第4章--功率放大器.pptx

陈振源陈振源 褚丽歆褚丽歆 主编主编张连飞张连飞 陈春霞陈春霞 副主编副主编第第4 4章章 功率放大器功率放大器 本章本章首先介绍功率放大器的特点和分类，然后介绍首先介绍功率放大器的特点和分类，然后介绍OCL、OTL电路的构成及工作原理，最后介绍常用集成功率放大器的电路的构成及工作原理，最后介绍常用集成功率放大器的引脚排列及应用电路。引脚排列及应用电路。知识目标知识目标了解低频功率放大器的工作任务、基本要求及电路类型了解低频功率放大器的工作任务、基本要求及电路类型。了解互补对称功率放大器的分类、工作原理及参数计算了解互补对称功率放大器的分类、工作原理及参数计算。掌握复合管的连接方法。掌握复合管的连接方法。了解常用集成功率放大器的引脚排列及应用电路。了解常用集成功率放大器的引脚排列及应用电路。技能目标技能目标能能装接和调整低频功率放大器装接和调整低频功率放大器。能能正确识读常用集成功率放大器的引脚正确识读常用集成功率放大器的引脚。多级多级放大器的末级要将电压放大电路送来的信号进行功率放大器的末级要将电压放大电路送来的信号进行功率放大，它必须输出足够大的功率，去推动负载工作。这种以输放大，它必须输出足够大的功率，去推动负载工作。这种以输出功率为主要目的放大电路，叫做功率放大电路。出功率为主要目的放大电路，叫做功率放大电路。4.1 4.1 低频功率放大器的特点及分类低频功率放大器的特点及分类4.1.1 4.1.1 功率放大电路的特点功率放大电路的特点 由于由于功率放大电路主要是提供输出功率，而且输出功率比功率放大电路主要是提供输出功率，而且输出功率比较大，所以与前面介绍的电路相比具有以下的特点。较大，所以与前面介绍的电路相比具有以下的特点。1功率放大电路的输出功率要大功率放大电路的输出功率要大 选择选择合适的负载，使它与功率放大电路的输出电阻相匹配，合适的负载，使它与功率放大电路的输出电阻相匹配，以保证功放管的集电极电流和电压的幅度有尽可能大的动态范以保证功放管的集电极电流和电压的幅度有尽可能大的动态范围，从而获得足够大的输出功率。围，从而获得足够大的输出功率。2功率放大电路的效率要高功率放大电路的效率要高 输出输出功率大，消耗在电路内的能量和电源提供的能量也大，功率大，消耗在电路内的能量和电源提供的能量也大，所以要考虑转换效率。显然，功率放大电路的效率越高越好。所以要考虑转换效率。显然，功率放大电路的效率越高越好。3电路散热要好电路散热要好 功率功率放大电路中的三极管消耗功率会使自身温度升高，为放大电路中的三极管消耗功率会使自身温度升高，为使功率放大电路既能输出较大的功率又不因温度过高而损坏三使功率放大电路既能输出较大的功率又不因温度过高而损坏三极管，必须加散热片极管，必须加散热片。4非线性失真要小非线性失真要小 输出信号输出信号不仅电压幅值大，电流幅值也大。信号幅值大，不仅电压幅值大，电流幅值也大。信号幅值大，则容易产生失真。所以我们讨论的交流功率是指在输入为正弦则容易产生失真。所以我们讨论的交流功率是指在输入为正弦波，输出波形基本不失真时定义的。波，输出波形基本不失真时定义的。4.1.2 4.1.2 功率放大电路的分类功率放大电路的分类 从从电路形式来看，功率放大器有变压器耦合和无变压器耦电路形式来看，功率放大器有变压器耦合和无变压器耦合两类。本小节只介绍无变压器耦合。合两类。本小节只介绍无变压器耦合。从从三极管的工作状态来看，功率放大电路可以分为甲类、三极管的工作状态来看，功率放大电路可以分为甲类、乙类、甲乙类等，如图乙类、甲乙类等，如图4.1所示。所示。图4.1 功率放大功率放大电路的工作状路的工作状态甲类：静态工作点在负载线的中点，甲类：静态工作点在负载线的中点，Q选在三极管的放大区，选在三极管的放大区，如图如图4.1的的Q。甲类工作状态非线性失真小，但静态电流。甲类工作状态非线性失真小，但静态电流ICQ较较大，故损耗大，效率低。大，故损耗大，效率低。乙类：静态工作点选在放大区和截止区的交界处，如图乙类：静态工作点选在放大区和截止区的交界处，如图4.1中中的的Q。此时若输入正弦信号，那么电路的输出只有正弦波的。此时若输入正弦信号，那么电路的输出只有正弦波的半个周期。乙类工作状态静态电流半个周期。乙类工作状态静态电流ICQ0，故损耗低，效率，故损耗低，效率高，但非线性失真严重。高，但非线性失真严重。甲乙类：静态工作点位于甲类和乙类之间，如图甲乙类：静态工作点位于甲类和乙类之间，如图4.1中的中的Q。4.2 4.2 双电源互补对称功率放大器双电源互补对称功率放大器4.2.1 4.2.1 电路结构电路结构 双双电源互补对称功率放大器（也叫做电源互补对称功率放大器（也叫做OCL电路）的原理图电路）的原理图如图如图4.2所示所示。两两只三极管的特性是对称的，其中只三极管的特性是对称的，其中VT1是是NPN型三极管，型三极管，VT2是是PNP型三极管。两只三极管工作在乙类状态。型三极管。两只三极管工作在乙类状态。图4.2 双双电源互源互补对称功率放大器原理称功率放大器原理图4.2.2 4.2.2 工作原理工作原理 输入输入为正半周时，为正半周时，NPN型三极管处于正偏导通状态，型三极管处于正偏导通状态，PNP型三极管处于反偏截止状态，集电极电流型三极管处于反偏截止状态，集电极电流ic1通过负载，负载上通过负载，负载上有正半周输出；输入为负半周时，有正半周输出；输入为负半周时，PNP型三极管处于正偏导通型三极管处于正偏导通状态，状态，NPN型三极管处于反偏截止状态，集电极电流型三极管处于反偏截止状态，集电极电流ic2通过负通过负载，负载上有负半周输出。载，负载上有负半周输出。可见可见在输入信号的一个周期内，两只三极管轮流交替的工在输入信号的一个周期内，两只三极管轮流交替的工作，共同完成对输入信号的放大工作，最后输出波形在负载上作，共同完成对输入信号的放大工作，最后输出波形在负载上合成得到完整的正弦波。合成得到完整的正弦波。4.2.3 4.2.3 交越失真交越失真1交越失真及其产生原因交越失真及其产生原因 从从上面讨论的工作原理可见，乙类功率放大器，由于没有直上面讨论的工作原理可见，乙类功率放大器，由于没有直流偏置，三极管工作在输入特性曲线的底部。而两只三极管轮流流偏置，三极管工作在输入特性曲线的底部。而两只三极管轮流交替工作的结果在负载上合成时，将会在正、负半周交界处出现交替工作的结果在负载上合成时，将会在正、负半周交界处出现波形的失真，这种现象称为交越失真，如图波形的失真，这种现象称为交越失真，如图4.3所示所示。2消除交越失真的方法消除交越失真的方法 给给功放管加一个微弱的直流偏置，使功放管工作在甲乙类状功放管加一个微弱的直流偏置，使功放管工作在甲乙类状态态。图4.3 交越失真波形交越失真波形p注意注意 为为克服交越失真所加的直流偏置不能克服交越失真所加的直流偏置不能过强，因为如果直流偏置过强，将会使功过强，因为如果直流偏置过强，将会使功放管工作在甲类状态，那么在交越失真被放管工作在甲类状态，那么在交越失真被消除的同时，乙类功率放大器效率高的优消除的同时，乙类功率放大器效率高的优点也就不存在了。点也就不存在了。知识知识拓展拓展 用用二极管提供的偏置消除交越二极管提供的偏置消除交越失真失真 消除消除交越失真的方法，上面已经提到给功放管加一个微弱交越失真的方法，上面已经提到给功放管加一个微弱的直流偏置的直流偏置。加加偏置的方法可在两只三极管基极之间串入电阻器，也可偏置的方法可在两只三极管基极之间串入电阻器，也可接入二极管，利用二极管提供偏置，其效果更好。因为二极管接入二极管，利用二极管提供偏置，其效果更好。因为二极管的动态电阻很小，输入到三极管的动态电阻很小，输入到三极管VT1、VT2基极的交流信号基本基极的交流信号基本相等。而电阻器的接入对信号会产生衰减作用，于是送到两只相等。而电阻器的接入对信号会产生衰减作用，于是送到两只三极管基极的信号可能不相等，会造成失真三极管基极的信号可能不相等，会造成失真。4.2.4 4.2.4 参数的计算参数的计算1输出功率输出功率理想理想情况下，饱和压降忽略，即情况下，饱和压降忽略，即UCES=0，则输出功率，则输出功率为为2效率效率理想情况下效率为理想情况下效率为78.5。3管耗管耗Pcm=0.4Pom每只三极管的管耗每只三极管的管耗4.3 4.3 单电源互补对称功率放大器单电源互补对称功率放大器 双双电源互补对称功率放大器电路简单，效率高，但它需要电源互补对称功率放大器电路简单，效率高，但它需要两个电源来供电，既不经济又不方便。为此将电路略加改进，两个电源来供电，既不经济又不方便。为此将电路略加改进，省去一个电源，构成单电源互补对称功率放大电路。省去一个电源，构成单电源互补对称功率放大电路。4.3.1 4.3.1 电路结构电路结构 单电源单电源互补对称功率放大器（也叫做互补对称功率放大器（也叫做OTL电路）的原理图如电路）的原理图如图图4.4所示所示。两两只三极管的特性是对称的，其中只三极管的特性是对称的，其中VT1是是NPN型三极管，型三极管，VT2是是PNP型三极管型三极管。两两只三极管工作在乙类状态，在输出端与负载之间串联一只三极管工作在乙类状态，在输出端与负载之间串联一只容量足够大的电容器，它可等效为一个恒压源，在该电路中只容量足够大的电容器，它可等效为一个恒压源，在该电路中充当电源。充当电源。图4.4 单电源互源互补对称功率放大器原理称功率放大器原理图4.3.2 4.3.2 工作原理工作原理 无无输入信号时，调基极电压，使输出耦合电容两端电压为输入信号时，调基极电压，使输出耦合电容两端电压为电源电压的一半。电源电压的一半。输入输入为正半周时，为正半周时，NPN型三极管处于正偏导通状态，型三极管处于正偏导通状态，PNP型三极管处于反偏截止状态，集电极电流型三极管处于反偏截止状态，集电极电流ic1自电源经自电源经VT1为电容为电容C充电，再通过负载，负载上有正半周输出；输入为负半周时，充电，再通过负载，负载上有正半周输出；输入为负半周时，PNP型三极管处于正偏导通状态，型三极管处于正偏导通状态，NPN型三极管处于反偏截止型三极管处于反偏截止状态，电容状态，电容C通过通过VT2和负载放电，负载上有负半周输出。和负载放电，负载上有负半周输出。p归纳归纳 在在输入信号的一个周期内，两只三极管轮流交替工作，共输入信号的一个周期内，两只三极管轮流交替工作，共同完成对输入信号的放大工作，最后输出波形在负载上合成得同完成对输入信号的放大工作，最后输出波形在负载上合成得到完整的正弦波。到完整的正弦波。4.3.3 4.3.3 参数的计算参数的计算1输出输出功率功率2效率效率 理想情况下效率为理想情况下效率为78.5。3管管耗耗Pcm=0.4Pom每只三极管的管耗每只三极管的管耗4.3.4 4.3.4 复合管复合管 在在大功率输出时，要获得特性很接近的大功率输出时，要获得特性很接近的NPN型和型和PNP型大型大功率三极管是很困难的，因而一般采用复合管功率三极管是很困难的，因而一般采用复合管。把把两个或两个以上三极管的电极适当地连接起来，组成一两个或两个以上三极管的电极适当地连接起来，组成一个复合管个复合管。复合复合管有两种连接方式：由两只同类型的三极管构成，如管有两种连接方式：由两只同类型的三极管构成，如图图4.5（a）、（）、（b）所示；由两只不同类型的三极管）所示；由两只不同类型的三极管构构成，如图成，如图4.5（c）、（）、（d）所示。）所示。（a）（b）（c）（d）图4.5 复合管复合管p注意注意1复合管的类型取决于第一只三极管的类型。复合管的类型取决于第一只三极管的类型。2要把两只三极管接成复合管，必须保证每只三极管各极电流要把两只三极管接成复合管，必须保证每只三极管各极电流都能顺着各个三极管的正常方向流动都能顺着各个三极管的正常方向流动。复合管的电流放大系数复合管的电流放大系数 近似为近似为VT1、VT2的的 值之积，即值之积，即 1 24.4 4.4 集成功率放大器集成功率放大器 目前目前功率放大器（简称功放）广泛采用集成功率放大器。功率放大器（简称功放）广泛采用集成功率放大器。集成功率放大器是指用一块集成电路完成功率放大的全部功能集成功率放大器是指用一块集成电路完成功率放大的全部功能的集成电路。它具有体积小、功耗低、设计简便、外观电路简的集成电路。它具有体积小、功耗低、设计简便、外观电路简单、应用方便、维修调试容易、可靠性高、性能稳定等优点单、应用方便、维修调试容易、可靠性高、性能稳定等优点。它它除了能完成功率放大外，还包括过压保护、过流保护、除了能完成功率放大外，还包括过压保护、过流保护、短路保护等保护环节短路保护等保护环节。集成集成功率放大器种类很多，可分为通用型和专用型两大类。功率放大器种类很多，可分为通用型和专用型两大类。通用型是指可用于多种场合的电路，专用型是指用于某种特定通用型是指可用于多种场合的电路，专用型是指用于某种特定场合的电路。下面以场合的电路。下面以 DG4100 为例说明低频集成功率放大器的为例说明低频集成功率放大器的基本原理和使用的一般原则。基本原理和使用的一般原则。4.4.1 DG41004.4.1 DG4100功放集成电路的方框图功放集成电路的方框图 DG4100集成功率放大器由集成功率放大器由3部分组成，如图部分组成，如图4.6所示。所示。图4.6 DG4100功放集成功放集成电路的方框路的方框图 差分差分输入级由差动放大器组成，该电路可以减少直接耦合输入级由差动放大器组成，该电路可以减少直接耦合造成的直流工作点的不稳定。造成的直流工作点的不稳定。中间中间放大级要求有高的电压放大倍数，所以由共射电路构放大级要求有高的电压放大倍数，所以由共射电路构成，它为输出级提供足够大的信号电压。成，它为输出级提供足够大的信号电压。输出输出级要驱动负载，所以要求其输出电阻小，输出电压幅级要驱动负载，所以要求其输出电阻小，输出电压幅度高，输出功率大，因此采用互补对称功率放大器。度高，输出功率大，因此采用互补对称功率放大器。4.4.2 DG41004.4.2 DG4100功放集成电路的典型应用功放集成电路的典型应用 DG4100集成功率放大器如图集成功率放大器如图4.7所示，其各引脚功能介绍所示，其各引脚功能介绍如下。如下。图4.7 DG4100集成功率放大器集成功率放大器1脚：输出端。使用时该端要外接一个大电容和负载电阻，脚：输出端。使用时该端要外接一个大电容和负载电阻，以构成以构成OTL功率放大器。功率放大器。2脚、脚、3脚：使用时这两个引脚接通，作为公共接地端。脚：使用时这两个引脚接通，作为公共接地端。4脚、脚、5脚：补偿端。使用时需外接脚：补偿端。使用时需外接51pF的补偿电容。的补偿电容。6脚：差动输入级的一个输入端。使用时在该脚与地之间接脚：差动输入级的一个输入端。使用时在该脚与地之间接入一个由入一个由RF、C3组成的网络，构成深度负反馈。组成的网络，构成深度负反馈。9脚：信号输入端脚：信号输入端。10脚：纹波旁路端。使用时可根据需要接入旁路电容。脚：纹波旁路端。使用时可根据需要接入旁路电容。12脚：去耦端。可接去耦电容。脚：去耦端。可接去耦电容。13脚：自举端。使用时，在该端与脚：自举端。使用时，在该端与1脚之间接入自举电容，脚之间接入自举电容，以使该电容具有自举功能。以使该电容具有自举功能。14脚：电源端。使用时，该端接电源正极，并需外接一只滤脚：电源端。使用时，该端接电源正极，并需外接一只滤波电容。波电容。4.5 4.5 实例综合分析实例综合分析手提式扩音器手提式扩音器4.5.1 4.5.1 电路原理图电路原理图 手提式手提式扩音器的电路原理图如图扩音器的电路原理图如图4.8所示。所示。图4.8 手提式手提式扩音器的音器的电路原理路原理图4.5.2 4.5.2 电路原理简介电路原理简介 在在手提式扩音器电路中，手提式扩音器电路中，BM是小型驻极体话筒，是小型驻极体话筒，R1为驻极体为驻极体话筒提供了一个工作电压。话筒提供了一个工作电压。R2和和C1为滤波退耦电路，能避免自激，为滤波退耦电路，能避免自激，保证电路的稳定工作。保证电路的稳定工作。RP为音量电位器，可以调节话筒的声音大为音量电位器，可以调节话筒的声音大小。小。C2、C3为音频耦合电容，为音频耦合电容，C8是为滤除杂波防止啸叫而设置的。是为滤除杂波防止啸叫而设置的。三极管三极管VT1与与R3、R4组成了一个典型的电压并联负反馈电路，用于组成了一个典型的电压并联负反馈电路，用于构成输入放大级。构成输入放大级。三极管三极管VT2是推动放大管，是推动放大管，R5、R6为三极管为三极管VT2提供了一个提供了一个稳定的工作点，稳定的工作点，R7为为VT2发射极反馈电阻，进一步保证了电路静发射极反馈电阻，进一步保证了电路静态工作点的稳定；态工作点的稳定；C5是是VT2发射极旁路电容，为交流信号提供了发射极旁路电容，为交流信号提供了通路，使交流信号不受反馈的影响。通路，使交流信号不受反馈的影响。推动推动放大管放大管VT2与与OTL功放管功放管VT3、VT4是直接耦合的。是直接耦合的。R6接接在输出中点电压上，起着深度的负反馈作用，使电路能够稳定在输出中点电压上，起着深度的负反馈作用，使电路能够稳定的工作。调节电阻器的工作。调节电阻器R8的大小，可以改变的大小，可以改变OTL功放管功放管VT3、VT4的静态工作电流；而二极管的静态工作电流；而二极管VD有一定的温度补偿作用，保证电有一定的温度补偿作用，保证电路的工作稳定。路的工作稳定。C6是输出隔直流电容，也为三极管是输出隔直流电容，也为三极管VT4的工作提供了一个工的工作提供了一个工作电源，它的容量越大越好。作电源，它的容量越大越好。C7为电源滤波电容。为电源滤波电容。4.6 4.6 技能训练：集成功率放大器的安装与测试技能训练：集成功率放大器的安装与测试p学习目标学习目标进一步了解功率放大器的特点和应用进一步了解功率放大器的特点和应用。了解了解集成功放（集成功放（TDA2030）的工作原理及其特性）的工作原理及其特性。进一步熟练掌握仪器仪表的使用方法。进一步熟练掌握仪器仪表的使用方法。掌握功放的性能参数主要指标的测量方法掌握功放的性能参数主要指标的测量方法。情景模拟情景模拟 日常生活日常生活中常用的家用电器，如电视机、收音机、音响等中常用的家用电器，如电视机、收音机、音响等都将用到功率放大器，但出现如图都将用到功率放大器，但出现如图4.9所示问题时，该如何检测所示问题时，该如何检测呢？本节将学习该电路一些参数的测试方法。呢？本节将学习该电路一些参数的测试方法。图4.9 实验情景模情景模拟示意示意图p基础知识基础知识 集成集成功放实验电路原理图如图功放实验电路原理图如图4.10所示。所示。图4.10 集成功放集成功放实验原理原理图