模擬電子技術(shù)項(xiàng)目化教程（第2版）課件 項(xiàng)目5 音頻功率放大電路

功率放大器特點(diǎn)與分類功率放大器在實(shí)用電子電路中，往往要求放大電路的末級(jí)（輸出級(jí)）輸出有足夠大的信號(hào)功率去驅(qū)動(dòng)負(fù)載，如揚(yáng)聲器、繼電器、指示表頭或顯示器等，這就要求末級(jí)電路不但要輸出大幅度的電壓，而且要輸出大幅度的電流，即輸出足夠大的功率。這種向負(fù)載提供不失真功率的電路，稱為功率放大器，簡(jiǎn)稱功放。功率放大器特點(diǎn)與分類1.引入新課功率放大器的作用：用作放大電路的輸出級(jí)，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動(dòng)作、儀表顯示等。例1：擴(kuò)音系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)功率放大電壓放大信號(hào)提取功率放大器特點(diǎn)與分類1.引入新課例2：自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)論：以上末級(jí)電路不但要求輸出大幅度的電壓，而且要輸出大幅度的電流，即輸出足夠大的功率。傳感器M前置放大和功放生產(chǎn)機(jī)械或其它部件電動(dòng)機(jī)n功率放大器特點(diǎn)與分類2.功率放大電路概述1）什么是功率放大電路

：以輸出較大功率為目的的放大電路稱為功率放大電路，簡(jiǎn)稱功放。

項(xiàng)目

電路區(qū)別相同之處使用信號(hào)主要分析方法分析對(duì)象一般放大器小信號(hào)微變等效電路法Au、Ri、Ro都是實(shí)現(xiàn)能量控制與能量轉(zhuǎn)換功放大信號(hào)圖解法、工程估算法Po、η2)主要特點(diǎn)（與一般放大器相比）(輸出的信號(hào)：高電壓、大電流)功率放大器特點(diǎn)與分類2.功率放大電路概述3)功放電路的要求——要解決的問(wèn)題

提高效率

減小失真

管子的保護(hù)

足夠大的功率提高效率的途徑主要方式:降低靜態(tài)功耗，即減小靜態(tài)電流。功率放大器特點(diǎn)與分類2.功率放大電路概述4）功率放大電路的分類——按管子的工作狀態(tài)（靜態(tài)工作點(diǎn)）不同分類：

功率放大器特點(diǎn)與分類3.功率放大電路分類按功放管靜態(tài)工作點(diǎn)（1）甲類：一個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通特點(diǎn)：1.靜態(tài)電流較大2.管耗大3.效率低

η≤50%功率放大器特點(diǎn)與分類（2）乙類：導(dǎo)通角等于180°icωt產(chǎn)生交越失真特點(diǎn)：1.靜態(tài)電流=02.管耗小，效率高3.存在交越失真

功率放大器特點(diǎn)與分類（3）甲乙類：導(dǎo)通角大于180°小于360°icωt消除交越失真特點(diǎn)：靜態(tài)電流≈0管耗小，效率較高消除交越失真功率放大器特點(diǎn)與分類小結(jié)功率放大器的特點(diǎn)：（1）輸出電壓和電流的幅度足夠大；（2）輸出信號(hào)存在一定程度的失真；（3）不可忽視管耗問(wèn)題；（4）要有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施；（5）需要考慮轉(zhuǎn)換的效率。功率放大器的分類：三極管靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置的不同，可分成甲類、乙類和甲乙類三種。功率放大器特點(diǎn)與分類OCL放大電路主講：蔣小輝OCL放大電路用哪種組態(tài)的電路作功率放大電路最合適？思考1.甲類放大電路效率低，η≤50%2.甲乙類和乙類放大電路效率高，但失真大，可以改進(jìn)嗎？引入課題OCL放大電路無(wú)輸出電容的互補(bǔ)對(duì)稱功放電路基本電路及其工作原理電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：電路形式（設(shè)ui為正弦波）（1）由NPN型、PNP型三極管構(gòu)成兩個(gè)對(duì)稱的射極（2）雙電源供電。（3）輸入輸出端不加隔直電容。ui-VCCVT1VT2uo+VCCRiL輸出器對(duì)接而成。OCL放大電路ic1ic22）動(dòng)態(tài)分析：ui

0VVT1截止，VT2導(dǎo)通ui>0VVT1導(dǎo)通，VT2截止iL=ic1

iL=ic2VT1、VT2兩個(gè)晶體管都只在半個(gè)周期內(nèi)工作1）靜態(tài)分析：ui=0VVT1、VT2均不工作

uo

=0Vui-VCCVT1VT2uo+VCCRLiL無(wú)輸出電容的互補(bǔ)對(duì)稱功放電路OCL放大電路3）輸出功率PO

最大輸出功率Pom晶體管飽和壓降4）直流電源供給功率PVOCL放大電路5）功率管管耗PT由于VT1、VT2各導(dǎo)通半個(gè)周期，且兩管對(duì)稱，故兩管的管耗相同，設(shè)輸出電壓為，則每只管子的平均管耗為：（1）平均管耗OCL放大電路（2）輸出最大功率時(shí)的管耗PTm(Uom≈Vcc)Uom=VCC時(shí)，輸出功率最大，此時(shí)管耗為：輸出最大功率時(shí)每只管子的管耗為PT1(Uom≈Vcc)=0.137PomOCL放大電路（3）最大管耗可得，當(dāng)時(shí)，三極管有最大管耗：要求最大值OCL放大電路6）效率結(jié)論：OCL電路效率較高

小結(jié)特點(diǎn)（乙類放大）：（1）靜態(tài)電流ICQ、IBQ等于零；（2）每管導(dǎo)通時(shí)間等于半個(gè)周期；（3）存在交越失真。交越失真產(chǎn)生的原因：由于晶體管特性存在非線性，ui<VT時(shí)晶體管截止。OCL放大電路謝謝！OTL放大電路主講：蔣小輝OTL放大電路引入課題1、OCL電路的優(yōu)點(diǎn)：

OCL電路具有低頻響應(yīng)好，輸出功率大，電路便于集成等優(yōu)點(diǎn)，另外還具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高等特點(diǎn)。

2、缺點(diǎn)：需要兩個(gè)獨(dú)立電源，使用和維修都不太方便。

為了克服這一缺點(diǎn)，可以采用單電源供電的互補(bǔ)對(duì)稱電路，只要在輸出接入隔直電容即可，這種電路通常稱為無(wú)輸出變壓器的功放電路，簡(jiǎn)稱——OTL電路OTL放大電路1.OTL功放電路組成0.5VCCRLviVT1VT2+VCCCAUL+-VE=0.5VCCE（1）基本電路形式：如右圖所示（2）特點(diǎn)（1）

由NPN型、PNP型三極管構(gòu)成兩個(gè)對(duì)稱的射

極輸出器對(duì)接而成。（2）

單電源供電。（3）

輸出加有大電容。——耦合、副電源OTL放大電路2.OTL功放電路靜態(tài)分析0.5VCCRLuiVT1VT2+VCCCAUL+-uoE而VT1、VT2特性對(duì)稱，電路在靜態(tài)設(shè)置時(shí)，前一級(jí)放大電路的輸出應(yīng)使：VA=VCC/2OTL放大電路輸入端在0.5VCC直流電平基礎(chǔ)上加入正弦信號(hào)。注意：①若輸出電容足夠大，

VE基本保持在0.5VCC

，負(fù)載上得到的交流信號(hào)正負(fù)半周對(duì)稱，但存在交越失真。②輸出電壓uo的最大幅值約為VCC/2T1導(dǎo)通、T2截止T1截止、T2導(dǎo)通ic1ic2交越失真0.5VCCuituiRLT1T2+VCCEAuL+-3.OTL功放電路動(dòng)態(tài)分析OTL放大電路（1）輸出功率及最大輸出功率Pom4.OTL功放輸出功率及效率uLUOmaxuitt當(dāng)輸入信號(hào)足夠大時(shí)，Ucem=VCC/2—UCE(sat)≈VCC/2，則OTL放大電路（2）直流電源供給功率PV4.OTL功放輸出功率及效率根據(jù)富氏級(jí)數(shù)分解，周期性半波電流的平均值Iav＝Icm/π，因此電源供給的直流功率為

OTL放大電路（3）管耗PC（平均管耗）

由于V1、V2各導(dǎo)通半個(gè)周期，且兩管對(duì)稱，故兩管的管耗相同，每只管子的平均管耗為4.OTL功放輸出功率及效率OTL放大電路（4）管耗PC（最大管耗）4.OTL功放輸出功率及效率令即

時(shí)為最大管耗每只管子的管耗為OTL放大電路4.OTL功放輸出功率及效率（5）OTL功放的效率小結(jié)（1）OTL功放電路是利用大電容的儲(chǔ)能作用，來(lái)充當(dāng)另一組電源－Vcc；（2）OTL電路與OCL電路相比，每個(gè)管子實(shí)際工作電源電壓不是VCC，而是VCC/2，故計(jì)算OTL電路的主要性能指標(biāo)時(shí)，將OCL電路計(jì)算公式中的參數(shù)VCC全部改為VCC/2即可。OTL放大電路謝謝！BTL電路主講：蔣小輝BTL放大電路引入課題

BTL(Balancedtransformerless)

BTL功率放大器又稱為橋式功率放大器，功率放大器的輸出級(jí)與負(fù)載間采用電橋式的連接方式，主要解決OCL、OTL功放效率雖高，但電源利用率不高的問(wèn)題。

BTL電路1.BTL電路組成BTL電路是由兩組對(duì)稱的互補(bǔ)電路組成，它們分別由相位相反的輸入信號(hào)ui1和ui2激勵(lì)，ui1和ui2是由前級(jí)倒相電路提供的，負(fù)載RL則接在兩個(gè)互補(bǔ)電路的輸出端之間。BTL電路1.BTL電路原理輸入端加入正弦信號(hào)時(shí)當(dāng)輸入信號(hào)ui1，ui2的相位差1800。當(dāng)ui1輸入信號(hào)正半周，ui2為負(fù)半周，三極管VT1和VT4導(dǎo)通，VT2和VT3截止。由于對(duì)稱，兩個(gè)互補(bǔ)電路的輸出信號(hào)uo1上升多少，uo2就下降多少，于是有電流ic1自左至右流過(guò)負(fù)載。uit靜態(tài)時(shí)，電橋平衡，負(fù)載接在兩輸出端之間，因此ui=0，uO=0BTL電路1.BTL電路原理輸入端加入正弦信號(hào)時(shí)當(dāng)ui1為負(fù)半周時(shí)，ui2為正半周，三極管VT2和VT3導(dǎo)通，VT1和VT4截止，于是有電流ic2自右至左流過(guò)負(fù)載，由于ic1與ic2方向相反，因此在RL就得到完整的輸出信號(hào)。uit靜態(tài)時(shí)，電橋平衡，負(fù)載接在兩輸出端之間，因此ui=0，uO=0BTL電路1.BTL電路原理綜上所述

在負(fù)載RL上的輸出電壓為：BTL電路1.BTL電路組成BTL電路的輸出電壓等于OTL（OCL）電路輸出電壓的2倍，在ui和RL相同條件下，輸出功率可增大為4倍。此外，BTL電路在單電源供電時(shí)，負(fù)載上得到最高電壓經(jīng)為VCC（雙電源供電則2VCC），即輸出電壓的最大幅值約為VCC（雙電源供電則2VCC），也為OTL或OCL電路的2倍。因此，最大輸出功率Pom也增大為后者的4倍。小結(jié)（1）在單電源的情況下，BTL可以不用輸出電容，電源的利用率為一般單端推挽電路的兩倍，適用于電源電壓低而需要獲得較大輸出功率的場(chǎng)合，在新型的集成功放電路中應(yīng)用比較廣泛。（2）BTL電路的不中之處是需要一個(gè)倒相的前置級(jí)電路，且其負(fù)載是浮地的（沒(méi)有接地點(diǎn)）。BTL電路謝謝！TDA2030集成功率放大電路主講：蔣小輝TDA2030集成功率放大電路引入課題TDA2030是音頻功放電路，采用V型5腳單列直插式塑料封裝結(jié)構(gòu)。如圖所示，該集成電路廣泛應(yīng)用于汽車立體功放、中功率音響設(shè)備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點(diǎn)。很多公司均有同類產(chǎn)品生產(chǎn)，雖然其內(nèi)部電路略有差異，但引出腳位置及功能均相同，可以互換。

TDA2030集成功率放大電路1.TDA2030介紹TDA2030與其它功放相比：它的引腳和外部元件都較少，同時(shí)電器性能穩(wěn)定，并在內(nèi)部集成了過(guò)載和熱切斷保護(hù)電路，能適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，由于其金屬外殼與負(fù)電源引腳相連，因而在單電源使用時(shí)，金屬外殼可直接固定在散熱片上并與地線（金屬機(jī)箱）相接，無(wú)需絕緣，使用很方便。

2.TDA2030外形管腳及排列圖TDA2030集成功率放大電路電源電壓VCC：±3~±18V；輸出峰值電流：3.5A；輸入電阻：>0.5MΩ；

靜態(tài)電流：<60mA（測(cè)試條件：VCC=±18V）；

電壓增益：30dB；頻響帶寬（BW）：0~140kHz；在電源為±15V、RL=4Ω時(shí)，輸出功率為14W。3.TDA2030主要性能參數(shù)TDA2030使用于收錄機(jī)和有源音箱中，作音頻功率放大器，也可作其它電子設(shè)備中的功率放大。因其內(nèi)部采用的是直接耦合，也可以作直流放大。其主要性能參數(shù)如下：TDA2030集成功率放大電路①⑤4.判斷TDA2030性能參數(shù)是否正常TDA2030集成功率放大電路1）電阻法

正常情況下TDA2030各腳對(duì)③腳阻值見(jiàn)下表

TDA2030集成功率放大電路2）電壓法

將TDA2030接成OTL電路，去掉負(fù)載，①腳用電容對(duì)地交流短路，然后將電源電壓從0至36V逐漸升高，用萬(wàn)用表測(cè)電源電壓和④腳對(duì)地電壓，若TDA2030性能完好，④腳電壓應(yīng)始終為電源電壓的一半。否則說(shuō)明該芯片為偽品或殘次品。說(shuō)明電路內(nèi)部對(duì)稱性差，用作功率放大器將產(chǎn)生失真。4.判斷TDA2030性能參數(shù)是否正常5.TDA2030實(shí)用電路TDA2030A構(gòu)成的OCL功放電路。信號(hào)由同相端輸入，R2、R3、C2構(gòu)成交流電壓串聯(lián)負(fù)反饋，用以穩(wěn)定輸出電壓和提供輸入電阻，閉環(huán)增益由下式估算。TDA2030接成OCL（雙電源）典型應(yīng)用電路如圖TDA2030集成功率放大電路5.TDA2030實(shí)用電路為了保持兩輸入端直流電阻平衡，選擇R1=R3。C5、C6為電源低頻去耦電容，用以減少電源內(nèi)阻交流信號(hào)的影響。C3、C4為電源高頻去耦電容。R4與C7組成容性負(fù)載，用以抵消喇叭音圈電感的部分感性。為防止輸出電壓過(guò)大，可在輸出端④腳與正、負(fù)電源接一反偏二極管組成輸出電壓限幅電路。

TDA2030接成OCL（雙電源）典型應(yīng)用電路如圖TDA2030集成功率放大電路小結(jié)（1）TDA2030它的引腳和外部元件都較少，性能穩(wěn)定，內(nèi)部集成了過(guò)載和熱切斷保護(hù)電路，能適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，使用很方便。（2）集成功率放大器廣泛應(yīng)用于電視機(jī)、各種音響設(shè)備，開(kāi)關(guān)功率電路、伺服放大電路中，輸出功率由幾百毫瓦到幾十瓦。（3）為保證功率放大電路的安全工作，必須合理選擇器件，增強(qiáng)功率管的散熱效果，防止二次擊穿并根據(jù)需要選擇保護(hù)電路。TDA2030集成功率放大電路謝謝！LM386、1875集成功率放大電路主講：蔣小輝LM386集成功率放大電路1.LM386芯片簡(jiǎn)介L(zhǎng)M386是音頻功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類產(chǎn)品。為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值,直至200。在6V電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為24mW，使得LM386特別適用于電池供電的場(chǎng)合。

2.LM386引腳功能引腳1234功能增益調(diào)節(jié)反相輸入同相輸入接地引腳5678功能輸出電源去耦增益調(diào)節(jié)

（a)外形圖

（b)管腳排列圖LM386廣泛應(yīng)用于收音機(jī)、對(duì)講機(jī)和信號(hào)發(fā)生器中；LM386采用8腳雙列直插式塑料封裝。LM386集成功率放大電路3.LM386內(nèi)部結(jié)構(gòu)LM386有兩個(gè)信號(hào)輸入端2腳：反相輸入端3腳：同相輸入端7腳去耦1、8腳增益調(diào)節(jié)LM386集成功率放大電路4.LM386應(yīng)用電路用LM386組成的OTL功放電路如圖所示，信號(hào)從3腳同相輸入端輸入，從5腳經(jīng)耦合電容(220μF)輸出。LM386集成功率放大電路5.LM1875芯片簡(jiǎn)介L(zhǎng)M1875廣泛用于汽車立體收錄機(jī)、中功率音響設(shè)備，具有體積小、輸出功率大、失真小等特點(diǎn)。它形如一只中功率管，外圍電路簡(jiǎn)單。該集成電路設(shè)有過(guò)載過(guò)熱及感性負(fù)載反向電勢(shì)安全工作保護(hù)，是中高檔音響的理想選擇之一。

LM1875集成功率放大電路6.LM1875引腳功能引腳1234功能同相輸入端反相輸入端負(fù)電源端輸出端引腳5———功能正電源端———

（a)外形圖

（b)管腳排列圖LM1875采用TO-220-5五針腳封裝。LM1875集成功率放大電路7.LM1875的主要技術(shù)參數(shù)單電壓：15～60V，或±30V工作電壓：±25V靜態(tài)電流：50mA輸出功率：30W諧波失真：＜0.015%（f=1kHz，RL=8Ω，Po=20W）額定增益：26dB（當(dāng)f=1kHz時(shí)）LM1875集成功率放大電路8.LM1875應(yīng)用電路用LM1875組成的雙電源功放電路，信號(hào)從1腳同相輸入端輸入。LM1875集成功率放大電路小結(jié)（1）TDA386具有自身功耗低、更新內(nèi)鏈增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)之中。（2）LM1875形如一只中功率管，體積小巧，外圍電路簡(jiǎn)單，且輸出功率較大，該集成電路內(nèi)部設(shè)有過(guò)載、過(guò)熱及感性負(fù)載反向電勢(shì)安全工作保護(hù)?？傊?，集成功放通過(guò)改變外接電阻，可方便地改變其增益，具有體積小、外接元件少等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。LM386、1875集成功率放大電路謝謝！功放管的安全使用功放管的安全使用1．功放管的安全使用介紹在功放電路中功放管是在接近極限參數(shù)的高電壓狀態(tài)下工作的功率管，由于設(shè)計(jì)不當(dāng)或使用條件的變化而易損壞。因此，在功率放大實(shí)用電路中，應(yīng)采用保護(hù)措施以保證功放管的安全運(yùn)行。①⑤功放管的安全使用2．功放管的二次擊穿及其保護(hù)當(dāng)三極管集電結(jié)上的反偏電壓過(guò)大時(shí)，三極管將被擊穿，這時(shí)集電極電流迅速增大，出現(xiàn)一次擊穿，且IB越大擊穿電壓越低，稱為“一次擊穿”。如圖中曲線AB段所示，A點(diǎn)就是一次擊穿點(diǎn)。這時(shí)只要外電路限制擊穿后的電流，使管子的功耗不超過(guò)額定值，就不會(huì)造成管子的損壞，因此一次擊穿是可逆的。功放管的安全使用2．功放管的二次擊穿及其保護(hù)三極管一次擊穿后集電極電流會(huì)驟然增大，若電流不加限制，則它的靜態(tài)工作點(diǎn)增大到臨界點(diǎn)（如圖中B點(diǎn)）時(shí)，三極管的工作點(diǎn)以毫秒乃至微秒級(jí)高速移向C點(diǎn)，這時(shí)三極管的管壓降uCE突然減小，電流iC急劇增大。如圖中的BD段，稱之為二次擊穿。二次擊穿是不可逆的，經(jīng)二次擊穿后，性能明顯下降，甚至造成永久性損壞。二次擊穿后，功放管的安全工作范圍將變小，它除了受ICM、PCM和U(BR)CEO的限制外，還要受二次擊穿臨界線的限制，安全工作區(qū)如圖所示。為了保證功放管安全工作，應(yīng)注意在設(shè)計(jì)電路時(shí)，要使功放管工作在安全區(qū)域內(nèi)，而且還應(yīng)留有一定的余量，同時(shí)，要有良好的散熱條件。功放管的安全使用2．功放管的二次擊穿及其保護(hù)3.功放管的散熱功放管損壞的重要原因是實(shí)際功率超過(guò)額定功耗PCM。三極管的耗散功率取決于內(nèi)部的PN結(jié)（主要是集電結(jié)）溫度Tj，當(dāng)Tj超過(guò)手冊(cè)中規(guī)定的最高允許結(jié)溫TjM時(shí)，集電極電流將急劇增大而使管子損壞，這種現(xiàn)象稱為“熱擊穿”或“熱崩”。硅管的允許結(jié)溫值為120～180℃，鍺管允許結(jié)溫為85℃左右。功放管的安全使用3.功放管的散熱功率管極限功耗的大小與管子環(huán)境溫度、散熱途徑和散熱狀況有關(guān)。功率管正常工作時(shí)，它的集電結(jié)向周圍空間散發(fā)熱量所遇到的阻力，稱為熱阻Rth。Rth越小，表示管子集電結(jié)的熱量越容易散發(fā)出去。熱阻的單位為℃/W，其物理意義為集電極每耗散1W的功率所引起結(jié)溫升高的度數(shù)。它類似于電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，存在電阻對(duì)電流阻力。功放管的安全使用3.功放管的散熱因集電結(jié)耗散功率PC引起結(jié)溫升高至Tj而產(chǎn)生的熱量，首先由集電結(jié)傳導(dǎo)至管殼，使管殼溫度升到Tc，其熱阻為R(th)jc，然后由管殼以輻射和對(duì)流的形式將熱量散發(fā)到環(huán)境溫度為Ta的環(huán)境A中，其熱阻為R(th)ca。要想使散熱過(guò)程能順利進(jìn)行，需滿足條