第四章功率放大電路

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第四章功率放大電路功率放大電路的特點與類型乙類雙電源互補對稱功率放大電路集成功率放大器例：擴音系統(tǒng)實際負載什么是功率放大器？

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功率放大電壓放大信號提取

功率放大電路概述例：擴音系統(tǒng)執(zhí)行機構功率放大器的作用：

用作放大電路的輸出級，以驅動執(zhí)行機構。如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動作、儀表指針偏轉等。功率放大電壓放大信號提取

概述

功率放大電路概述

功率放大電路的特點

功率放大器的主要任務是向負載提供較大的信號功率，故功率放大器應具有以下幾個主要特點。1.

輸出功率要足夠大

如輸入信號是某一頻率的正弦信號，則輸出功率的表達式為

Po=IoUo

改用振幅值表示為Po=

IomUom

2.

效率要高

功率放大器實質上是一個能量轉換器，它是將電源供給的直流能量轉換成交流信號的能量輸送給負載，因此，要求轉換效率高。

式中，Po為信號輸出功率，PDC是直流電源向電路提供的功率。在直流電源提供相同直流功率的條件下，輸出信號功率愈大，電路的效率愈高。3.

非線性失真要小

功率放大器是在大信號狀態(tài)下工作，電壓、電流擺動幅度很大，而且由于三極管是非線性器件，在大信號工作狀態(tài)下，器件本身的非線性問題十分突出，因此，輸出信號不可避免地會產(chǎn)生一定的非線性失真。在實際應用中，要采取措施減少失真，使之滿足負載要求。4.

圖解法進行估算

由于功放工作在大信號狀態(tài)，實際上已不屬于線性電路的范圍，故不能用小信號微變電路的分析方法，通常采用圖解法對其輸出功率、效率等指標作粗略估算。設計功放電路應注意的問題(1)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

。ICMPCMUCEMIcuce工作區(qū)(2)電流、電壓信號比較大，必須注意防止波形失真。即動態(tài)范圍要盡可能大。(3)電源提供的能量盡可能地轉換給負載，以減少晶體管及線路上的損失。即注意提高電路的效率（）。Pomax

:負載上得到的交流信號功率。PE：電源提供的直流功率。

功率放大與電壓放大的區(qū)別1.后者只能給出放大的電壓，不能給出大電流，所以其功率輸出并不大。而前者則既要輸出大電壓，又要輸出大電流。2.兩者都放大信號，但前者要輸出大電流，所以對器件要求高，即耐壓高，電流大，包括對三極管，電阻，電容等。3.后者對電源轉換效率要求不高，因為輸出功率較小，所以電源本身功耗不大，一般可以不考慮功率損耗。而前者對電源要求高，電路設計中要提高能量轉換效率。尤其是便攜式，移動式設備中對此要求更高。電壓放大電路的要求三極管工作在放大狀態(tài)主要討論的是電壓增益、輸入和輸出電阻等不失真功率放大的特殊要求

Pomax

大，三極管盡限工作=Pomax/PDC

要高非線性失真要小管耗盡可能小與前面介紹的電壓放大電路有本質上的區(qū)別ICUCEOQiCtOICUCEOQiCtOICUCEOQiCtO晶體管的工作狀態(tài)甲類工作狀態(tài)晶體管在輸入信號的整個周期都導通靜態(tài)IC較大，波形好,管耗大效率低。乙類工作狀態(tài)晶體管只在輸入信號的半個周期內(nèi)導通，靜態(tài)IC=0，波形嚴重失真,管耗小效率高。甲乙類工作狀態(tài)晶體管導通的時間大于半個周期，靜態(tài)IC0，一般功放常采用。

射極輸出器的輸出電阻低，帶負載能力強，是否可以作功放呢？問題討論RbuoUCCuiibRE射極輸出器能否做功率放大？答：不合適，因為效率太低。uotuo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嗎？問題討論:ibuceQIcUCC/REUCCRbuoUCCuiRE射極輸出器效率低的原因：一般射隨靜態(tài)工作點（Q）設置較高（靠近負載線的中部），信號波形正負半周均不失真。電路中存在的靜態(tài)電流（ICQ），在晶體管和射極電阻中造成較大靜態(tài)損耗，致使效率降低。設Q點正好在負載線中點，若忽略晶體管的飽和壓降，則有：RbuoUCCuiRE考慮最理想的情況：設負載開路，此時輸出電壓最大；同時忽略管子壓降。uotuoibQicuceUCC首先做負載線確定工作點Q注意是uo而不是uce忽略晶體管的飽和壓降和截止區(qū)，輸出信號uo的峰值最大只能為：QIcuCEUCC直流負載線UCEQ=0.5UCC

則靜態(tài)工作點：

為得到較大的輸出信號，假設將射極輸出器的靜態(tài)工作點（Q）設置在負載線的中部，令信號波形正負半周均不失真，如下圖所示。再按照最理想情況：因負載開路，所以交直流負載線合一放大電路的Q設在負載線中間，輸出無失真，稱為甲類放大。1.直流電源輸出的功率2.最大負載功率3.最大效率(RL開路時,最理想的情況)[IcQ=(UCC/2)/RL]如何解決效率低的問題？辦法：減小靜態(tài)損耗。即降低Q點位置。既降低Q點又不會引起截止失真的辦法：采用推挽輸出電路，或互補對稱射極輸出器缺點：會引起截止失真。變壓器耦合推挽功率放大電路輸入變壓器：將輸入信號分成兩個大小相等相位相反的信號，分別送兩個放大器的基極，使T1、T2輪流導通。輸出變壓器：將兩個集電極輸出信號合為一個信號，耦合到副邊輸出給負載。放大器：由兩個共射極放大器組成，兩個三極管的射極接在一起，–+++––UCCT1T2RLiLuiReRb2Rb1直流通道UCCT1T2RLiLuiReRb2Rb1UCCT1T2ReRb2Rb1變壓器線圈對于直流相當于短路對于任何一個三極管都是靜態(tài)工作點穩(wěn)定的共射極放大器UCCT1ReRb2Rb1兩個三極管的靜態(tài)工作點都設在剛剛超過死區(qū),IB很小,IC也很小,降低直流功耗。Q交流通道ib1ui>0ui<0ib2uiT2T1RLRe–++–+–+–++––ic1++––+–ic2+–輸入信號正半周，T1導通，T2截止輸入信號負半周，T2導通，T1截止USCT1T2RLiLuiReRb2Rb1

互補對稱功放的類型無輸出變壓器形式（OTL電路）無輸出電容形式（OCL電路）OTL:OutputTransformerLessOCL:OutputCapacitorLess互補對稱：電路中采用兩支晶體管，NPN、

PNP各一支；兩管特性一致。類型：

互補對稱功率放大電路無輸出變壓器的互補對稱功放電路(OTL)1、特點1.單電源供電；2.輸出加有大電容。2、靜態(tài)分析則T1、T2特性對稱，令：UCC/2RLuiT1T2+UCCCAUL+-UC3、動態(tài)分析若輸出電容足夠大，其上電壓基本保持不變，則負載上得到的交流信號正負半周對稱，但存在交越失真。ic1ic2交越失真（UC相當于電源）RLuiT1T2+USCCAUL+-時，T1導通、T2截止；時，T1截止、T2導通。設輸入端在0.5USC直流電平基礎上加入正弦信號4、輸出功率及效率若忽略交越失真的影響，且ui幅度足夠大。則：uLULmaxuitt實用OTL互補輸出功放電路調(diào)節(jié)R,使靜態(tài)UAQ=0.5UCCV1

、V2使b1和b2之間的電位差等于2個二極管正向壓降，克服交越失真。Re1

、Re2：電阻值1~2，射極負反饋電阻，也起限流保護作用。V1V2ui+UCCRLV1V2V3CRBRe1Re2b1b2A

在圖所示電路中，已知：RB1=22kΩ、RB2=47kΩ、RE1=24Ω、RE2=RE3=0.5Ω、R1=240Ω、RP=470Ω、RL=8Ω，V2為3DD01A、V3為3CD10A，V4、V5為2CP。試求：(1)最大輸出功率；(2)若負載RL上的電流為iL=0.8sinωt（A）時的輸出功率和輸出電壓幅值。(1)最大輸出功率(2)輸出功率輸出電壓幅值U

om=0.8

×8=6.4V解：例互補對稱：電路中采用兩個晶體管：NPN、PNP各一支；兩管特性一致。對稱電源：+UCC，-UCC

組成互補對稱式射極輸出器ui-UCCT1T2uo+UCCRLiLNPN型PNP型

乙類雙電源互補對稱功率放大電路(OCL)(OCL—OutputCapacitorless)OCL互補對稱功放電路電路的結構特點：ui-UCCV1V2uo+UCCRLiL1.由NPN型、PNP型三極管構成兩個互補的射極輸出器對接而成。2.雙電源供電。3.輸入輸出端不加隔直電容。直接耦合。(c)由PNP管組成的射極輸出器(a)基本互補對稱電路(b)由NPN管組成的射極輸出器兩射極輸出器組成的基本互補對稱電路ic1（2）動態(tài)分析：ui

0VV1截止，V2導通ui>0VV1導通，V2截止iL=ic1

;ui-UCCV1V2uo+UCCRLiLiL=ic2V1、V2兩個晶體管都只在半個周期內(nèi)工作的方式，稱為乙類放大。因此，不需要隔直電容。（1）靜態(tài)分析：ui=0VV1、V2均不工作

uo=0Vic2工作原理（設ui為正弦波）交越失真

當輸入信號ui為正弦波時，輸出信號在過零前后出現(xiàn)的失真稱為交越失真。

交越失真產(chǎn)生的原因由于晶體管特性存在非線性，

ui

<死區(qū)電壓晶體管導通不好。交越失真采用各種電路以產(chǎn)生有不大的偏流，使靜態(tài)工作點稍高于截止點，即工作于甲乙類狀態(tài)?？朔辉绞д娴拇胧﹗itOuotOui-USCT1T2uo+USCRLiL輸入輸入波形圖uiuououo′交越失真死區(qū)電壓乙類放大的輸入輸出波形關系:ui-UCCV1V2uo+UCCRLiL死區(qū)電壓uiuou"ou′o

′tttt交越失真：輸入信號ui在過零前后，輸出信號出現(xiàn)的失真便為交越失真。交越失真ui-UCCV1V2uo+UCCRLiL(1)靜態(tài)電流

ICQ、IBQ等于零；(2)每管導通時間等于半個周期；(3)存在交越失真。乙類放大的特點：（3）參數(shù)計算假設ui為正弦波且幅度足夠大，V1、V2導通時均能飽和，此時輸出達到最大值。ULmax負載上得到的最大功率為：iL-UCCRLuiV1V2UL+UCC若忽略晶體管的飽和壓降，則負載（RL)上的電壓和電流的最大幅值分別為：電源提供的直流平均功率計算：

每個電源中的電流為半個正弦波，其平均值為:兩個電源提供的總功率為：UCC1=UCC2=UCCtic1效率為：結論：OCL電路效率較高；電流、電壓波形存在失真。每只管子最大管耗為

0.2Pom功率三極的選管原則最大允許管耗:PCM>0.2Pom最大耐壓值:U(BR)CEO>2VCC.最大集電極電流:

ICM>VCC/RLRLT1T2+VCC+ui+uoVEE例1

已知：VCC=VEE=24V，RL=8，忽略UCE(sat)

求Pom

以及此時的PDC、PT1，并選管。[解]PDC=2V2CC/RL=2242//(8)=45.9(W)RLT1T2+VCC+ui+uoVEE=0.5(45.936)=4.9(W)U(BR)CEO>48VICM>24/8=3(A)可選：U(BR)CEO=60100VICM=5APCM=1015W電路的改進1.克服交越失真交越失真產(chǎn)生的原因：在于晶體管特性存在非線性，ui

<uT時晶體管截止。iBiBuBEtuitUT克服交越失真的措施：R1V1V2R2+UCC-UCCULuiiLRLV1V2

靜態(tài)時

V1、V2兩管發(fā)射結電位分別為二極管V1、V2的正向導通壓降，致使兩管均處于微弱導通狀態(tài)。

電路中增加R1、V1、V2、R2支路。0V+0.6V-0.6VR1V1V2R2+UCC-UCCULuiiLRLV1V2兩管導通時間均比半個周期大一些的工作方式稱為“甲乙類放大”。

動態(tài)時設ui加入正弦信號。正半周，VB上升，V2截止，V1基極電位進一步提高，進入良好的導通狀態(tài)；負半周，VB下降，V1截止，V2

基極電位進一步降低，進入良好的導通狀態(tài)。從而克服死區(qū)電壓的影響，去掉交越失真。BuB1tUTtiBIBQ甲乙類放大的波形關系：ICQiCuBEiBib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，基本不失真。iCQuceUCC/REUCCIBQ

甲乙類互補對稱功率放大電路一、甲乙類雙電源互補對稱功率放大電路給T1、T2提供靜態(tài)電壓tiC0ICQ1ICQ2克服交越失真思路：電路：RLRD3D4T1T2+VCC+ui+uoVEET5利用二極管進行偏置的互補對稱電路當ui=0時，T1、T2微導通。ic1=

ic2,v0=0當ui<0(至)，T2微導通

截止微導通。當ui>0(至)，T1微導通

截止微導通。T1

微導通

充分導通

微導通；T2

微導通

充分導通

微導通；

RLRD3D4T1T2+VCC+ui+uoVEET5克服交越失真的電路：R1D1D2R2

靜態(tài)時:

T1、T2兩管發(fā)射結電位分別為二極管D1、D2的正向導通壓降，致使兩管均處于微弱導通狀態(tài)；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)。+USC-USCULuiiLRLT1T2電路中增加R1、D1、D2、R2支路uB1tUTtiBIBQ波形關系：ICQiCuBEiBib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，基本不失真。iCQuceUCC/REUCCIBQ為更換好地和T1、T2兩發(fā)射結電位配合，克服交越失真電路中的D1、D2兩二極管可以用UBE電壓倍增電路替代。2.UBE電壓倍增電路B1B2+-BER1R2UIBI

合理選擇R1、R2大小，B1、B2間便可得到UBE任意倍數(shù)的電壓。

圖中B1、B2分別接T1、T2的基極。假設I>>IB，則3.電路中增加復合管增加復合管的目的：擴大電流的驅動能力。cbeT1T2ibicbecibic1

2晶體管的類型由復合管中的第一支管子決定。cbeT1T2ibicbecibic復合NPN型復合PNP型

電路中增加復合管增加復合管的目的是：擴大電流的驅動能力。復合管的構成方式：cbeV1V2ibicbecibic方式一：becibic1

2晶體管的類型由復合管中的第一支管子決定。方式二：cbeV1V2ibic復合管構成方式很多。不論哪種等效方式，等效后晶體管的性能確定均如下：改進后的OCL準互補輸出功放電路：

T1：電壓推動級

T2、R1、R2：

UBE倍增電路

T3、T4、T5、T6：復合管構成的輸出級準互補

輸出級中的T4、T6均為NPN型晶體管，兩者特性容易對稱。+UCC-UCCR1R2RLuiT1T2T3T4T5T6

如圖所示，T3組成前置放大級，T2和T1組成互補對稱電路輸出級。靜態(tài)時，通常K點電位VK=VC=VCC/2。為了提高電路工作點的穩(wěn)定性能，常將K點通過電阻分壓(R1,R2)與前置放大電路的輸入端相連，以引入負反饋。其最終結果是使VK趨于穩(wěn)定。R1,R2引入了交流負反饋，改善了性能指標。甲乙類單電源互補對稱電路采用一個電源的互補對稱電路的偏置T3

在上圖中，假定由于溫度的變化使VK，則

VKVB3B3C3VC3

VK

電路中電容C的作用：

a.假定信號的半周期中，T1+,T2-,C充電。

b.在信號的下一個周期中，T1-,T2+,VCC斷，C放電。在圖所示電路中，UCC1=UCC2=UCC=24V；RL=8Ω，試求：(1)當輸入信號Ui=12V(有效值)時，電路的輸出功率、管耗、直流電源供給的功率及效率。(2)輸入信號增大至使管子在基本不失真情況下輸出最大功率時，互補對稱電路的輸出功率、管耗、電源供給的功率及效率。(3)晶體管的極限參數(shù)。

例解:(1)在Ui=12V有效值時的幅值為：

Uim=

Ui≈17V，即Uom≈Uim

=17V。PV=PU–Po=32.5–18.1=14.4W(2)在最大輸出功率時，最大輸出電壓為24V。PV=PU–Po=45.8-36=9.8W(此時兩管的功耗并不是最大功耗)(3)晶體管的極限參數(shù)PCM≥0.2Pom=0.2×36=7.2W(每一管)U(BR)CEO≥2UCC=2×24=48V一、集成運放內(nèi)部的功率放大器

三、LM384

集成功放及其應用二、LM386集成功放及其應用

第四章集成功率放大器集成功率放大器組成：前置級、中間級、輸出級、偏置電路特點：輸出功率大、效率高有過流、過壓、過熱保護一、集成運放內(nèi)部的功率放大器T5T6RC3RE2RLRC4RE3T7T9T8T4R2R1T3R3RC1T1RC2T2-+RE4RE5T11T10+UCC-UEE第1級：差動放大器第2級：差動放大器第3級：單管放大器第4級：互補對稱射極跟隨器實際功放電路這里介紹一個實用的OCL準互補功放電路。其中主要環(huán)節(jié)有：(1)恒流源式差動放大輸入級（T1、T2、T3）；(2)偏置電路（R1、D1、D2）；(3)恒流源負載（T5）；(4)OCL準互補功放輸出級（T7、T8、T9、T10）；(5)負反饋電路（Rf、C1、Rb2構成交流電壓串聯(lián)負反饋）；(6)共射放大級（T4）；(7)校正環(huán)節(jié)（C5、R4）；(8)UBE倍增電路（T6、R2、R3）；(9)調(diào)整輸出級工作點元件（Re7、Rc8、Re9、Re10）。+24VuiRLT7T8RC8-24VR2R3T6Rc1T1T2Rb1Rb2C1RfR1D1D2T3Re3T4Re4C2T5Re5C3C4T9T10Re10Re7Re9C5R4BX差動放大級反饋級偏置電路共射放大級UBE倍增電路恒流源負載準互補功放級保險管負載實用的OCL準互補功放電路：RC低通二、LM386集成功放及其應用1.典型應用參數(shù)：直流電源：412V額定功率：660mW帶寬：300kHz輸入阻抗：50k12348765引腳圖2.內(nèi)部電路1.8開路時，

Au=20(負反饋最強)1.8交流短路

Au=200(負反饋最弱)電壓串聯(lián)負反饋V1、V6：V3、V5：V2、V4：射級跟隨器，高Ri雙端輸入單端輸出差分電路恒流源負載V7~V12：功率放大電路V7為驅動級(I0為恒流源負載)V11、V12

用于消除交越失真V8、V10

構成PNP準互補對稱

LM3861234785RPC1C2C3C4C5C610F36k10F100F220F0.1F810.047F+VCC6輸出電容(OTL)頻率補償，抵消電感高頻的不良影響防止自激等調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)3.典型應用電路三、集成功率放大器LM384特點：工作可靠、使用方便。只需在器件外部適當連線，即可向負載提供一定的功率。生產(chǎn)廠家：美國半導體器件公司電路形式：OTL輸出功率：8負載上可得到5W功率電源電壓：最大為28V集成功放LM384管腳說明:)123456789101112131414

--

電源端（Vcc）3、4、5、7--

接地端（GND）10、11、12--

接地端（GND）2、6--

輸入端（一般2腳接地）

8--

輸出端（經(jīng)500電容接負載）1--

接旁路電容（5）9、13--

空腳（NC）集成功放LM384外部電路典型接法：500-+0.12.78146215Vccui8調(diào)節(jié)音量電源濾波電容外接旁路電容低通濾波,去除高頻噪聲輸入信號輸出耦合大電容1.功率管的工作類型類別特點Q點波形甲類無失真Q較高ICQ較大Q較高甲乙類有失真效率高ICQ小Q較低乙類失真大效率最高ICQ=0

Q最低tiCO

ICQiCO

ICQttiCO

ICQ2.OCL和OTL功放電路的特性OCLOTL優(yōu)點缺點

主要公式結構簡單，效率高，頻率響應好，易集成結構簡單，效率高，頻率響應好，易集成，單電源雙電源，電源利用率不高輸出需大電容，電源利用率不高最大輸出功率直流電源消耗功率效率最大管耗2.OCL和OTL功放電路的特性

集成功率放大器

內(nèi)部設有靜噪抑制電路，因而接通電源時爆破噪聲很小。它具有電源電壓范圍寬，降壓特性良好等優(yōu)點，適用于各種收錄機。主要參數(shù)為：電源9V、輸出功率2.3W、輸入阻抗20kΩ、電壓增益68dB、諧波失真2%。1.音頻集成功率放大器(1)SL4112SL4112引腳圖SL4112應用電路

該集成功放接線簡單，既可以接成OCL電路，又可以接成OTL電路，廣泛應用于音響設備中。其內(nèi)部設有短路保護電路，具有過熱保護能力。主要參數(shù)為：電源6~18V、輸出功率9W、輸入阻抗5MΩ、電壓增益30dB、諧波失真0.2%。(2)TDA2030TDA2030引腳圖TDA2030應用電路2.

雙音頻集成功率放大器(1)BTL電路BTL功率放大器，其主要特點是在同樣電源電壓和負載電阻條件下，它可得到比OCL或OTL電路大幾倍的輸出功率。

BTL原理電路

靜態(tài)時，電橋平衡，負載RL中無直流電流。動態(tài)時，橋臂對管輪流導通。在ui正半周，上正下負，V1、V4導通，V2、V3截止，流過負載RL的電流如圖中實線所示；在ui負半周，上負下止，V1、V4截止，V2、V3導通，流過負載RL的電流如圖中虛線所示。忽略飽和壓降，則兩個半周合成，在負載上可得到幅度為UCC的輸出信號電壓。(2)LM378

LM378的外形及管腳如圖7.46所示。主要參數(shù)為：電源10~35V、輸出功率4W/信道、輸入電阻3kΩ、電壓增益34dB、帶寬50kHz。

LM378引腳圖①反相立體聲放大器簡單反相立體聲放大器②橋式結構單放大器BTL電路

TDA1519內(nèi)部設有多種保護電路(負載開路、AC及DC對地短路等)，并有靜噪控制及電源等待狀態(tài)等功能。它在雙聲道工作時只要外接4只元件，BTL工作時只要外接1只元件，無需調(diào)整就能滿意地工作。主要參數(shù)為：電源6~18V、輸出功率5.5W(單聲道，RL=4Ω)~22W(BTL，RL=4Ω)、電壓增益40dB(立體聲)~46dB(BTL)、諧波失真10%。(3)TDA1519TDA1519引腳圖(a)立體聲電路TDA1519典型應用

(b)

BTL電路TDA1519典型應用3.場輸出集成功率放大器

場輸出集成功率放大器是用于顯示器、電視機場掃描電路的專用功率放大器，內(nèi)部采用泵電源型OTL電路形式，封裝一般為單列直插式。(1)泵電源電路

圖所示為IX0640CE和外圍元件組成的場輸出電路。圖中V4、V5、V6、V7及外接元件V8、C構成泵電源電路。

IX0640CE組成的場輸電路IX0640CE引腳圖

在場輸出鋸齒波正程期內(nèi)，電源通過V8及V6對C充電，C兩端電壓很