第4章-低频功率放大器

1第4章低频功率放大器【课题】4.1低频功率放大器概述【教学目的】1．了解低频功率放大器基本要求。2．掌握功率放大器的三种工作状态。3．了解功率放大器的常用耦合方式。【教学重点】1．低频功率放大器基本要求。2．低频功率放大器的分类。【教学难点】1．低频功率放大器基本要求。2．功率放大器的三种工作状态。【教学参考学时】1学时【教学方法】讲授法【教学过程】一、引入新课1．复习电压放大器主要任务。2．列举低频功率放大器的应用：如扩音系统或收音机电路中的功放电路。二、讲授新课4.1.1低频功率放大电路的基本要求功率放大器作为放大电路的输出级,具有以下几个特点和基本要求：1．能向负载输出足够大的不失真功率由于功率放大器的主要任务是向负载提供不失真的信号功率，因此，功率放大器应有较高的功率增益，即应有较高的输出电压和较大的输出电流。2．有尽可能高的能量转换效率功率放大器实质上是一个能量转换器，它将电源供给的直流能量转换成交流信号的能量输送给负载，因此，要求其转换效率高。3．尽可能小的非线性失真由于输出信号幅度要求较大，功放管（三极管）大都工作在饱和区与截止区的边沿，因此，要求功放管的极限参数ICm、PCm、V（BR）CEO等除应满足电路正常工作外还要留有一定余量，以减小非线性失真。24．功放管散热性能要好直流电源供给的功率除了一部分变成有用的信号功率以外，还有一部分通过功放管以热的形式散发出去（管耗），因此，降低结温是功率放大器要解决的一个重要问题。4.1.2低频功率放大器的分类1．按电路工作状态分类（1）甲类功放电路甲类功放电路中的功放管始终工作在三极管输出特性曲线的线性部分如图4.1（a）所示，即在输入信号的整个周期内，功放管始终导通，故电路输出波形失真小，但因静态时，功放管处于导通状态，且静态电流（ICQ）较大，电路转换效率较低，理想情况下最大效率达50%。（2）乙类功放电路乙类功放电路在静态时，功放管处于截止状态，如图4.1（b）所示，即在输入信号的整个周期内，功放管只在输入信号的半个周期内导通的。因此，电路需用两只参数基本一致的功放管轮流工作（推挽）才能输出完整的波形信号。由于静态电流为零，电路转换效率较高，理想情况下可达78.5%，但因电路输出波形存在交越失真（注：该内容将在4.2常用低频功率放大器中学习），需解决失真问题。（3）甲乙类功放电路甲乙类功放电路在静态时，功放管处于微导通状态，如图4.1（c）所示，即在输入信号的整个周期内，功放管只在输入信号的大半个周期内导通。与乙类功率放大器电路一样，需用两只参数基本一致的功放管轮流工作（推挽）才能输出完整的波形信号。由于静态时管子仍然处于导通状态，因此，在输入信号很小时，两个功放管同时都工作，克服了交越失真。电路转换效率略低于乙类，原因是静态时电路中仍有很小的电流，电路会消耗部分电源功率。图4.1功放管的三种工作状态2．按耦合方式分类（1）阻容耦合功放电路——功放电路输出端通过耦合电容连接负载，如：OTL功放电路。（2）变压器耦合功放电路——功放电路输出端通过变压器连接负载。变压器具有阻抗变换作用，可使负载获得最大功率，但由于有变压器体积大、损耗大、频率特性差等不足之处，目前应用不多。（3）直接耦合功放电路——功放电路输出端无需通过任何元件而直接与负载相连，如：OCL功放电3路及集成功放电路。三、课堂小结1．低频功放电路的基本要求。2．低频功放电路的分类。四、课堂思考P97思考与练习题1、2、3。五、课后练习P108一、填空题：1~4；二、判断题：2；三、选择题：1~4。【课题】4.2常用低频功率放大器【教学目的】1．会识读OTL、OCL功放电路的电路图。2．理解OCL和OTL功放电路的工作原理。3．理解产生交越失真原因、掌握消除交越失真的方法。4．会计算OCL、OTL功放电路的最大输出功率。5．了解功放器件的选用及安全使用常识。【教学重点】1．OCL和OTL功放电路组成、主要元件的作用及工作原理。2．消除交越失真的方法。3．计算OCL、OTL功放电路的最大输出功率。4．功放器件的选用及安全使用常识。【教学难点】1．产生交越失真的原因及消除方法。2．OCL功放电路主要元件的作用及工作原理。3．OTL功放电路主要元件的作用及工作原理。【教学参考学时】4学时【教学方法】讲授法、分组讨论法。【教学过程】一、引入新课复习低频功率放大器的分类。4二、讲授新课4.2.1OCL功率放大器一、未设偏置电路的OCL功放电路1．电路组成特点（1）由一对特性参数基本相同，导电类型不同的功放管V1（NPN管）和V2（PNP管）组成的射极输出器构成，如图4.2所示。（2）电路输出端采用直接耦合。（3）电路采用双电源供电。（4）电路未设置偏置电路，静态时两功放管均处于截止状态，即电路工作在乙类状态。2．电路工作原理（1）静态时，由于V1和V2特性相同，供电电源对称，使功放管发射极到地的电压，即中点电位VA=0，功放管V1、V2均截止，电路中无功率损耗。（2）当输入交流信号vi为正半周期时,V1正偏导通，V2反偏截止,信号经V1管放大，V1管集电极电流ic1流经负载RL，在RL上形成输出电压vo的正半周，如图4.3（教材图4.6）所示，其电流方向如图4.2中箭头所示。（3）当vi为负半周时,V1反偏截止,V2正偏导通,信号经V2管放大，V2管集电极电流ic2流经RL，在RL上形成输出电压vo的负半周，电流方向与正半周相反。因此，在输入信号变化一个周期内，V1、V2交替半周导通，犹如一推一挽，在负载上合成完整的信号波形。3．电路存在交越失真（1）交越失真输出波形在正、负半周的交替处产生失真称为交越失真，如图4.3所示。（2）产生交越失真的原因电路未设置偏置电路，功放管因静态电流为零，处于截止状态。在输入信号vi小于死区电压时，三极管不能导通，造成两功放管在输出信号的正、负半周交接处（零点附近）电压为零，产生波形失真。（3）克服交越失真的方法：给功放管设置适当的直流偏置，使其静态时处于微导通状态，即工作于甲乙类状态，如图4.4（教材图4.7）所示。电路中接入二极管V3和V4的目的就是给功放管V1和V2加入直流偏置，消除电路的交越失真。VccVcc交越失真图4.35二、加有偏置电路的OCL功放电路1．电路组成特点在图4.3所示电路的基础上增加了：（1）激励管（推动管）V5——起电压放大作用，推动功放管工作。（2）R1——V5管的集电极电阻，可将V5放大的电流信号转换为电压信号。（3）V3、V4、R1和R2——构成V1、V2的偏置电路，使电路工作于甲乙类状态，其目的是克服交越失真。（4）R2——V1管的发射极负反馈电阻，起稳定静态工作点和改善输出信号失真的作用。2．工作原理（1）在vi的正半周（瞬时极性见图），V5输出负极性信号，V1反偏截止，V2正偏导通，信号经V2放大后，形成信号电流iC2，并在RL两端产生负半周输出信号电压vo，V2的直流电源由–Vcc提供。（2）在vi的负半周，V5输出正极性信号，V1正偏导通，V2反偏截止，信号经V1放大后形成信号电流iC1，在RL两端产生正半周输出信号电压vo，V1的直流电源由Vcc提供。3．OCL功放电路的输出功率和效率（1）OCL功放电路最大输出功率（2）由于功放管静态时有微小的偏置电流，所以其最大效率略低于乙类。4.2.2OTL功率放大器OCL功放电路具有低频响应好、便于集成化的优点，但需要两个独立的电源，在实际应用中不太方便。OTL功放电路采用单电源供电，是一种常用的功放电路。1．电路组成OTL功放电路如图4.5所示，其组成特点及元件的主要作用如下：（1）V1、RP1、R1、R2、R3、R5和C2组成激励级：起电压放大作用，推动功放管工作。其中C2是中和电容，防止电路产生高频自激。LccomRVP22+++++–+++R4R6+VccR5C3C4V3iC3RP2C5ARP1C2V2V4＋iC4RLvoC1R1V1viR2R3－图4.5OTL功放电路6（2）可调电阻RP1作用：①给激励管V1发射结提供正向偏置电压；②调节电路中点电压，使两功放管发射极公共点（A点）电位为电源电压的一半，即为；③起电压并联负反馈作用，既可稳定静态工作点又能稳定输出信号的幅度。（3）V3和V4：起功率放大作用。（4）二极管V2和可调电阻RP2的作用：给功放管提供适当的直流偏置，使其工作在甲乙类工作状态，消除电路的交越失真。（5）电路与负载之间的连接采用电容耦合。输出耦合电容C5的作用：①耦合输出信号；②因电路采用单电源供电，在V3截止时兼作V4的电源。（6）C3、R6组成电源退耦电路，其主要作用滤除电源中的各种干扰信号。（7）电容器C4和电阻R4组成自举电路，其主要作用改善输出波形的失真。2．电路工作原理在vi的负半周（瞬时极性见图4.5），V1输出正极性信号，V3正偏导通，V4反偏截止，信号经V3放大后形成信号电流iC3，经C5耦合，在RL两端产生正半周输出信号电压vo。同时，电源经V3对C5充电。在vi的正半周，V1输出负极性信号，V3反偏截止，V4正偏导通，C5经V4向RL放电，C5起到负电源的作用，信号经V4放大后，形成信号电流iC4，并在RL两端产生负半周输出信号电压vo。3．OTL功放电路的最大输出功率4.2.3功放器件的选用和安全使用常识1．功放管的选用（1）OCL功放电路：（2）OTL功放电路：（3）对于OCL和OTL功放电路，功放管选用时应注意配对原则。2．功放管安全使用常识（1）功放管在使用的过程中，必须采用相应的散热措施。（2）在更换功放管时，除考虑配对原则外，还应先检查其前级推动电路或负载是否存在故障，以免更换功放器件后再次损坏。（3）不能把两个功放管的金属外壳或散热片未经绝缘措施就直接安装到散热板（或片）上，以免造成短路。（4）为保护功放管，在开、关功放电路的电源之前，要把功放电路的音量调至最小。LccCmccCEOBRRVIVV2LccCmccCEOBRRVIVV22ccVLccLccomRVRVP8221227（5）不能在功放电路通电的情况下连接音箱线。三、课堂小结1．比较OCL和OTL功放电路组成、工作原理及最大输出功率的同异。2．交越失真的产生和消除方法。3．功放管选用及安全使用常识。四、课堂思考P102思考与练习题1、2、3。五、课后练习P108一、填空题：5~7；二、判断题：1、3、4；三、选择题：5、6；四、技能实践题：2；五、计算题。【课题】4.3典型功放集成电路及其应用【教学目的】1．了解典型功放集成电路引脚功能和电路特点。2．了解典型功放集成电路应用。【教学重点】1．典型功放集成电路引脚功能和电路特点。2．典型功放集成电路应用。【教学难点】典型功放集成电路应用。【教学参考学时】1学时【教学方法】讲授法、分组讨论法。【教学过程】一、引入新课例举功放集成电路常用在袖珍式放音机、收音机、便携式收录机、玩具等薄型机中，让学生了解除集成运放外，日常生活中还有很多常用的集成电路需要学习。二、讲授新课4.3.1典型功放集成电路简介1．TDA2030引脚说明如图4.6所示。2．电路特点图4.6TDA2030功放集成电路引脚功能图8集成功放除了具有一般集成电路共同特点外，还具有温度稳定性好，电源利用率高，功耗较低，非线性失真较小，工作安全可靠、开机冲击电流小等优点，对于输出功率比较大的集成功放有时需在其外壳上装散热片。TDA2030功放集成电路输出功率大，Po=18W(RL=4Ω)，能在±6V~±22V的电压下工作，适合用作电脑有源音箱的功放器。4.3.2典型功放集成电路应用实例实用的音频功率放大器电路图如图4.7（教材图4.9）所示。图中，TDA2030为高保真功放集成电路，输出功率大于10W，输出电流峰值最大可达3.5A；C1是输入耦合电容；R3是TDA2030同相输入端偏置电阻；C2起隔直流作用；R1、R2为交流负反馈电阻，其比值决定该电路的闭环增益，即电路的闭环增益为（R1+R2）/R2=（13+0