模拟电子技术PPT课件第5章.ppt

理解功率放大电路的特点、要求和分类，克理解功率放大电路的特点、要求和分类，克服交越失真的措施等服交越失真的措施等 掌握掌握OCL功率放大电路的组成、工作过程和功率放大电路的组成、工作过程和最大输出功率的计算最大输出功率的计算 了解了解OTL和采用复合管的功率放大电路的组和采用复合管的功率放大电路的组成及原理成及原理 了解集成功率放大电路及其应用了解集成功率放大电路及其应用本章学习要求本章学习要求 第第5章章 功率放大电路功率放大电路5.1 功率放大电路的基本概念功率放大电路的基本概念5.2 几种常见的功率放大电路几种常见的功率放大电路5.3 集成功率放大电路及其应用集成功率放大电路及其应用5.4 知识拓展知识拓展5.5 实验实验 集成功率放大器的应用集成功率放大器的应用5.6 实训实训 OTL电路的组装、调试与测量电路的组装、调试与测量小结小结习题习题本章大纲本章大纲5.1 功率放大电路的基本概念功率放大电路的基本概念能输出较大功率的放大电路称为功率放大电路。5.1.1功率放大电路的特点及要求1功率放大电路的特点功率放大电路与电压放大电路都属于能量转换电路，是将电源的直流功率转换成被放大信号的交流功率，从而起功率和电压放大的作用。但在放大电路中它们各自的功能是不同的，电压放大电路主要使负载得到不失真的电压信号，所以研究的主要指标是电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等。功率放大电路除了对信号进行足够的电压放大之外，还要求对信号进行足够的电流放大，从而获得足够的功率输出。因此，功率放大电路多工作于大信号放大状态，具有动态工作范围大的特点。5.1.1功率放大电路的特点及要求2功率放大电路的要求功率放大电路作为放大电路的输出级，必须满足如下要求。（1）尽可能大的输出功率输出功率等于输出交变电压和交变电流的乘积。为了获得最大的输出功率，担任功率放大任务的三极管的工作参数往往接近极限状态，这样在允许的失真范围内才能得到最大的输出功率。（2）尽可能高的效率从能量观点看，功率放大电路是将集电极电源的直流功率转换成交流功率输出。放大器向负载所输出的交流功率与从电源吸取的直流功率之比，用表示，即式中，PV为集电极电源提供的直流功率，PO是负载获得的交流功率。该比值越大，效率越高。5.1.1功率放大电路概述（3）较小的非线性失真功率放大电路往往在大动态范围内工作，电压、电流变化幅度大，这样，就有可能超越输出特性曲线的放大区，进入饱和区和截止区而造成非线性失真。因此必须将功率放大电路的非线性失真限制在允许的范围内。（4）较好的散热装置功率放大管工作时，在功率放大管的集电结上将有较大的功率损耗，使管子温度升高，严重时可能毁坏三极管。因此多采用散热板或其他散热措施降低管子温度，保证足够大的功率输出。总之，只有在保证晶体管安全工作的条件下和允许的失真范围内，功率放大电路才能充分发挥其潜力，输出尽量大的功率，同时减小功率放大管的损耗以提高效率。5.1.2功率放大电路工作状态的分类根据所设静态工作点的不同状态，常用功率放大电路可分为甲类、乙类、甲乙类等。5.1.2功率放大电路工作状态的分类（1）甲类功率放大电路在输入信号的整个周期内，功率放大管都有电流通过，如图（a）所示。（2）乙类功率放大电路只在输入信号的正半周导通，在负半周截止，如图（b）所示。（3）甲乙类功率放大电路三极管导通的时间大于信号的半个周期，即介于甲类和乙类中间，如图（c）所示。甲类状态下效率只有30%左右，最高不超过50%。乙类状态下效率提高到78.5%，但输出信号在越过功率放大管死区时得不到正常放大，从而产生交越失真，如图所示。交越失真5.2 几种常见的功率放大电路几种常见的功率放大电路互补对称功率放大电路按电源供给的不同，分为双电源互补对称电路（OCL电路）和单电源互补对称电路（OTL电路）。5.2.1OCL乙类互补对称功率放大电路OCL乙类互补对称功率放大电路如图所示。图中VT1和VT2分别为NPN型和PNP型三极管，要求VT1和VT2管特性对称，并且正负电源对称。两管的基极和发射极相互连接在一起，信号从基极输入、发射极输出，RL为负载。该电路可以看成信号正半周VT1工作和信号负半周VT2工作的两个发射极输出电路的组合。5.2.1OCL乙类互补对称功率放大电路1.工作原理电压和电流波形图5.2.1OCL乙类互补对称功率放大电路2.性能指标OCL乙类互补对称功率放大电路的图解分析5.2.1OCL乙类互补对称功率放大电路2.性能指标（1）输出功率（Po）5.2.1OCL乙类互补对称功率放大电路2.性能指标（2）直流电流提供的功率（PDC）5.2.1OCL乙类互补对称功率放大电路2.性能指标（3）效率（）5.2.1OCL乙类互补对称功率放大电路2.性能指标（4）管耗（PC）5.2.1OCL乙类互补对称功率放大电路3.选择管子原则由以上分析可知，若要得到最大输出功率，三极管的参数必须满足如下原则。每只三极管的最大允许管耗（或集电极功率损耗）（PCM）必须大于PC1m=PC2m0.2Pom。考虑到VT2接近饱和导通时，忽略饱和压降，此时VT1管的uCE1具有最大值，且等于2VCC。因此，应选用UCEO2VCC的管子。通过晶体管的最大集电极电流约为VCC/RL，所选晶体管的ICM一般不低于最大集电极电流。5.2.1OCL乙类互补对称功率放大电路【例5-1】设如图所示电路电源电压VCC=20V，负载RL=8，并假定射极输出器的放大倍数为1，管子导通时发射结的压降可忽略不计，试计算：ui=10V（有效值）时，电路的输出功率、管耗、直流电源提供的功率和电路的效率；uim=20V（幅值）时，电路的输出功率、管耗、直流电源提供的功率和电路的效率。5.2.1OCL乙类互补对称功率放大电路5.2.1OCL乙类互补对称功率放大电路【例5-2】设如图所示电路电源电压VCC=12V，负载RL=10，三极管的极限参数为ICM=2A，UCEO=30V，PCM=5W。求最大输出功率（Pom），并说明所给三极管能否安全工作。5.2.1OCL乙类互补对称功率放大电路5.2.2OCL甲乙类互补对称功率放大电路乙类放大电路静态iC为零，具有效率高的特点。但有时信号输入时，必须要求信号电压大于死区电压时才能导通。显然在死区范围内是无电压输出的，以至于在输出波形正负半周交界处造成交越失真，如图所示。5.2.2OCL甲乙类互补对称功率放大电路为了解决交越失真，可给三极管加适当的基极偏置电压，使之工作在甲乙类工作状态，如图所示。5.2.3单电源互补对称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，因而它具有低频响应好、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，只需在两管发射极与负载之间接入一个大容量电容（C）即可。这种电路通常又称无输出变压器的电路，简称OTL电路，如图所示。5.2.3单电源互补对称电路这种电路由于工作于乙类放大状态，不可避免地存在着交越失真。为克服这一缺点，多采用工作于甲乙类放大状态的OTL电路，如图所示。OTL甲乙类功率放大电路5.2.4采用复合管的互补对称功率放大电路在输出功率较大时，由于大功率管的电流放大系数较小，而且很难找到特性接近的PNP型和NPN型大功率三极管，因此实际电路中采用复合管来解决这个问题。把两个或两个以上的三极管的电极适当地连接起来，等效为一个使用，即为复合管。复合管的类型取决于第一只三极管，其电流放大系数近似等于各只三极管值的乘积。复合管的连接原则：小功率管在前，大功率管在后，两管子的各极电流都能顺着各自的正常工作方向流动。5.2.4采用复合管的互补对称功率放大电路采用复合管的OTL功率放大电路5.3 集成功率放大电路及其应用集成功率放大电路及其应用目前集成功放电路已大量涌现，其内部电路一般均为OTL或OCL电路，集成功放除了具有分立元件OTL或OCL电路的优点外，还具有体积小、工作稳定可靠、使用方便等优点，因而获得了广泛的应用。低频集成功放的种类很多，美国国家半导体公司生产的LM386就是一种小功率音频放大集成电路。该电路功耗低、允许的电源电压范围宽、通频带宽、外接元件少，广泛应用于收录机、对讲机、电视伴音等系统中，LM386引脚图如图所示。5.3 集成功率放大电路及其应用集成功率放大电路及其应用LM386引脚图5.3 集成功率放大电路及其应用集成功率放大电路及其应用LM386内部结构如图所示。LM386内部结构5.3 集成功率放大电路及其应用集成功率放大电路及其应用用LM386制作单片收音机的电路如图所示。L和C1构成调谐回路，可选择要收听的电台信号；C2为耦合电容，将电台高频信号送至LM386的同相输入端；由LM386进行检波及功率放大，放大后信号第5脚输出推动扬声器发声。电位器RP用来调节功率放大的增益，即可调节扬声器的音量大小。当RP值调至最小时，电路增益最大，所以扬声器的音量大。R1、C5构成串联补偿网络，与呈感性的负载（扬声器）相并联，最终使等效负载近似呈纯阻性，以防止高频自激和过压现象。C4为去耦电容，用以提高纹波抑制能力，消除低频自激。5.3 集成功率放大电路及其应用集成功率放大电路及其应用用LM386作单片收音机的电路5.3 集成功率放大电路及其应用集成功率放大电路及其应用DG4100集成功率放大器具有输出功率大、噪声小、频带宽、工作电源范围宽、保护电路等优点，是经常使用的标准集成音频功率放大器。由输入级、中间级、输出级、偏置电路及过压、过热保护电路等构成。DG4100的典型应用电路如图所示。DG4100的典型应用电路5.4 知识拓展知识拓展1.普及型收音机的低放电路5.4.1集成功率放大电路的识图5.4 知识拓展知识拓展2.OTL收音机电路中的功放电路5.4.1集成功率放大电路的识图5.4.2D类功率放大器所谓D类功率放大器就是将音频信号转换成脉宽变化的形式，再由脉冲放大器放大输出，然后通过低通滤波电路还原成音频信号。由于脉冲放大器工作在开关状态，电路本身的损耗只限于三极管导通时饱和压降引起的损耗和元件开关的损耗，所以适当的选择元件，可以使得总损耗变小，电路工作的效率也较高。音频放大器大约有一个世纪的历史了，最近几年，电子产品正在向薄型化、便携式迅速发展。音质好、电源效率高、发热少的D类放大器成为市场的需求。并且由于D类放大器的耗电低、发热少等特点，越来越得到日益强调环保的市场的认同。同时，便携式电子设备的工作时间一直是厂商全力追求的最重要的性能指标，新的无滤波器D类放大器在几瓦特的功率级别上正在取代原先固定的AB类器件。与体积庞大的传统线性放大器相比，使用D类放大器并不影响音频信号的音质，且能够实现便携产品的小型化。因此市场对电子产品薄型化、便携式的需求趋势造就了传统放大器向数字放大器的转化。5.4.2D类功率放大器D类放大器的电路共分为3级：输入开关级、功率放大级及输出滤波级。D类放大器工作在开关状态下，可以采用脉宽调制（PWM）模式。利用PWM能将音频输入信号转换为高频开关信号。通过一个比较器将音频信号与高频三角波进行比较，当反相端电压高于同相端电压时，输出为低电平；当反相端电压低于同相端电压时，输出为高电平。在D类放大器中，比较器的输出与功率放大电路相连，功放电路采用金属氧化物场效应管（MOSFET）替代双极型晶体管（BJT）。5.4.3TDA2030A音频集成功率放大器TDA2030A的内部电路5.4.3TDA2030A音频集成功率放大器TDA2030A外引脚的排列由TDA2030A构成的双电源（OCL）应用电路5.4.3TDA2030A音频集成功率放大器由TDA2030A构成的单电源功率放大电路5.5 实验实验 集成功率放大器的应用集成功率放大器的应用一一 实验目的实验目的1.熟悉集成功率放大器的功能及应用；2.掌握集成功率放大器应用电路的调整与测试。二二 实验原理实验原理集成功放LM386应用电路三实验器材直流稳压电源、低频信号发生器、示波器、万用表、毫伏表、实验线路板、扬声器和话筒，元器件数量和品种见表。元器件数量和品种编号名称参数编号名称参数R1电阻1MR2电阻4.7kRp可调电阻100kC1电容1F/16VC2电解电容10F/16VC3电容0.1F/16VC4电解电容100F/16VC5电解电容100F/16VVT三极管9013NPN集成功率放大器LM386四实验步骤1.测试电路如图所示，分析电路的工作原理，估算VT管的静态工作点电流和电压。2.按图所示电路及表配置元器件，并对所有元器件进行检测。3.按图在实验线路板进行组装。经检查接线没有错误后，接通12V直流电源。4.用万用表的直流电压挡，测量三极管的直流工作点电压以及集成功放5脚对地电压，是否均符合要求。否则，应切断直流电源进行检查。查出原因后，方可再次接通直流电源进行测试。四实验步骤5.输入端用信号发生器输入800Hz、10mV左右的音频电压，扬声器中就会有声音发出。调节Rp，声音的强弱会跟随变化。用示波器观察输出波形为正弦波后，再用交流毫伏表测量放大电路的电压增益，Au=Uo/Ui，同时测出最大不失真功率的大小，并与理论值进行比较。6.将话筒置于输入端，模拟扩音机来检验该电路的放大效果。五实验报告1.整理实验数据；2.电路工作原理分析；3.静态工作点、电压放大倍数、最大不失真功率的估算、测量值及其分析比较。六注意事项1.注意LM386的引脚连接方式。2.接线要用屏蔽线，屏蔽线的外屏蔽层要接到系统的地线上。3.进行故障检查时，需注意测量仪器所引起的故障。1.了解OTL电路的调试方法。2.了解交越失真及改善措施。3.测量OTL电路的最大输出功率。5.6实训OTL电路的组装、调试与测量一 实训目的二实训器材直流稳压电源、低频信号发生器、示波器、万用表、毫伏表、实验线路板，以及若干元器件。元器件表编号名称参数编号名称参数R1电阻120R2电阻5.1kR3电阻100R4电阻470R5电阻150Rp1可调电阻100kRp2可调电阻1kRL电阻20C1电容10uF/16VC2电容100uF/16VC3电容47uF/16VC4电容220uF/16VVT1三极管9013NPNVT2三极管8050NPNVT3三极管8550PNPVD二极管1N4148三 实训步骤（1）用万用表检查元器件，确保质量完好。（2）在实验线路板或其他电路板上连接下图所示电路。OTL实验电路三 实训步骤（3）检测无误后，接入12V的直流电源电压EC，并调节Rp1，使UA=EC/2。（4）输入1kHz的正弦交流信号，用示波器观察输出信号波形是否有交越失真或输出波形正、负半周是否对称？若出现失真，缓慢调节Rp2。（5）用示波器观察逐渐增加输入信号电压幅度后输出信号的波形，直到输出电压信号刚好不失真为止，用毫伏表测出此时输入信号电压Ui、输出信号Uo数值，填入下表，同时将所测出的波形描绘在下表中。三 实训步骤OTL功率放大电路实测数据计算负载上获得的最大不失真功率直流电源EC=12V中点电压UA=输入频率f为1kHz，电压Ui（有效值）为10mV的信号输出电压Uo=输出电压波形三 实训步骤（6）观察自举电路的作用：在不改变输入信号和示波器接法时，断开或接通自举电容C2，将观察到的输出电压幅度变化波形绘制在下表中。自举电路的作用直流电源EC=12V中点电压UA=输入频率f为1kHz，电压ui幅值为10mV的信号断开自举电容C2时的输出电压波形接通自举电容C2时的输出电压波形四 实训报告（1）整理表中的数据。（2）对实测负载上获得的最大不失真功率与理论值进行比较。（3）说明实验中遇到的问题及解决办法。（4）说明自举电路对改善OTL电路性能所起的作用。五 注意事项（1）调试前先要熟悉各种仪器的使用方法，并仔细加以检查，以避免由于仪器使用不当或仪器的性能达不到要求（如测量电压的仪器输入电阻比较低、频带过窄等）而造成测量结果不准，以致作出错误的判断。（2）测量仪器的地线和被测电路的地线连接在一起，并形成系统的参考地电位，这样才能保证测量结果的正确性。（3）要正确选择测量点和测量方法。功率放大器的特点：工作在大信号状态下，输出电压和输出电流都很大。要求在允许的失真条件下，尽可能提高输出功率和效率。为了提高效率，在功率放大器中，BJT常工作在乙类和甲乙类状态下，并用互补对称结构使其基本不失真。这种功率放大器理论上的最大输出效率可以达到78.5%。互补对称功率放大器的几种主要结构：OCL（双电源）乙类和甲乙类功率放大电路；OTL（单电源）乙类和甲乙类功率放大电路。随着半导体工艺、技术的不断发展，输出功率几十W以上的集成放大器已经得到了广泛的应用。功率MOS管的出现，也给功率放大器的发展带来了新的生机。小小 结结1电压放大器中的三极管通常工作在状态下，功率放大器中的三极管通常工作在参数情况下。功放电路不仅要求有足够大的，而且要求电路中还要有足够大的，以获取足够大的功率。2功率放大器的主要作用是。3对功率放大器的主要要求是：输出功率，效率，非线性失真。4提高功率放大器输出功率的途径有：，。5互补对称放大电路是由一只型三极管和一只型三极管组合而成的，它实际上是对接在一起，共同向一个负载输出功率，一般要求两只三极管的特性必须。OTL是指功率放大电路，OCL是指功率放大电路。习习 题题6如图7所示为利用集成运放作推动级的OCL准互补功放电路。（1）要求画出VT1VT4的发射极箭头，使之构成一个完整的准互补电路。（2）求电路在理想条件下的最大输出功率。（3）电路存在深度负反馈，分析反馈类型，并求闭环电压放大倍数。习习 题题