第5章 功率放大器.ppt

1、第5章 功率放大器,例： 擴音系統(tǒng),什么是功率放大器？ 在電子系統(tǒng)中，模擬信號被放大后，往往要去推動一個實際的負載。如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動作、 儀表指針偏轉等。推動一個實際負載需要的功率很大。能輸出較大功率的放大器稱為功率放大器。,一. 功放電路的特點,（2） 功放電路中電流、電壓要求都比較大，必須注意電路參數(shù)不能超過晶體管的極限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。,（1）輸出功率Po盡可能大,5.1 功率放大器的特點和分類,功率放大器往往在接近極限運行狀態(tài)下工作,導致輸出信號存在一定程度的失真.,(3) 電流、電壓信號比較大，必須注意防止波形失真。,(4) 電源提供的能量應盡可能多地轉

2、換給負載，盡量減少晶體管及線路上的損失。即注意提高電路的效率（）。使用時必須考慮轉換效率和管耗問題,Po: 負載上得到的交流信號功率。 PE ： 電源提供的直流功率。,（5）功放管散熱和保護問題,由于功率管管耗較大,在使用時一般要加散熱器,以降低結溫,確保三極管安全工作,二. 功率放大器的幾種工作狀態(tài),甲類：Q點基本在負載線的中點，在正弦信號的整個周期內均有電流流過三極管。,有較大的靜態(tài)工作電流ICQ，能對輸入信號的整個周期進行放大，因此輸出信號的非線性失真小。無論有無輸入信號，三極管整個周期內都導通，導通角為360，功放管的管耗大，即，在沒有信號輸入時，電源提供的功率全部消耗在三級管和電阻上

3、，有信號輸入時，電源提供的功率只有一部份轉化為有用的輸出功率。因此電路的能量轉換效率低。理想情況下，電路的效率最高只能達到50%。,乙類：BJT只在正弦信號的半個周期內均導通。,基本上無靜態(tài)電流，使得沒有信號時，管號很小，電路的能量轉換效率高，但只能對半個周期的輸入信號進行放大，失真嚴重，輸出波形被切掉50%。導通角為180,靜態(tài)工作點設置在截止區(qū),甲乙類：介于兩者之間，導通角大于180,三級管靜態(tài)時處于微導通狀態(tài)，工作狀態(tài)介于甲類和乙類之間。靜態(tài)工作點較低，導通角為180360 ，不僅能提高電路的能量轉換效率（效率比乙類低，比甲類高。）還能克服乙類功率放大電路的失真問題，應用較廣泛。,三、功

4、率放大器的分類 1. 按靜態(tài)工作點位置分 （1）甲類（A類）功率放大器：晶體管在整個輸入信號周期都導通的, 即通角360。 （2）乙類（B類）功率放大器：晶體管在半個輸入信號周期導通, 即通角180 。,（3）甲乙類（AB類）功率放大器：是介于甲類和乙類之間的狀態(tài), 即 180360。 （4）丙類（C類）功率放大器：晶體管在小于半個輸入信號周期導通, 即通角 180。 ,甲甲乙乙丙,單管甲類功率放大器的主要缺點是效率低，管耗大。,2. 按功率放大電路與負載間耦合方式分 （1）變壓器耦合 （2）無輸出變壓器耦合互補對稱功率放大器 1）OCL （Output Capacitorless）雙電源供電

5、 無輸出電容 2）OTL（Output Transformerless）單電源供電 有輸出電容 3）BTL（ Balanced Transformerless ）橋式平衡電路,3.3.2 變壓器耦合功率放大電路,RL選擇很重要，實際RL都偏小要得到合適RL，就需要進行阻抗匹配，變壓器可實現(xiàn)。,通過調N1、N2來選出最佳的RL,工作在甲類效率低，變壓器體積大，低頻響應差，不能集成,返回,射極輸出器輸出電阻低，帶負載能力強，可以用做功率 放大器？,Q點正好在中點時,甲類放大電路不適合用于功率放大，僅用于實現(xiàn)電壓、 電流信號放大,甲類,雙電源互補對稱功率放大電路（OCL電路），又稱無輸出電容的功率放

6、大電路。,一. 結構,互補對稱： 電路中采用兩個晶體管：NPN、PNP各一支； 兩管參數(shù)、特性一致。兩管構成的電路形式都為射極輸出器，組成互補對稱式射極輸出器。,5.2 乙類互補對稱功率放大電路,二、工作原理（設ui為正弦波）,靜態(tài)時：電路無靜態(tài)偏置通路，兩管靜態(tài)參數(shù)均為0,ui = 0V ic1、ic2均=0（乙類工作狀態(tài)） uo = 0V,動態(tài)時：,ui 0V,T1截止，T2導通,ui 0V,T1導通，T2截止,iL= ic1 ;,iL=ic2,T1、T2兩個管子交替工作，在負載上得到完整的正弦波。,（2）工作原理,動態(tài)時，當輸入信號處于正半周時，T1導通，T2截止，ie1流過負載，產(chǎn)生u

7、o,同時對電容充電。,當輸入信號為負半周時，T1截止，T2導通，電容放電，產(chǎn)生電流ie2通過負載RL，按圖中方向由下到上，與假設正方向相反。,靜態(tài)時，VB = VA = VCC /2 ，T1、T2截止，即處于乙類工作狀態(tài)，電容兩端的電壓為 VCC /2,于是兩個三極管一個正半周，一個負半周輪流導電，在負載上將正半周和負半周合成在一起，得到一個完整的不失真波形。,嚴格說，輸入信號很小時，達不到三極管的開啟電壓，三極管不導電。因此在正、負半周交替過零處會出現(xiàn)一些非線性失真，這個失真稱為交越失真。如圖所示。,交越失真,輸入輸出波形圖,死區(qū)電壓,靜態(tài)時三極管處于截止區(qū)，由于三極管存在死區(qū)電壓，當輸入信

8、號小于死區(qū)電壓時，三極管都不導通，輸出電壓也為0，因此，在輸入信號正、負半周交接的附近，無輸出信號，輸出波形出現(xiàn)一段失真。稱為交越失真,最大不失真輸出功率Pomax,1.輸出功率Po,三、分析計算,組合特性分析圖解法,輸出電壓越大，輸出功率越大，當三極管進入臨界飽和時，負載上的最大不失真電壓為Uom=VCC- UCES，,一個管子的管耗：直流電源提供的功率與輸出功率之差,2.管耗PVT,兩管管耗,3.電源供給的功率PE,當,4.效率：輸出功率與電源提供的功率之比,最高效率max，理想情況下，忽略UCES,四三極管的最大管耗,問：Uom=？ PT1最大, PT1max=？,用PT1對Uom求導，

9、并令導數(shù)=0，得出： PT1max發(fā)生在Uom=0.64VCC處。 將Uom=0.64VCC代入PT1表達式：,每個管子的最大功耗,總的最大功耗,選功率管的原則：,1. PCM PT1max =0.2PoM,2,例如，負載要求的最大功率POm=10W，那么只要選一個功耗PCm大于0.2POm=2W的功率管就行了。,1.存在交越失真,五、乙類互補對稱功放的缺點,為解決交越失真，可給三極管稍稍加一點偏置（靜態(tài)工作電流，使兩個功率管在靜態(tài)工作情況下處于剛剛導通的狀態(tài)），使之工作在甲乙類。此時的互補功率放大電路如圖所示。,(a)利用二極管提供偏置電壓 (b)利用三極管恒壓源提供偏置,給功率放大管加適當

10、的靜態(tài)偏置， 每個管子BE結加正偏電壓，通常,2. 克服交越失真的辦法,使管子靜態(tài)時微導通， 180360即工作在甲乙類。,靜態(tài)時: T1、T2兩管發(fā)射結電壓分別為二極管D1、 D2的正向導通壓降，致使兩管均處于微弱導通狀態(tài)甲乙類工作狀態(tài),動態(tài)時：設 ui 加入正弦信號。正半周 T2 截止，T1 基極電位進一步提高，進入良好的導通狀態(tài)；負半周T1截止，T2 基極電位進一步降低，進入良好的導通狀態(tài)。,電路中增加 R1、D1、D2、R2支路,1）基本原理,3. 交越失真的消除電路,（ 甲乙類雙電源互補對稱電路）,波形關系：,特點：存在較小的靜態(tài)電流 ICQ 、IBQ 。每管導通時間大于半個周期，基

11、本不失真。,T4管和R1、R2形成T2、T3管的偏置電路。,T4管的集電極和基極之間接了電阻R1，這種電路是電壓并聯(lián)負反饋電路，而且既有直流反饋又有交流反饋。由于直流反饋，使A、B兩點的直流電壓很穩(wěn)定，也就使輸出及T2、T3管有一個穩(wěn)定的直流工作點。,T4管組成的是電壓并聯(lián)負反饋，因此，T4的交流輸出電阻很小，和電流源IR的交流輸出電阻比較，可以忽略不計，即A、B連點的交流電位相同。,4、 克服交越失真的幾種電路甲乙類雙電源互補對稱功率放大電路,(a) 是利用V3管的靜態(tài)電流IC3Q在電阻R1上的壓降來提供V1、V2管所需的偏壓, 即,(b)是利用二極管的正向壓降為V1、V2提供所需的偏壓,

12、VD1、VD2還具有溫度補償?shù)淖饔谩?即,(c)是利用UBE倍壓電路向V1、V2管提供所需的偏壓,1、基本原理,. 單電源供電；,. 輸出加有大電容。,（1）靜態(tài)偏置,5.3 甲乙類單電源互補對稱電路（OTL電路）,調整RW阻值的大小，可使,此時電容上電壓,（2）動態(tài)分析,（電容起到了負電源的作用）,Ui負半周時， T1導通、T2截止；,Ui正半周時， T1截止、T2導通。,（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，達不到VCC/2。,2. 帶自舉電路的單電源功放,自舉電路也叫升壓電路，利用自舉升壓二極管,自舉升壓電容等電子元件，使

13、電容放電電壓和電源電壓疊加，從而使電壓升高有的電路升高的電壓能達到數(shù)倍電源電壓。 C1、R7為自舉電路,通常用一個電容和一個二極管，電容存儲電壓，二極管防止電流倒灌，頻率較高的時候，自舉電路的電壓就是電路輸入的電壓加上電容上的電壓，起到升壓的作用。,自舉電路主要是在甲乙類單電源互補對稱電路中使用較為普遍。甲乙類單電源互補對稱電路在理論上可以使輸出電壓Vo達到Vcc的一半，但在實際的測試中，輸出電壓遠達不到Vcc的一半。其中重要的原因就需要一個高于Vcc的電壓。所以采用自舉電路來升壓。,靜態(tài)時,C1充電后，其兩端有一固定電壓,動態(tài)時,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

14、升高。保證輸出幅度達到VCC/2。,【互補對稱電路需要一對性能相近的異性管，小功率異型管配對較容易，但大功率管配對較困難。如果輸出管用大功率的同型管，而在輸出管的前面再一對異型管就組成復合管。就解決了大功率異型管配對的困難?！?注意：,與一般電壓放大器比較,功放電路在性能上有什么不同點?,電壓放大驅動低負載的阻抗電流能力不強， 功放電路驅動負載的電壓放大能力不強！ 簡單的說就是，一個放大電壓，一個放大電流！,一般的電壓放大器特指那種小信號放大電路，主要用于小信號放大，核心是多級共射放大電路，電壓放大能力（電壓增益）很強，經(jīng)?？梢赃_到40-80dB（100-10000倍），但輸出信號主要用電壓表

15、示，電流強度不大。輸出級一般是用簡單的推挽放大電路，輸出功率不大，一般小于5W。,功率放大電路主要在于功率放大，特別是電流放大，輸出級一般是推挽型放大電路，有的甚至是用MOS并聯(lián)推挽放大電路，輸出功率很強，小的也有瓦級，大的可以達到1000W，2000W甚至更高，可以推動巨大的用電器如大功率音箱，大電動機之類的東西。,相比之下，兩者的設計目標不一致，前者是為處理信號準備的，后者為傳遞和放大功率。 后者的設計難度在于要使用大功率元器件，還有復雜的熱設計；而前者難度在于信號放大時對噪聲的抑制以及對頻率特性的追求。,功放的輸出級有兩個“臂”（兩組放大元件），一個“臂”的電流增加時，另一個“臂”的電流

16、則減小，二者的狀態(tài)輪流轉換。對負載而言，好像是一個“臂”在推，一個“臂”在拉，共同完成電流輸出任務。盡管甲類放大器可以采用推挽式放大，但更常見的是用推挽放大構成乙類或甲乙類放大器。,推挽放大,OTL功放與OCL功放的比較,圖1 OCL功率放大電路,圖2 互補對稱OTL功率放大電路,如上兩幅圖可以看出OTL功放與OCL功放的最大區(qū)別是一個是雙電源供電，一個是單電源供電。,1、 單電源互補對稱電路（OTL電路）具有線路簡單，頻響效果好，效率高等特點。 （1） 該管功率輸出采用共集電極接法，輸出電阻小，能與低阻抗負載較好匹配，無需變壓器進行阻抗匹配 （2） 輸出功率等于Vcc的平方比上8倍的負載電阻

17、,2、 雙電源互補對稱功放電路（OCL電路） （1） 輸出功率等于Vcc的平方比上2倍的負載電阻 （2） 它是兩只三極管輪回工作，由于工作特性，相互補償了對方的工作局限,1. 復合管,增加復合管的目的：擴大電流的驅動能力。, 1 2,管子類型由復合管中的第一支管子決定。電流流向要一致,復合NPN型,復合PNP型,5.4 復合互補對稱功率放大器,2. 帶復合管的OCL互補輸出功放電路：,T1：電壓推動級（前置級）,T2、R1、R2：UBE擴大電路,T3、T4、T5、T6： 復合管構成互補對稱功放,輸出級中的T4、T6均為NPN型晶體管，兩者特性容易對稱。,合理選擇R1、R2，b3、b5間可得到

18、UBE2 任意倍的電壓。,圖中兩個末級對管是同一類型的（均為NPN型）因此比較容易配對。,1、大功率的PNP和NPN兩種類型管子之間難以做到特性一致。 2、輸出大功率時功放管的峰值電流很大。而功放管的不會很大，因而要求其前置級有較大推動電流。,為什么要采用復合管對稱電路？,采用復合管作為功放管，電流放大系數(shù)為兩管電流放大系數(shù)的乘積，因而可降低前級推動電流，又可容易用類型大功率管組成配對的NPN和PNP管,3.帶運放前置放大級的功率放大電路（OCL）,運放A接成同相輸入方式作前置放大級。引入了電壓 串聯(lián)負反饋。整個電路的電壓放大倍數(shù)：,4.帶運放前置放大級的功率放大電路（OTL）,運放A對輸入信

19、號先進行適當放大。以驅動功放管工作。常稱為前置放大級。V4V7為復合管構成的功放管，V4和V6 組成NPN型復合管，V5和V7組成PNP型復合管。V1、V2和V3為功放管的基極提供靜態(tài)偏置電壓。使其靜態(tài)時處于微導通狀態(tài)。,R7和R8稱為泄放電阻，用來減小復合管的穿透電流。電阻R6是V4和V5管的平衡電阻。電阻R9和R10用來穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點，并具有過流保護作用。電阻R1和R11構成電壓并聯(lián)負反饋電路。用來 穩(wěn)定電路的輸出電壓，提高電路的帶負載能力。,總結：互補對稱功放的類型,OTL電路主要性能指標的計算與OCL電路相似，但公式中UCC換成UCC /2,5.5 集成功率放大器介紹,集成功率放

20、大器具有輸出功率大、 外圍連接元件少、 使用方便等優(yōu)點, 目前使用越來越廣泛。 1 TDA2030A音頻集成功率放大器簡介 TDA2030A是目前使用較為廣泛的一種集成功率放大器, 與其它功放相比, 它的引腳和外部元件都較少。常用于收錄機和有源音箱中, 作音頻功率放大器, 也可作其它電子設備中的功率放大。因其內部采用的是直接耦合, 亦可以作直流放大。 ,1）主要性能參數(shù) 電源電壓 UCC318 V 輸出峰值電流 3.5 A 輸入電阻 0.5 M 靜態(tài)電流 60 mA（測試條件: UCC =18 V） 電壓增益 30 dB 頻響B(tài)W 0140 kHz 在電源為15 V、 RL=4 時, 輸出功率

21、為14 W,2）TDA2030引腳排列及功能,TDA2030A集成功放的內部電路,2TDA2030A 集成功放的典型應用 1） 雙電源（OCL）應用電路,輸入信號ui由同相端輸入, R1、 R2、 C2構成交流電壓串聯(lián)負反饋, 因此, 閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為,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。 V1、 V2起保護作用, 用來泄放RL產(chǎn)生的感生電壓, 將輸出端的最大電壓鉗位在（UCC+0.7 V）和（-UCC -0.7 V）上。C3、C4為去耦電容, 用于減少電源內阻對交流信號的影響。 C1、 C2為耦合電容。, 2） 單電源（OTL）應用電路 對僅有一組電源的

22、中、小型錄音機的音響系統(tǒng), 可采用單電源連接方式。,由于采用單電源供電, 故同相輸入端用阻值相同的R1、 R2組成分壓電路, 使K點電位為UCC/2,經(jīng)R3加至同相輸入端。 在靜態(tài)時, 同相輸入端、 反向輸入端和輸出端皆為UCC/2。其它元件作用與雙電源電路相同。,由TDA2030A構成的單電源功放電路,LM386是一種低電壓通用型低頻集成功放。該電路功耗低、允許的電源電壓范圍寬、通頻帶寬、外接元件少, 廣泛用于收錄機、 對講機、 電視伴音等系統(tǒng)中。 ,3. 通用型集成功放LM386,圖a為 LM386內部電路, 共有3級。V1V6組成有源負載單端輸出差動放大器，用作輸入級, 其中V5、V6構成鏡像電流源用作差放的有源負載以提高單端輸出時差動放大器的放大倍數(shù)。中間級是由V7構成的共射放大器, 也采用恒流源I作負載以提高增益。輸出級由V8V10組成準互補推挽功放, 其中VD1、VD2組成功放的偏置電路以消除交越失真。 ,LM386的管腳排列如圖（b）所示, 為雙列直插塑料封裝。管腳功能為: 2、3腳分別為反相、 同相輸入端; 5腳為輸出端; 6腳為正電源端; 4腳接地; 7腳為旁路端, 可外接旁路電容以抑制紋波; 1、 8腳為電壓增益設定端。,當1、8腳開路時,負反饋最深, 電壓放大倍數(shù)