《功放原理讲解》PPT课件.ppt

数字音频系统培训数字音频系统培训功率放大器的发展功率放大器的发展几十年来在音频领域中，A类（甲类）、B类（乙类）、AB类（甲乙类）音频功率放大器一直占据“统治”地位 其发展经历了这样几个过程：所用器件从电子管、晶体管到集成电路过程；电路组成从单管到推挽过程；电路形成从变压器输出到OTL、OCL、BTL形式过程。功率放大器简介功率放大器简介功率放大器的主要任务是向负载提供足够大的不失真功率,同时要有较高的效率。为了输出较大功率,功放管的工作电流、电压的变化范围往往很大。为了提高效率，可将放大电路做成推挽式电路，并将功放管的工作状态设置为AB类（甲乙类），以减小交越失真。功率放大器的分类功率放大器的分类 功率放大器通常是根据功放管工作点选择的不同来进行分类的，分为A类（甲类）功率放大器、B类（乙类）功率放大器和AB类（甲乙类）功率放大器等形式。当静态工作点Q设在负载线线性段的中点、在整个信号周期内都有电流ic通过时，称为A类（甲类）放大状态，其波形如图 1(a)所示。若将静态工作点 Q 设在截止点，则ic仅在半个信号周期内通过，其输出波形被削掉一半，如图1(b)所示，称为B类（乙类）放大状态。若将静态工作点设在线性区的下部靠近截止点处，则其ic的流通时间为多半个信号周期，输出波形被削掉少一半，如图1(c)所示，称为AB类（甲乙类）放大状态。图1 功率放大器的分类（a）A（甲）类；（b）B（乙）类；（c）AB（甲乙）类功率放大器的特点功率放大器的特点 1.输出功率足够大输出功率足够大 为获得足够大的输出功率，功放管的电压和电流变化范围应很大。2.效率要高效率要高 功率放大器的效率是指负载上得到的信号功率与电源供给的直流功率之比。功率放大器的特点功率放大器的特点3.非线性失真要小非线性失真要小 功率放大器是在大信号状态下工作，电压、电流摆动幅度很大，极易超出管子特性曲线的线性范围而进入非线性区，造成输出波形的非线性失真，因此，功率放大器比小信号的电压放大器的非线性失真问题严重。1.功率放大电路的一般性问题功率放大电路的一般性问题 功率放大电路一般在多级放大电路的输出级，主要作用是在不失真或轻微失真的前提下，尽可能地对功率进行放大，以推动负载如扬声器发声等。1、对功率放大电路的基本要求、对功率放大电路的基本要求 功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。为了获得大的输出功率，一般使：（1）输出信号电压大（电压式）；（2）输出信号电流大（电流式）；（3）放大电路的输出电阻与负载匹配。2.2.功率放大器的特殊问题功率放大器的特殊问题1）要求输出功率尽可能大：因此放大器件 工作在极限运用状态。2）要求效率高：需要考虑减小功耗，提高 电源转换效率。3）非线性失真要小。减小非线性失真与增 大输出功率是功率放大器的一对矛盾。4）解决功放器件的散热问题。晶体管功耗：晶体管压晶体管压降降晶体管电晶体管电流流提高功率放大电路效率的主要途径 为提高效率、降低损耗，应从两方面考虑：一是增加放大电路的动态工作范围来增加输出功率；二是减少电源供给的功率，即在 一定时使静态电流 减小，也就是将静态工作点沿交流负载线下移。由可知可知 功率放大器提高输出功率的途径：功率放大器提高输出功率的途径：减小放大管的集电极损耗！减小放大管的集电极损耗！晶体管压晶体管压降降晶体管电晶体管电流流工作状态分类工作状态分类根据晶体管的静态工作点的位置不同可分以下几类。根据晶体管的静态工作点的位置不同可分以下几类。(1)A类放大电路类放大电路uCEiC0QAiC1ICQt2=2 02 集电极电集电极电流波形流波形静态工作静态工作点位置点位置特点特点a.静态功耗大静态功耗大b.能量转换能量转换效率低效率低C、高保真、高保真(2)B类放大电路类放大电路uCEiC0QAtiC22 2 =03 静态工作静态工作点位置点位置集电极电集电极电流波形流波形特点特点a.静态功耗静态功耗b.能量转换效率高能量转换效率高c.输出失真大输出失真大(3)AB类放大电路类放大电路uCEiC 0QAiC3203ICQ 2 2静态工作静态工作点位置点位置集电极电集电极电流波形流波形特点特点a.静态功耗较小静态功耗较小b.能量转换效率较高能量转换效率较高c.输出失真比甲类大输出失真比甲类大A类功放电路静态工作点和输出波形的关系B类功放电路静态工作点和输出波形的关系AB类功放电路静态工作点和输出波形的关系一、一、OCL互互补补推挽乙推挽乙类类功率放大器功率放大器二、二、OTLOTL互补推挽乙类功率放大器互补推挽乙类功率放大器三、三、OTL、OCL互补对称功放的比较互补对称功放的比较OCL、OTL互补推挽功率放大器互补推挽功率放大器四、四、其他乙类推挽功率放大器其他乙类推挽功率放大器一、一、OCL互补推挽乙类功率放大器互补推挽乙类功率放大器1.电路组成电路组成uiuOECEERL+-V1V2单管组成射级输出器。单管组成射级输出器。静态时，静态时，V1、V2截止，截止，IE1=IE2 0，IRL=0，UE=0，输出电压输出电压uO=0。0V2.工作原理：工作原理：UCE1=EC，UCE2=-=-EC;两个三极管在信号的正、负半两个三极管在信号的正、负半 周轮流导通，使负载得到一个周轮流导通，使负载得到一个 完整的波形。完整的波形。uiuOECRL+-V1uiuO-EERL+-V2uitiC1tiOtuOtiC2tiC1iC2忽略忽略BJT的导通压降，的导通压降，iOuiuOECEERL+-V1V2iC1iC23.电压传输特性和失真电压传输特性和失真uOui死死区区跟跟随随区区跟跟随随区区饱饱和和区区饱饱和和区区-ECEC0.5-0.5（1）死区：）死区：因因BJT存在死区，在存在死区，在|ui|EC时，两管轮流进入饱和区，时，两管轮流进入饱和区，输出电压会产生削波失真。输出电压会产生削波失真。iO4.克服交越失真的方法克服交越失真的方法在两管的基极间增加偏置电路，在两管的基极间增加偏置电路，为两管在静态时提供一个微小的为两管在静态时提供一个微小的静态偏流，使其工作在甲乙类工静态偏流，使其工作在甲乙类工作状态，从而减小交越失真。作状态，从而减小交越失真。uiuOEC-EERL+-V1V2RRVD1VD2+-二极管偏置电路二极管偏置电路uiuOEC-EERL+-V1V2R1RC3V4+-R2V3Re3UBE扩大偏置电路扩大偏置电路（1）输出功率输出功率PO：iC10iC2uCE0UCESUCESECICmUcemQ最大不失真输出电压：最大不失真输出电压：最大不失真输出功率：最大不失真输出功率：uiuORL+-V1V2iC1iC2uce1iC1uce2（2）效率：效率：iC1tiC2tiOtuiuOECEERL+-V1V2iC1iC2定义：定义：（3）单管的最大平均管耗）单管的最大平均管耗PT1max：uiuOECEERL+-V1V2iC1uCE1iC1作为作为BJT(晶体管晶体管)的选管依据。的选管依据。（4）BJT的选择：的选择：主要看极限参数：主要看极限参数：PCM、BUCEO、ICMa：集电极最大允许功率损耗：集电极最大允许功率损耗：uiuOECEERL+-V1V2iC1uCE1iC1b：反向击穿电压：反向击穿电压：c：集电极最大允许电流：集电极最大允许电流：uiuOECEERL+-V1V2uiuOEC-EERL+-V1V2RRVD1VD2+-以上这些计算公式同样适用于以上这些计算公式同样适用于OCL甲乙类互补对称功放。甲乙类互补对称功放。乙类乙类甲乙类甲乙类二、二、OTL互补推挽功放互补推挽功放静态时，静态时，K点电位为点电位为EC/2，电容被电容被 充电到充电到EC/2。若电容足够大，则在有信号输入时，若电容足够大，则在有信号输入时，可认为其上的电压保持不变，即相当可认为其上的电压保持不变，即相当于一个电压为于一个电压为EC/2的恒压源。的恒压源。uiuOECRL+-V2V3RCVD1VD2+-RRCCR1R2V1K+-EC/2 ui负半周，负半周，V2导通，而导通，而V3截止，截止，V2集电极回路的直流电源电压为集电极回路的直流电源电压为EC/2。ui正半周，正半周，V3导通，而导通，而V2截止，截止，V3导电时依靠电容上的电压供电，导电时依靠电容上的电压供电，V3集电极回路的直流电源电压为集电极回路的直流电源电压为-EC/2。甲甲乙乙类类uO1uOEC/2RL+-V2V3iC2iC3EC/2OTL电路的功率、管耗、效率都可用电路的功率、管耗、效率都可用OCL电路的公式来计算，但要注意电电路的公式来计算，但要注意电源电压应以源电压应以“EC/2”代入。代入。电路的性能指标：电路的性能指标：uiuOECEERL+-V1V2uiuOEC-EERL+-V1V2RRVD1VD2+-三、三、OTL、OCL互补对称功放的比较互补对称功放的比较最大输最大输出功率出功率无输出电容无输出电容有输出电容有输出电容电容电容最大效最大效率率电源电源最大管耗最大管耗单电源单电源OTL双电源双电源OCLLCES COmRU EP2)2/(2-=LCES COmRU E P2)(2-=%5.78=EOmPPh h%5.78=EOmPPh hOmTmaxPP2.0=OmTmaxPP2.0=四、其他乙类推挽功率放大器四、其他乙类推挽功率放大器1.变压器耦合推挽功放变压器耦合推挽功放Rb为为T1、T2提供静态偏压，使电路工提供静态偏压，使电路工作在甲乙类状态，减小交越失真。作在甲乙类状态，减小交越失真。特点：特点：方便实现阻抗匹配。方便实现阻抗匹配。体积大，消耗有色金属。体积大，消耗有色金属。在低、高频段产生相移，电路在低、高频段产生相移，电路易产生自激振荡。易产生自激振荡。电路分析：电路分析：负载折合到初级绕组上（下）负载折合到初级绕组上（下）半部分的等效电阻为：半部分的等效电阻为：电路的功率、管耗、效率等都可用电路的功率、管耗、效率等都可用乙类功放分析所得公式来计算，但乙类功放分析所得公式来计算，但负载负载RL要用折合后的负载要用折合后的负载RL代入。代入。R Re eR RL LT2T2T1T1-u ui iE EC Ci iC1C1i iC2C2变压器耦合推挽功率放大器变压器耦合推挽功率放大器变压器耦合推挽功率放大器变压器耦合推挽功率放大器+R Rb bR Rb bu ui1i1u ui2i2u u1 1u u2 2u uOO-+N1N2N1 上图是一个典型的推挽功率放大电路。两只晶体管T1和T2型号相同，参数一致。输入变压器副边设有中心抽头，以保证输入信号对称地输入，使T1 和T2 两管的基极信号大小相等、相位相反。输出变压器的原边亦设有中心抽头，以分别将T1和T2的集电极电流耦合到输出变压器的副边，向负载输出功率。图中，两个功放管T1、T2 工作在AB类放大状态，静态工作点靠近截止区，因而静态电流 IC1、IC2很小，可近似为零。当有正弦信号 ui输入时，通过输入变压器的耦合，在输入变压器的副边感应出大小相等、极性相反的信号，分别加在T1与T2的输入回路中。变压器耦合推挽功率放大器变压器耦合推挽功率放大器变压器耦合推挽功率放大器变压器耦合推挽功率放大器 在ui的正半周，设A点电位高于B点电位，即uAO0、uBO0，于是V1工作、V2截止；在ui的负半周，B点电位高于A点电位，即uAO0，于是V2工作、V1截止。这样，在一个信号周期内，两个管子轮流导通、交替工作，两管集电极电流iC1、iC2按相反方向交替流过输出变压器原边的上、下半个绕组，并经副边轮流向负载输出。由于电路对称，iC1与iC2大小相等、流向相反，它们在副边回路中轮流产生正、负半个周期的正弦信号，这样，在负载上就可得到一个完整的正弦波信号。其各主要电压和电流波形见图2。图2 电压和电流波形图 这里需要说明，上述推挽功率放大器的工作状态之所以设为AB类而不是B类，其目的是为了减少“交越失真”。若设置为B类状态，由于两管的静态工作点取在晶体管输入特性曲线的截止点上，因而没有基极偏流。这时由于管子输入特性曲线有一段死区，而且死区附近非线性又比较严重，因而在有信号输入、引起两管交替工作时，在交替点的前后便会出现一段两管电流均为零或非线性严重的波形；对应地，在负载上便产生了如图3(a)所示的交越失真。将工作状态设置为AB类便可大大减少交越失真。这时，由于两管的工作点稍高于截止点，因而均有一很小的静态工作电流Icq。这样，便可克服管子的死区电压，使两管交替工作处的负载中电流能按正弦规律变化，从而克服了交越失真，波形如图3（b）所示。图4 交越失真的产生与消除波形图（a）产生交越失真 （b）消除交越失真乙类互补对称电路存在的问题乙类互补对称电路存在的问题实际测试实际测试波形波形 TDA2006集成功放的典型应用集成功放的典型应用 电压放大倍数为 1.双电源应用电路双电源应用电路 2.单电源应用电路单电源应用电路 电压放大倍数为电压放大倍数为 D 类功率放大器现代保真音响系统常采用数字音频设备如CD、近年发展起来的DVD、计算机多媒体设备、MP3等也都是数字音频信号源。数字音频信号采用脉冲编码调制技术（PCM），信号分辨率通常为12位或16位，采样频率为44.1KHZ（CD）由于数字信号在存储、传输和数据出来上的优点，使人们开始追求数字式功放代替传统的模拟功放，随着技术的发展数字功放必然会取代模拟功放。业内人士预计5年内，全数字音频功率放大器将占音频功放市场的90%以上。D 类功率放大器特点：1、效率高，产生的热量少；2、节能、数字化、体积小、重量轻；3、过载能力与功率储备能力强；4、功放和扬声器的匹配好；5、生产调试方便。D类功率放大器D类功放基本结构原理图信号输入、pwm调制波形全数字功放原理图全数字音频功放电路的组成框图数字功放和模拟功放区别数字功放和模拟功放区别1.过载能力与功率储备 数字功放电路的过载能力远远高于模拟功放。模拟功放正常工作时功放管工作在线性区；当过载后，功放管工作在饱和区，出现谐波失真，失真程度呈指数级增加，音质迅速变坏。而数字功放在功率放大时一直处于饱和区和截止区，只要功放管不损坏，失真度不会迅速增加，如下图所示。数字功放和模拟功放区别数字功放和模拟功放区别全数字功放与普通功放过载失真度比较数字功放和模拟功放区别数字功放和模拟功放区别2.交越失真 模拟B类功放在过零失真，这是由于晶体管在小电流时的非线性特性而引起的在输出波形正负交叉处的失真。而数字功放只工作在开关状态，不会产生交越失真。数字功放和模拟功放区别数字功放和模拟功放区别3.功放和扬声器的匹配 由于模拟功放中的功放管内阻较大，所以在匹配不同阻值的扬声器时，模拟功放电路的工作状态会受到负载（扬声器）大小的影响。而数字功放内阻不超过0.2(开关管的内阻加滤波器内阻)，相对于负载（扬声器）的阻值（48）完全可以忽略不计，因此不存在与扬声器的匹配问题。数字功放和模拟功放区别数字功放和模拟功放区别4.瞬态互调失真 模拟功放几乎全部采用负反馈电路，以保证其电声指标，在负反馈电路中，为了抑制寄生振荡，采用相位补偿电路，从而会产生瞬态互调失真。数字功放在功率转换上没有采用任何模拟放大反馈电路，从而避免了瞬态互调失真。数字功放和模拟功放区别数字功放和模拟功放区别5.声像定位 对模拟功放来说，输出信号和输入信号之间一般都存在着相位差，而且在输出功率不同时，相位失真亦不同。而数字功放采用数字信号放大，使输出信号与输入信号相位完全一致，相移为零，因此声像定位准确。数字功放和模拟功放区别数字功放和模拟功放区别6.升级换代 数字功放通过简单地更换开关放大模块即可获得大功率。大功率开关放大模块成本较低，在专业领域发展前景广阔。数字功放和模拟功放区别数字功放和模拟功放区别7.生产调试 模拟功放存在着各级工作点的调试问题，不利于大批量生产。而数字功放大部分为数字电路，一般不需调试即可正常工作，特别适合于大规模生产。