項目六低頻功率放大器

1、6.1 概述6.2 互補推挽功率放大器6.3 其它形式的功放電路工程六 低頻功率放大器返回主目錄6.1.1 功率放大器的主要指標6.1.2 功率放大器的分類 6.1 概述工程六 低頻功率放大器6.1 概述 6.1.1 功率放大器的主要指標 1. 輸出功率Po 功率放大器應(yīng)給出足夠大的輸出功率Po以推動負載工作。為此，功放管一般工作在大信號狀態(tài), 以不超過管子的極限參數(shù)ICM、U(BR)CEO、PCM為限度。這就使功放管平安工作成為功率放大器的重要問題。 2. 效率 功率放大器的效率定義為功率放大器的輸出信號功率Po直流電源供給功率放大器功率PE之比, 用表示，即 = 功率放大器要求高效率地工作

2、，一方面是為了提高輸出功率，另一方面是為了降低管耗。直流電源供給的功率除了一局部變成有用的信號功率以外，剩余局部變成晶體管的管耗PT(PT=PE-Po)。 管耗過大將使功率管發(fā)熱損壞。所以，對于功率放大器，提高效率也是一個重要問題。 3. 非線性失真 功率放大器為了獲得足夠大的輸出功率，需要大信號鼓勵， 從而使信號動態(tài)范圍往往超出晶體管的線性區(qū)域，導致輸出信號失真。因此減小非線性失真，成為功率放大器的又一個重要問題。 概括起來說，要求功率放大器在保證晶體管平安運用的情況下，獲得盡可能大的輸出功率、盡可能高的效率和盡可能小的非線性失真。 6.1.2 功率放大器的分類 功率放大器根據(jù)功放管導通時間

3、的長短或集電極電流流通時間的長短或?qū)ń堑拇笮? 分為以下4種工作狀態(tài): 1甲類工作狀態(tài)。甲類工作狀態(tài)下，在整個周期內(nèi)晶體管的發(fā)射結(jié)都處于正向?qū)? 即導通角等于180, 如圖6 - 1a所示。甲類工作狀態(tài)又稱為A類工作狀態(tài)。 2乙類工作狀態(tài)。乙類工作狀態(tài)下，晶體管的發(fā)射結(jié)在輸入信號的半個周期正向?qū)? 在另外半個周期反向截止, 晶體管半周導電半周截止。 集電極電流只在半周內(nèi)隨信號變化, 而在另外半個周期截止, 即導通角等于90, 如圖6 - 1b所示。 乙類工作狀態(tài)又稱為B類工作狀態(tài)。 3甲乙類工作狀態(tài)。它是介于甲類和乙類之間的工作狀態(tài), 即發(fā)射結(jié)處于正向?qū)ǖ臅r間超過半個周期, 但小于一個

4、周期, 即導通角大于90小于180, 如圖6 - 1c所示, 甲乙類工作狀態(tài)又稱為AB類工作狀態(tài)。 4丙類工作狀態(tài)。丙類工作狀態(tài)下，晶體管發(fā)射結(jié)處于正向?qū)ǖ臅r間小于半個周期, 集電極電流流通的時間還不到半個周期, 即導通角小于90, 如圖6 - 1d所示。丙類工作狀態(tài)又稱為C類工作狀態(tài)。 圖 6 - 1放大器工作狀態(tài)的類型a 甲類; b 乙類; c 甲乙類; d 丙類 由圖6 - 1可以看出，在相同鼓勵信號作用下，丙類功放集電極電流的流通時間最短，一個周期平均功耗最低，而甲類功放的功耗最高。分析說明，相同輸入信號下如果維持輸出功率不變，4類功放的效率滿足：甲甲乙乙2EC, 這也是選擇功放管的

5、一條依據(jù)。 6. 功放管的最大允許電流 功放管處于導通狀態(tài)時,流過管子的最大電流為Ucem/RLEC/RL, 所以, 功放管的集電極最大允許電流必須大于該值, ICM 6.2.3 乙類推挽功率放大器的非線性失真選講 1. 推挽電路對偶次諧波的抑制 在推挽放大器中, 假設(shè)兩管的特性完全一致, 那么它們的電流、電壓波形完全對稱，這樣, iC1、iC2可分別寫成 iC1=I0+Icm1 cos(1t+1)+Icm2cos(21t+2)+ +Icmncos(n1t+n)+ (5 - 17a) iC2=I0+Icm1cos(1t+1)+Icm2cos(21t+2+2)+ 而由圖6- 2a可知iL=iC1

6、-iC2=2Icm1cos(1t+1)+2Icm3cos(31t+3)+ 可見輸出電流或電壓中沒有偶次諧波成分, 即推挽電路可以抑制偶次諧波。 實際上由于兩管特性的差異及電路的不完全對稱, 輸出電流或電壓中總會有些偶次諧波成分, 這就要求盡量精選配對管子, 減小非線性失真。 2. 交越失真與工作點的選擇 iC1、iC2在開始導通的一段時間里增長很慢, 當iC1與iC2相互交替時, iC1iC2的波形和正弦波形相差較大, 如圖6 - 5所示。這種乙類推挽放大器所特有的失真稱為交越失真。 圖 6 5 交越失真 為了消除交越失真, 可分別給兩只晶體管的發(fā)射結(jié)加很小的正偏壓, 讓兩只晶體管各有一個很小

7、的電流ICQ流過。這樣, 既可以根本上消除交越失真, 又不會對效率有很大的影響。圖6 - 6示出了加正偏壓后, 對應(yīng)負載電流iC1iC2的波形。 嚴格地講, 此時晶體管已工作在甲乙類狀態(tài), 但由于正偏壓較小, 靜態(tài)電流很小, 所以一般仍稱它為乙類功率放大器, 其分析計算也按乙類功率放大器對待, 以區(qū)別靜態(tài)電流較大的甲乙類功率放大器。 乙類推挽功率放大器加正向偏置的常用形式如圖6- 7所示。 圖 6 6 交越失真的消除 圖 6 7 消除交越失真的實際電路 對于圖6 - 7a電路, 正向偏壓是利用IC1流過R1產(chǎn)生直流壓降, 為V2、3推挽管提供需要的偏壓 UBE2=UBE3 對于圖6 - 7b電

8、路, 利用二極管由三極管V4、V5連接而得，為V2、V3提供所需的正向偏壓。 UBE2=UBE3=UD2 對于圖6 - 7c電路,V1、 R1、 R2組成的恒壓源電路為V2、V3管提供所需偏壓。由圖可知 忽略IB, 那么IR1R2, 于是不難得到 UBBUBE1+ 調(diào)整R1、R2的比值, 可改變V2, V3 基極間的電壓, 即可得任意倍數(shù)UBE的UBB, 所以通常稱該電路為UBE倍增電路。 以上討論的互補對稱推挽電路, 由于采用正負兩組電源供電, 當無輸入信號時, 靜態(tài)輸出電位為零, 負載RL可直接連到功放電路輸出端, 不需要輸出耦合電容, 因此這種電路又稱OCLOutput Capacito

9、r Less電路。 6.4 其他形式的功放電路 6.4.1 單電源供電的互補推挽電路 雙電源互補推挽電路有時使用不便, 因此提出單電源供電的互補推挽電路, 如圖6 - 9所示。 V1組成鼓勵級, 工作在甲類放大狀態(tài)。V2、V3組成互補推挽功放級, 輸出端通過大電容C2與負載RL相接。由V1的靜態(tài)電流在電阻R4兩端產(chǎn)生的電壓U BB為2、 V3提供正向偏置電壓, 以消除交越失真。 圖 6 9 OTL電路 C3用來旁路R4, 使加到V2、V3基極的鼓勵信號電壓相等。 調(diào)整鼓勵級V1的靜態(tài)工作點改變電阻R1, 使B點電位UB約等于EC/2+0.7V, 那么UE=EC/2。 由于C2容量很大大于200

10、 F, 其充放電時間常數(shù)遠大于信號的半個周期, 所以在兩管輪流導通時, 電容器兩端電壓根本不變, 恒等于EC/2。因此V2和V3兩管的等效電源電壓為EC/2, 這與圖6 - 2a正負兩組電源供電情況是相同的。圖6 - 9所示的推挽電路的輸出功率、效率、功耗等的計算方法與圖6 - 2a電路的也完全相同, 只需用EC/2取代公式中的EC即可, 這里不再重復。 圖6 - 9所示電路又稱為OTLOutput Trantsformer Less電路。 6.6.2 準互補推挽功率放大器 1. 復合管的構(gòu)成 圖6 - 10為復合管的兩種形式。圖a為兩只NPN管等效一只NPN管, 這種復合接法稱為達林頓接法;

11、 圖b中V1為PNP管, V2為NPN管, 二者等效一只PNP管。 可見，復合管的類型取決于第一個晶體管的類型。在構(gòu)成復合管時應(yīng)保證兩管的基極電流能流通，而且第一管的集電結(jié)不能和第二管的發(fā)射結(jié)接在一起, 以免集電結(jié)電壓受發(fā)射結(jié)電壓的限制。 2 準互補推挽電路 圖6- 11所示是一準互補OTL電路。圖中V1、V3等效為NPN管, V2、V4等效為PNP管。V3、V4是同類晶體管, 不具互補性；互補作用是靠V1、V2實現(xiàn)的, 這畢竟和完全互補不同, 故稱為準互補。 圖6 10 復合管的兩種形式圖 圖6 11 準互補OTL電路a 等效NPN管; b等效PNP管 集成功放電路 目前集成功放電路已大量涌

12、現(xiàn), 其內(nèi)部電路一般均為OTL或OCL電路, 集成功放除了具有分立元件OTL或OCL電路的優(yōu)點外, 還具有體積小、工作穩(wěn)定可靠、使用方便等優(yōu)點, 因而獲得了廣泛的應(yīng)用。 低頻集成功放的種類很多, 較常用的器件列在表6 - 1中。下面以LM386為例作一簡單介紹。 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。 LM386內(nèi)部電路如圖6 - 16a所示, 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(gòu)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

13、倍數(shù)。中間級是由V7構(gòu)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。 圖 6- 16 LM386集成功率放大器 a 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖; b 管腳排列 LM386的管腳排列如圖6 - 16b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(shè)定端。 當1、8腳開路時, 負反響最深, 電壓放大倍數(shù)最小, 此時Auf=20。當1、8腳間接入10 F電容時, 內(nèi)部1.35 k

14、電阻被旁路, 負反響最弱, 電壓放大倍數(shù)最大, 此時Auf=20046 dB)。當1、8腳間接入電阻R和10 F電容串聯(lián)支路時, 調(diào)整R可使電壓放大倍數(shù)Auf在20200間連續(xù)可調(diào), 且R越大, 放大倍數(shù)越小。 LM386的典型應(yīng)用電路如圖6- 17所示。 圖 6 17 LM386典型應(yīng)用電路圖 參照上面的說明, 我們可以知道: 5 腳輸出: R3、C3構(gòu)成串聯(lián)補償網(wǎng)絡(luò)， 與呈感性的負載揚聲器相并, 最終使等效負載近似呈純阻, 以防止高頻自激和過壓現(xiàn)象。 7 腳旁路: 外接C2去耦電容, 用以提高紋波抑制能力, 消除低頻自激。 1、 8 腳設(shè)定電壓增益: 其間接R2、10 F串聯(lián)支路, R2用

15、以調(diào)整電壓增益。當R2=1.24 k時,Auf=50。 將上述電路稍作變動, 如在1、 5腳間接入R、C串聯(lián)支路, 那么可以構(gòu)成帶低音提升的功率放大電路。 利用LM386還可以組成方波發(fā)生器, 詳細情況， 請讀者參閱有關(guān)書籍。 例 6 1 圖6 - 18所示為一擴音機的局部電路 1 分析電路， 說明電路由哪幾局部組成， 各局部分別屬于何種電路形式。 2假設(shè)V9、V10的飽和壓降為2V，估算負載RL上的最大輸出電流ILmax。 3設(shè)三極管的UBE及二極管的導通壓降UD均為0.7， 估算ICQ1、ICQ4的值。 圖 6 18 例6 - 1圖 4當負載RL上有最大不失真輸出電壓時， 輸入信號的幅度U

16、im應(yīng)為多大？ 5估算電路的最大輸出功率Pomax和功放管的最大管耗PTmax。 6 說明C2、 C3和C4的作用。 解: (1 電路的組成。 輸入級：由V1、V2、V3組成單端輸入、單端輸出的恒流源差動放大電路，可有效地放大信號，抑制零漂。 中間級：由V4、V5組成有源負載的共射放大器。其中V4為放大管，V3為V4的有源負載，從而保證本級有較高的電壓增益。 輸出級：由V7V10共同構(gòu)成準互補OCL電路， 向負載輸出大功率。其中V7、V9復合等效為一只NPN管，V8、 V10復合等效為一只PNP管。同時，由V6、RC4、RC5組成的UBE倍增電路為功放復合管提供微弱的正偏電壓，以消除交越失真。調(diào)節(jié)R4可方便地改變V7、V8基極間的靜態(tài)壓降。 偏置電路：由V3、V5和VD1、VD2、R1組成的電流源電路為各級提供適宜的靜態(tài)偏置，同時兼作有源負載以提高電壓增益。 2最大輸出電流ILmax。 當V9或V10處于臨界飽和狀態(tài)時，負載RL上可得到最大輸出電流ILmax為 ILmax= 3V1、V4管的靜態(tài)工作電流ICQ1、ICQ4。 差動對管V1、V2的靜態(tài)工作電流ICQ1= ICQ2，且兩者之和等于V3管的靜態(tài)工作電流ICQ3。為此，首先