9 功率放大电路

第九章功率放大电路9.1功率放大电路的一般问题•功率放大电路的定义功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。它一般直接驱动负载，带负载能力要强。•功率放大电路与电压放大电路的区别(1).本质相同电压放大电路或电流放大电路：主要用于增强电压幅度或电流幅度。功率放大电路:主要输出较大的功率。但无论哪种放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电流和功率，从能量控制的观点来看，放大电路实质上都是能量转换电路。因此，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。称呼上的区别只不过是强调的输出量不同而已。•功率放大电路与电压放大电路的区别(2).任务不同电压放大电路：主要任务是使负载得到不失真的电压信号。输出的功率并不一定大。在小信号状态下工作。功率放大电路：主要任务是使负载得到不失真（或失真较小）的输出功率。在大信号状态下工作。(3).指标不同电压放大电路：主要指标是电压增益、输入和输出阻抗。功率放大电路：主要指标是功率、效率、非线性失真。(4).研究方法不同电压放大电路：图解法、等效电路法功率放大电路：图解法9.1功率放大电路的一般问题•功率放大电路的特殊问题(1)功率要大：为了获得大的功率输出，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因此管子往往在接近极限运用状态下工作。（2）效率要高：所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。它代表了电路将电源直流能量转换为输出交流能量的能力。（3）失真要小：功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。在不同场合下，对非线性失真的要求不同，例如，在测量系统和电声设备中，这个问题显得重要，而在工业控制系统等场合中，则以输出功率为主要目的，对非线性失真的要求就降为次要问题了。（4）散热要好：在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在管子的集电结上，使结温和管壳温度升高。为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率，放大器件的散热就成为一个重要问题。9.1功率放大电路的一般问题•放大电路的工作状态分类根据放大电路中三极管在输入正弦信号的一个周期内的导通情况，可将放大电路分为下列三种工作状态：9.1功率放大电路的一般问题图1甲类放大图2乙类放大图3甲乙类放大图4丙类放大甲类甲乙类乙类丙类•提高效率的主要途径效率η是负载得到的有用信号功率（即输出功率Po）和电源供给的直流功率（PV）的比值。要提高效率，就应降低消耗在晶体管上的功率PT，将电源供给的功率大部分转化为有用的信号输出功率。在甲类放大电路中，为使信号不失真，需设置合适的静态工作点，保证在输入正弦信号的一个周期内，都有电流流过三极管。当有信号输入时，电源供给的功率一部分转化为有用的输出功率，另一部分则消耗在管子（和电阻）上，并转化为热量的形式耗散出去，称为管耗。甲类放大电路的效率是较低的，可以证明，即使在理想情况下，甲类放大电路的效率最高也只能达到50%。提高效率的主要途径是减小静态电流从而减少管耗。静态电流是造成管耗的主要因素，因此如果把静态工作点Q向下移动，使信号等于零时电源输出的功率也等于零（或很小），信号增大时电源供给的功率也随之增大，这样电源供给功率及管耗都随着输出功率的大小而变，也就改变了甲类放大时效率低的状况。实现上述设想的电路有乙类和甲乙类放大。乙类和甲乙类放大主要用于功率放大电路中。虽然减小了静态功耗，提高了效率，但都出现了严重的波形失真，因此，既要保持静态时管耗小，又要使失真不太严重，这就需要在电路结构上采取措施。9.1功率放大电路的一般问题9.2乙类互补对称放大电路•乙类互补对称电路1.电路组成:•乙类互补对称电路2.工作原理:9.2乙类互补对称功率放大电路•乙类互补对称功放的图解分析功率放大电路的分析任务是求解最大输出功率、效率及三极管的工作参数等。分析的关键是vo的变化范围。9.2乙类互补对称功率放大电路•1）功放的最大输出功率由于在输出端获得的电压和电流均为正弦信号，根据功率的定义得式中，Uom、Iom分别是负载上电压和电流的峰值。由式可见，输出电压Uom越大，输出功率越高，当三极管进入临界饱和时，输出电压Uom最大，其大小为若忽略UCES，则9.2乙类互补对称功放电路L2omomomooo2121RUIUIUPCESCComaxUVUCComaxVU故负载上得到的最大输出功率为•2)直流电源提供的功率PE两个直流电源各提供半个周期的电流，其峰值为Iom=Uom/RL。故每个电源提供的平均电流为因此两个电源提供的功率为9.2乙类互补对称功放电路L2CC2CESCCLomax21)(21RVUVRPLomomπ0omEππ)(d)(sinπ21RUIttIICComLCCEEπ22VURVIP输出最大功率时，电源提供的功率也最大：•3)效率η输出功率与电源提供的功率之比称为功率放大器的效率。一般情况下效率为理想情况下，忽略UCES，则Uom≈VCC，得到电路的最大效率为≈78.5%9.2乙类互补对称功放电路2CCLEmπ2VRPCCom00Eo4π100VUPP0000Emomm1004π100PP•4)管耗PV直流电源提供的功率与输出功率之差就是消耗在三极管上的功率，即由分析可知，当Uom=2VCC/π≈0.64VCC时，三极管总管耗最大，其值为每个管子的最大功耗为9.2乙类互补对称功放电路L2omCComLoEV2π2RUVURPPPomaxomax2L22ccVmax4.0π4π2PPRVPomaxVmaxV2maxV1max2.021PPPP9.2乙类互补对称功放电路•5)功率管的选择功率管的极限参数有ICM、PCM和U(BR)CEO，若想得到最大输出功率，功率管的参数应满足下列条件：(1)功率管的最大功耗应大于单管的最大功耗，即(2)功率管的最大耐压即一只三极管饱和导通时，另一只三极管承受的最大反向电压约为2VCC。（3）功率管的最大集电极电流omVmaxCM2.021PPPCC(BR)CEO2VULCCCMRVI•交越失真及其消除在乙类互补对称功率放大电路中，静态时三极管处于截止区。由于三极管存在死区电压，当输入信号小于死区电压时，三极管V1、V2仍不导通，输出电压uo也为零。因此在输入信号正、负半周交接的附近，无输出信号，输出波形出现一段失真，这种失真称为交越失真。为了消除交越失真，通常给功率放大管加适当的静态偏置，使其静态时处于微导通状态。9.2乙类互补对称功放电路9.2乙类互补对称功放电路•单电源互补对称功率放大电路（OTL电路）双电源互补对称功率放大电路由于静态时输出端电位为零，负载可以直接连接，不需要耦合电容，因而OCL电路具有低频响应好、输出功率大、便于集成等优点，但需要双电源供电，使用起来有时会感到不便。如果采用单电源供电，只要在两管发射极与负载之间接入一个大容量电容即可。这种电路通常称为无输出变压器电路，简称OTL(OutputTransformerLess)电路。9.3甲乙类互补对称功放电路•1.电路组成9.3甲乙类互补对称功放电路•2.工作原理9.3甲乙类互补对称功放电路在vi=0时，调节R1、R2，就可使IC3、VB2和VB1达到所需大小，给T2和T1提供一个合适的偏置，从而使K点电位VK=VC=VCC/2。vi≠0时，在信号的正半周，T1导电，有电流通过负载RL，同时向C充电；在信号的负半周，T2导电，则已充电的电容C起着双电源互补对称电路中电源-VCC的作用，通过负载RL放电。只要选择时间常数RLC足够大（比信号的最长周期还大得多），就可以认为用电容C和一个电源VCC可代替原来的+VCC和-VCC两个电源的作用。与OCL电路相比，OTL电路少用一个电源，故使用方便。但由于输出端的耦合电容容量大，电容器内铝箔卷圈数多，呈现的电感效应大，它对不同频率的信号会产生不同的相移，输出信号有附加失真，这是OTL电路的缺点。从基本工作原理上看，两个电路基本相同，只是在单电源互补对称电路中每个功放管的工作电压不是VCC，而是VCC/2。9.3甲乙类互补对称功放电路互补对称功率放大电路中，要求两个功放管完全对称，这对于大功率管来说实现起来比较困难。实际工作中，常常采用复合管的接法来实现互补。•1.复合管的结构复合管又称为达林顿管，是由两个或两个以上三极管按照一定的方式连接而成的，有四种常见的复合管类型。复合管的类型取决于V1管。9.4复合互补对称功放电路复合管的结构2.复合管的特点1)电流放大系数很大复合管的电流放大系数近似为组成该复合管各三极管β的乘积，其值很大。复合管的电流放大系数为9.4复合互补对称功放电路212121b1b112b11b1b22b111bc2c1bc)1(iiiiiiiiiii2)穿透电流大由于复合管中第一个晶体管的穿透电流会进入下一级晶体管进行放大，使得总的穿透电流比单管穿透电流大得多，这是复合管的缺点。为了减小穿透电流的影响，常在两个晶体管之间并接一个泄放电阻。泄放电阻R的接入将V1管的穿透电流ICEO1分流，R越小，分流作用越大，复合管总的穿透电流越小。但是，R的接入也会使复合管的电流放大倍数下降。9.4复合互补对称功放电路9.4复合管构成的OTL功率放大电路•运算放大器A对输入信号先进行适当放大，以驱动功放管工作，常称为前置放大级。V4~V7为复合管构成的功放管，V4和V6组成NPN型复合管，V5和V7组成PNP型复合管。D1、D2和D3为功放管的基极提供静态偏置电压，使其静态时处于微导通状态。R7和R8称为泄放电阻，用来减小复合管的穿透电流。电阻R6是V4和V5管的平衡电阻，电阻R9和R10用来稳定电路的静态工作点，并具有过流保护的作用。电阻R1和R11构成电压并联负反馈电路，用来稳定电路的输出电压，提高电路的带负载能力。9.4复合互补对称功放电路返回上一页集成功率放大器(integratedpoweramplifier)具有输出功率大、外围连接元件少、使用方便等优点，目前使用越来越广泛。它的品种很多，本节主要介绍两种常用的集成功率放大器TDA2030A和LM386。1.TDA2030A音频集成功率放大器简介TDA2030A是目前使用较为广泛的一种集成功率放大器，与性能类似的其他功放相比，它的引脚和外部元件都较少。TDA2030A的电气性能稳定，能适应长时间连续工作，内部集成了过载保护和过热保护电路。金属外壳可直接固定在散热片上并与地线（金属机箱）相接，无需绝缘，使用很方便。9.5集成功率放大器TDA2030A集成功放的内部电路•电源电压VCC±3～±18V•输出峰值电流3.5A•输入电阻0.5MΩ•静态电流60mA(测试条件:UCC=±18V)•电压增益30dB•频响BW0～140kHz•谐波失真THD0.5%•在电源为±15V、RL=4Ω时输出功率为14W。9.5集成功率放大器2.TDA2030A的性能指标TDA2030A适用于收录机和有源音箱中，作音频功率放大器，也可作其他电子设备中的功率放大。因其内部采用的是直接耦合，亦可作直流放大。主要性能参数如下：3.TDA2030A集成功放的典型应用1)双电源(OCL)应用电路图9-12所示电路是双电源时TDA2030A的典型应用电路。信号ui由同相端输入，R1、R2、C2构成交流电压串联负反馈，因此闭环电压放大倍数为R3为输入端的直流平衡电阻，保证输入级的偏置电流相等，选择R3=R1。VD1、VD2为保护二极管，用来泄放负载RL产生的感生电压，将输出端的最大电压钳位在±(VCC+0.7)V范围内。9.5集成功率放大器33121ufRRA•C1、C2为耦合电容。C3、C4为去耦电容，用于减少电源内阻对交流信号的影响。•2)单电源(OTL)应用电路•对仅有一组电源的中、小型录音机的音响系统，可采用图9-13所示的单电源连接方式。由于采用单电源供电，故同相输入端用阻值相同的R1、R2组