模擬部分第三章-功率放大器設(shè)計(jì)

電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)

(模擬部分)梁文海

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四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院

2011年2月第二章音頻功率放大器設(shè)計(jì)第一節(jié)第三節(jié)第二節(jié)各類放大電路集成功率放大器概述第四節(jié)功率放大器設(shè)計(jì)例：擴(kuò)音系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)功率放大器的作用：用作放大電路的輸出級，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動(dòng)作、儀表指針偏轉(zhuǎn)等。2.1概述功率放大電壓放大信號提取功率放大器的種類目前，功率放大器已經(jīng)有了很多種形式。（一）按耦合方式分，有兩大類，1、變壓器耦合功放：（1）變壓器耦合單管甲類功放（2）變壓器耦合乙類推挽功放2、無變壓器耦合功放：（1）OTL功放（2）OCL功放（3）DC（直流）功放（4）超甲類功放……（二）按工作狀態(tài)分，有1、甲類：在輸入正弦波電壓信號的整個(gè)周期中，管子都導(dǎo)通的一種工作狀態(tài)。設(shè)正弦波周期為T，管子導(dǎo)通時(shí)間為t，則甲類工作時(shí)，t＝T。功率放大器的種類2、乙類：t＝T/2，管子只導(dǎo)通半個(gè)周期，另半個(gè)周期截止。3、甲乙類：T/2t<T，管子導(dǎo)通時(shí)間大于半個(gè)周期，截止時(shí)間小于半個(gè)周期。4、丙類：t<T/2，管子的導(dǎo)通時(shí)間小于半個(gè)周期，大部分時(shí)間截止。5、丁類：又稱開關(guān)型功放，管子工作于開關(guān)狀態(tài)，即“飽和導(dǎo)通—完全截止”兩個(gè)極端狀態(tài)。6、超甲類：是對甲乙類的改進(jìn)，即甲乙類工作狀態(tài)時(shí)有一小段截止?fàn)顟B(tài)，而在超甲類時(shí)，這一小段時(shí)間中管子仍維持小電流導(dǎo)通狀態(tài)。（2）晶體管在極限條件下工作:ICM、UCEM

、PCM。

ICMPCMUCEMIcuce（1）輸出功率Po盡可能大功率放大電路的要求(3)電流、電壓信號比較大，注意減小波形失真(4)注意提高電路的效率（

）。Pomax

:負(fù)載上得到的交流信號功率。PE：電源提供的直流功率。（5）功放管散熱和保護(hù)問題功放電路與普通放大電路的比較1.共同點(diǎn)：都是能量轉(zhuǎn)換電路，把直流能量轉(zhuǎn)換為交變能量。

2.不同點(diǎn)：

(1)普通放大電路：要求負(fù)載得到不失真電壓信號，不要求輸出功率；電路工作在小信號狀態(tài)，研究的問題是電壓放大倍數(shù)、輸入和輸出電阻、帶寬等。

(2)功率放大電路：要求負(fù)載得到一定的不失真或失真較小的輸出功率；電路工作在大信號狀，研究的問題是提高輸出功率和效率。

功放電路研究的主要問題要求輸出功率盡可能大：要求輸出電流和電壓都大，管子運(yùn)行在極限狀態(tài)。電路效率要高：效率是指負(fù)載得到的有用信號功率與電源供給的直流功率之比，比值越大效率越高。非線性失真盡可能?。汗β逝c失真是一對矛盾，一般輸出功率越大失真越嚴(yán)重。半導(dǎo)體的散熱問題：功放電路中很大一部分功率被集電結(jié)消耗掉，使結(jié)溫上升，為充分利用允許的管耗輸出足夠大的功率，散熱非常重要。功放管的保護(hù)問題：為輸出足夠大的功率，管子承受的電壓很高，通過的電流很大，管子較容易損壞。二.甲類功率放大器分析1.三極管的靜態(tài)功耗：若電源提供的平均功耗：則IcuceQuceQIcQ2.動(dòng)態(tài)功耗（當(dāng)輸入信號Ui時(shí)）輸出功率:

要想PO大，就要使功率三角形的面積大，即必須使Vom和Iom都要大。最大輸出功率:MNUomIom功率三角形iCuCEQUCEQICQVCC電源提供的功率此電路的最高效率甲類功率放大器存在的缺點(diǎn)：

輸出功率小靜態(tài)功率大，效率低三.BJT的幾種工作狀態(tài)甲類：Q點(diǎn)適中，在正弦信號的整個(gè)周期內(nèi)均有電流流過BJT。甲乙類：介于兩者之間，導(dǎo)通角大于180°動(dòng)畫演示iCuCEQ1UCEQICQVCCiCuCEQ3ICQVCC乙類：靜態(tài)電流為0，BJT只在正弦信號的半個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通。iCuCEQ2ICQVCC晶體管的三種工作狀態(tài)：

要提高效率就要減小直流靜態(tài)電流，讓功率放大電路工作在乙類狀態(tài)。iCiCiCiC

iCuCE

uCEuCEωtωtωt甲類乙類甲乙類iC●●QQQ●上頁下頁返回翻頁第二章音頻功率放大器設(shè)計(jì)第一節(jié)第三節(jié)第二節(jié)集成功率放大器概述第四節(jié)功率放大器設(shè)計(jì)各類放大電路2.2互補(bǔ)對稱電路T1、T2：參數(shù)互補(bǔ)對稱，稱為互補(bǔ)對稱電路。VI=0時(shí)VO=0。T1和T2分別組成射極輸出器VI>0時(shí)T1導(dǎo)通T2截至的等效電路。T1和T2分別組成射極輸出器VI<0時(shí)T1截至T2導(dǎo)通的等效電路2.2互補(bǔ)對稱電路2.2.1雙電源互補(bǔ)對稱電路（OCL)1.OCL電路uiiC1iC2OOOOωtωtωtωtuo上頁下頁電路組成返回翻頁ioiC1iC2T1T2E+UCCui+-uo+-－UCC靜態(tài)功率如何功率計(jì)算1.輸出功率：Po=——·——=—UomIom21Uom√2Iom√202.直流電源功率：PE=2·—∫UCC

iC1dωt2π1π=——∫Iomsinωtd

ωtπ0πUCC=——UCCπ2Iom3.效率：η=——=————=——·——PEPo——

2Iom

π

UCC21—UomIom4πUomUCCUom最大可達(dá)到

UCC，ηmax=——=78.5%π4上頁下頁返回翻頁4.功率管選擇：PCMAX＝0.2POMui-VCCT1T2uo+VCCRLiLR1R2ic1ic2OCL乙類功率放大電路OCL甲乙類功率放大電路利用二極管提供偏置電壓工作在乙類狀態(tài)的放大電路，當(dāng)輸入信號很小時(shí)，達(dá)不到三極管的開啟電壓，三極管不導(dǎo)電。因此在正、負(fù)半周交接處產(chǎn)生波形的非線性失真，稱為交越失真?？山o三極管稍稍加一點(diǎn)偏置，使兩管均處微導(dǎo)通狀態(tài)，使之工作在甲乙類OCL甲乙類功率放大電路利用二極管提供偏置電壓利用三極管恒壓源提供偏置＋－如圖所示運(yùn)算放大器電流擴(kuò)展電路，可將輸出電流擴(kuò)展到安培級。若負(fù)載阻抗為8Ω,依圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電路，要求放大器輸入電阻為1KΩ，放大倍數(shù)為100，輸出電流0.5A。運(yùn)放與單元組合電路的分析集成運(yùn)放驅(qū)動(dòng)的OCL電路：實(shí)用的OCL甲乙類功率放大電路實(shí)際功放:甲乙類準(zhǔn)互補(bǔ)對稱OCL電路+UCCET1T2RL+

＋－uOCui+－－+電路組成與工作原理iC1iC22.2.2單電源互補(bǔ)對稱電路（OTL電路）

上頁下頁返回翻頁ui0ωt靜態(tài)直流偏置u00ωtVCC/2RLviT1T2+VCCCAvL+-VCR1R2ic1ic2交越失真OTL乙類功率放大電路單電源互補(bǔ)功率放大電路如圖所示。當(dāng)電路對稱時(shí)，輸出端的靜態(tài)電位等于VCC/2。為了使負(fù)載上僅獲得交流信號，用一個(gè)電容器串聯(lián)在負(fù)載與輸出端之間。這種功率放大電路也稱為OTL互補(bǔ)功率放大電路。OTL甲乙類功率放大電路1、基本原理.單電源供電；.輸出加有大電容。（1）靜態(tài)偏置甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路

調(diào)整RW阻值的大小，可使此時(shí)電容上電壓（2）動(dòng)態(tài)分析（電容起到了負(fù)電源的作用）Ui負(fù)半周時(shí)，T1導(dǎo)通、T2截止；Ui正半周時(shí)，T1截止、T2導(dǎo)通。動(dòng)畫演示（3）輸出功率及效率若忽略交越失真的影響。則：此電路存在的問題：輸出電壓正方向變化的幅度受到限制，達(dá)不到VCC/2。2.帶自舉電路的單電源功放靜態(tài)時(shí)C1充電后，其兩端有一固定電壓動(dòng)態(tài)時(shí)由于C1很大，兩端電壓基本不變，使C1上端電位隨輸出電壓升高而升高。保證輸出幅度達(dá)到VCC/2。C1、R7為自舉電路OTL功率放大器電路uo＋－ui＋－+UCCR3R4R1R2RLRE1RE3RE2T2T3T1EBC1CLCED2D1+++實(shí)用電路上頁下頁返回翻頁總結(jié)：互補(bǔ)對稱功放的類型互補(bǔ)對稱功放的類型雙電源電路又稱OCL電路（無輸出電容）單電源電路又稱OTL電路（無輸出變壓器）第二章音頻功率放大器設(shè)計(jì)第一節(jié)第三節(jié)第二節(jié)概述第四節(jié)功率放大器設(shè)計(jì)各類放大電路集成功率放大器集成功率放大電路大多工作在音頻范圍，除具有可靠性高、使用方便、性能好、重量輕、造價(jià)低等集成電路的一般特點(diǎn)外，還具有功耗小、非線性失真小和溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。并且集成功率放大器內(nèi)部的各種過流、過壓、過熱保護(hù)齊全，其中很多新型功率放大器具有通用模塊化的特點(diǎn)，被稱之為“傻瓜”型的集成功放，使用更加方便安全。集成功率放大器是模擬集成電路的一個(gè)重要組成部分，廣泛應(yīng)用于各種電子電氣設(shè)備中。

3集成功率放大器上頁下頁返回3集成功率放大器中間級啟動(dòng)偏置電路短路過熱保護(hù)短路過熱保護(hù)輸出級輸入級+_24351TDA2030集成音頻功率放大器12345同相輸入反相輸入負(fù)電壓正電壓輸出翻頁集成功放應(yīng)用簡介

1．SHM1150Ⅱ型集成功率放大器SHM1150Ⅱ型集成功率放大器是由雙極型三極管和單極型VMOS管組成的功率放大器，圖6-13（a）為SHM1150Ⅱ型集成功率放大器的內(nèi)部簡化原理圖。其中輸出級采用的是功率VMOSFET管，可以提供較大的功率輸出。和雙極型功率管相比，功率VMOS管具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如耐壓可高達(dá)1000V以上，最大連續(xù)電流可達(dá)200A。并且由于VMOS管的輸入電阻極高，需要的驅(qū)動(dòng)電流非常小，因此可以達(dá)到很高的功率放大倍數(shù)。SHM1150Ⅱ型集成功率放大器（a）內(nèi)部簡化電路;（b）外部接線圖從圖（a）可以看出，輸入級由V1、V2組成帶恒流源的差動(dòng)輸入級，為單入雙出形式，第二級由PNP管V4、V5組成雙入單出的差動(dòng)電路。由于V4、V5的輸入信號分別來自V1、V2的集電極信號uC1和uC2，是大小相等、方向相反的一對差模信號，所以V4、V5完成了將輸入級的雙端輸出信號轉(zhuǎn)換成單端輸出信號的功能，并由V5集電極輸出，提供給輸出級。V5、V6及R9、R10構(gòu)成了可調(diào)偏置電壓電路，用來使功率輸出管工作于甲乙類狀態(tài)，消除交越失真。輸出級為準(zhǔn)互補(bǔ)對稱功率輸出級，V7和V9組成復(fù)合NPN管，V8和V10組成復(fù)合PNP管。

由于輸出管是功率VMOS管，因此使本電路的輸出功率大大增強(qiáng)。負(fù)反饋支路由R4和R2組成，構(gòu)成級間的電壓串聯(lián)負(fù)反饋，起到穩(wěn)定整個(gè)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)和放大倍數(shù)的作用。電容C為相位補(bǔ)償電容，以消除自激。恒流源I1為輸入級提供穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)，并增強(qiáng)了電路抑制漂移的能力，I2是V4、V5的有源負(fù)載。SHM1150Ⅱ接上電源即可作為雙電源互補(bǔ)對稱電路直接使用，如圖（b）所示。該電路可在（±12～±50）V電源電壓下工作，最大輸出功率達(dá)150W，使用十分方便。集成OCL電路的應(yīng)用如圖所示為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、靜噪功能以及短路和過熱保護(hù)等。25WX2LM1875功放電路圖第二章音頻功率放大器設(shè)計(jì)第一節(jié)第三節(jié)第二節(jié)概述第四節(jié)各類放大電路集成功率放大器功率放大器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求 1、設(shè)計(jì)任務(wù)： 設(shè)計(jì)一個(gè)音頻功率放大器，準(zhǔn)確地理解有關(guān)要求，獨(dú)立完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要求所設(shè)計(jì)的電路具有以下功能： （1）額定輸出功率10W，負(fù)載阻抗8Ω。 （2）具有合適頻響寬度、保真度要好、動(dòng)態(tài)特性好，具有音調(diào)控制功能。 （3）所設(shè)計(jì)的電路具有一定的抗干擾能力。

2．設(shè)計(jì)內(nèi)容：（1）畫出電路原理圖；（2）確定元器件及元件參數(shù)；（3）進(jìn)行電路模擬仿真；（4）SCH文件生成與打印輸出。

設(shè)計(jì)方案前置級音調(diào)控制級功率放大級+15V-15V前置放大電路（A1）由A1組成的前置放大電路是一個(gè)同相輸入比例放大器，電路的閉環(huán)特性如下：理想閉環(huán)電壓增益輸入電阻rif=R1輸出電阻rof=0擴(kuò)音機(jī)電路的增益是很高的，所以擴(kuò)音機(jī)的噪聲主要取決于前置放大器的性能。為了減小前置級放大器的噪聲，第一級要選用低噪聲的運(yùn)放。另外，如輸入線的屏蔽情況，地線的安裝等等都對噪聲有很大影響。

音調(diào)控制級音調(diào)控制原理常用的音調(diào)控制電路有三種形式：一是衰減式RC音調(diào)控制電路，其調(diào)節(jié)范圍寬，