模輸入電壓，于是可寫出表達(dá)式為所以，當(dāng)引腳1和8之間外接不同阻值的電阻時(shí)，Au的調(diào)節(jié)范圍為20～200，因而增益20lg|

Au

|約為26～46dB。

實(shí)際上，在引腳1和5（即輸出瑞）之間外接電阻也可改變電路的電壓放大倍數(shù)。若外接電阻為R′，則應(yīng)當(dāng)指出，在引腳1和8（或者1和5）外接電阻時(shí)，應(yīng)只改變交流通路，所以必須在外接電阻回路中串聯(lián)一個(gè)大容量電容。3、LM386的引腳圖

LM386的外形和引腳的排列如下圖所示。引腳2為反相輸人端，3為同相輸入端；引腳5為輸出端；引腳6和4分別為電源和地；引腳1和8為電壓增益設(shè)定端；使用時(shí)在引腳7和地之間接旁路電容，通常取10F。二、集成功率放大電路的主要性能指標(biāo)集成功率放大電路的主要性能指標(biāo)除最大輸出功率外，還有電源電壓范圍、電源靜態(tài)電流、電壓增益、頻帶寬、輸入阻抗、輸入偏置電流、總諧波失真等。

LM386－1和LM386－3的電源電壓為4～12V，LM386－4的電源電壓為5～18V。因此，對(duì)于同一負(fù)載，當(dāng)電源電壓不同時(shí)，最大輸出功率的數(shù)值將不同；當(dāng)然，對(duì)于同一電源電壓，當(dāng)負(fù)載不同時(shí)，最大輸出功率的數(shù)值也將不同。已知電源的靜態(tài)電流（可查閱手冊(cè)）和負(fù)載電流最大值（通過最大輸出功率和負(fù)載可求出），可求出電源的功耗，從而得到轉(zhuǎn)換效率。幾種典型產(chǎn)品的性能如下表所示。

表中所示電壓增益均在信號(hào)頻率為lKHz條件下測(cè)試所得。應(yīng)當(dāng)指出，表中所示均為典型數(shù)據(jù)，使用時(shí)應(yīng)進(jìn)一步查閱手冊(cè)，以便獲得更確切的數(shù)據(jù)。三、集成功率放大電路的應(yīng)用1、集成OTL電路的應(yīng)用下圖所示為L(zhǎng)M386的一種基本用法，也是外接元件最少的一種用法，Cl為輸出電容。由于引腳1和8開路，集成功放的電壓增益為26dB，即電壓放大倍數(shù)為20。利用RW可調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器的音量。R和C2串聯(lián)構(gòu)成校正網(wǎng)絡(luò)用來進(jìn)行相位補(bǔ)償。靜態(tài)時(shí)輸出電容上電壓為VCC／2，LM386的最大不失真輸出電壓的峰一峰值約為電源電壓VCC

。設(shè)負(fù)載電阻為RL，最大輸出功率表達(dá)式為此時(shí)的輸入電壓有效值的表達(dá)式為當(dāng)VCC=16V，RL=32時(shí)，Pom1W，Uim

283mV。

下圖所示為L(zhǎng)M386電壓增益最大時(shí)的用法

C3使引腳1和8在交流通路中短路，使Au200；C4為旁路電容；C5為去耦電容，濾掉電源的高頻交流成分。當(dāng)VCC=16V，RL=32時(shí)，Pom仍約為1w；但是，輸入電壓的有效值Uim卻僅需28.3mV。下圖所示為L(zhǎng)M386的一般用法，用R2改變LM386的電壓增益2、集成OCL電路的應(yīng)用

右圖所示為TDA1521的基本用法。TDA1521為2通道OCL電路，可作為立體聲擴(kuò)音機(jī)左、右兩個(gè)聲道的功放。其內(nèi)部引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，閉環(huán)電壓增益為30dB，并具有待機(jī)、靜噪功能以及短路和過熱保護(hù)等。查閱手冊(cè)可知，當(dāng)±

Vcc=16V，RL＝8時(shí)，若要求總諧波失真為0.5%，則Pom12W。由于最大輸出功率的表達(dá)式為可得最大不失真輸出電壓Uom9.8V，其峰值約為13.9V，可見功放輸出級(jí)的最小管壓降約為2.1V。當(dāng)輸出功率為Pom時(shí)，輸入電壓有效值Uim

327mV。3、集成BTL電路的應(yīng)用

TDA1556為2通道BTL電路，與TDA1521