数字电子电路 第9章.ppt

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1、第第9 9章章 功率放大电路功率放大电路重点：重点：1 1.功率放大电路概述功率放大电路概述2 2.互补功率放大电路互补功率放大电路3 3.功率放大电路的安全运行功率放大电路的安全运行4 4.集成功率放大电路集成功率放大电路19.19.1 能够向负载提供足够大的信号功率的放大电路称为能够向负载提供足够大的信号功率的放大电路称为功率放大电路功率放大电路，简称，简称功放功放。从能量控制与转换的角度看，。从能量控制与转换的角度看，功率放大电路与其它放大电路在本质上没有根本的区别；功率放大电路与其它放大电路在本质上没有根本的区别；只是功放输出尽可能大的功率。因此，功放电路的组成只是功放输出尽可能大的功

2、率。因此，功放电路的组成和分析方法、元器件的选择，都与小信号放大电路不同。和分析方法、元器件的选择，都与小信号放大电路不同。9.1.1功率放大电路的特点功率放大电路的特点一、主要技术指标一、主要技术指标1.最大输出功率最大输出功率Pom功率放大电路功率放大电路概述概述2 功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率（率（PO=UOIO）。在电路参数确定的情况下负载上可能）。在电路参数确定的情况下负载上可能获得的最大交流功率，称为最大输出获得的最大交流功率，称为最大输出功率功率Pom 。2.转换效率转换效率 功率放大电路的最大输出功率与电源提供的功率之功

3、率放大电路的最大输出功率与电源提供的功率之比称为转换效率比称为转换效率。即。即二、功率放大电路中的晶体管二、功率放大电路中的晶体管1.晶体管接近极限参数晶体管接近极限参数ICM 晶体管在极限状态工作晶体管在极限状态工作,参数接近参数接近ICM、U（BR）CEO、PCM,但要保证管子工作在安全区。但要保证管子工作在安全区。电源提供的功率是直流功率，其值等于电源输出直电源提供的功率是直流功率，其值等于电源输出直流电流平均值与其电压之积，即流电流平均值与其电压之积，即PV=VccIc(AV)。3 注意散热条件，使用时要安装合适的散热片，有时还注意散热条件，使用时要安装合适的散热片，有时还要采取各种保

4、护措施。要采取各种保护措施。2.散热散热三、功率放大电路的分析方法三、功率放大电路的分析方法（1）由于功放电路输出信号大，功放管的非线性不能线）由于功放电路输出信号大，功放管的非线性不能线性化，因此，不能用仅适用于小信号的交流等效电路法，性化，因此，不能用仅适用于小信号的交流等效电路法，而应采用图解法。而应采用图解法。（2）由于功放的输出信号较大，输出波形容易产生非线）由于功放的输出信号较大，输出波形容易产生非线性失真，电路中应采用适当方法改善输出波形，如引入交性失真，电路中应采用适当方法改善输出波形，如引入交流负反馈。流负反馈。四、对功率放大电路的要求四、对功率放大电路的要求（1）输出功率足

5、够大；）输出功率足够大；（2）非线性失真尽量减小；）非线性失真尽量减小；（3）转换效率要高。）转换效率要高。49.1.2功率放大电路的组成功率放大电路的组成一、变压器耦合功率放大电路一、变压器耦合功率放大电路 传统的功率放大电路为变压器耦传统的功率放大电路为变压器耦合功率放大电路，分为单管甲类功率合功率放大电路，分为单管甲类功率放大电路和推换功率放大电路。放大电路和推换功率放大电路。1.单单管甲类功率放大电路管甲类功率放大电路适合做功放吗？适合做功放吗？功率放大器分变压器耦合功率放大电路和直接耦合功率放大电路。功率放大器分变压器耦合功率放大电路和直接耦合功率放大电路。变压器原边线圈电阻变压器原

6、边线圈电阻可忽略不计，直流负可忽略不计，直流负载线载线 垂直于横轴且过垂直于横轴且过(VCC，0)。5在理想变压器的情况下，最大输出功率为在理想变压器的情况下，最大输出功率为即即三角形三角形QAB的面积的面积在输入信号为正弦波时，在输入信号为正弦波时，若集电极电流也为正弦波，若集电极电流也为正弦波，直流电源提供的功率不变。直流电源提供的功率不变。电源提供的功率为电源提供的功率为PVICQ VCC ，全部消耗在管子上。全部消耗在管子上。RL等效到原边的电阻为等效到原边的电阻为 ，则可作出交流负载线。，则可作出交流负载线。62.变压器耦合乙类推挽功率放大电路变压器耦合乙类推挽功率放大电路 为了减小

7、静态损耗，应减小为了减小静态损耗，应减小ICQ，当，当ICQ=0时，静态时，静态PV=ICQVCC=0,但晶体管只有半个周期导通（但晶体管只有半个周期导通（=180），），静态工作点位于横轴上，这种工作状态称为乙类状态。静态工作点位于横轴上，这种工作状态称为乙类状态。乙类状态静态损耗虽小，但失真严重。为了获得完整的乙类状态静态损耗虽小，但失真严重。为了获得完整的正弦波输出，采用两只晶体管组成乙类推挽功率放大电正弦波输出，采用两只晶体管组成乙类推挽功率放大电路，如图所示。路，如图所示。电路的最大效率为电路的最大效率为:Pom/PV=50%u2为正弦，为正弦，ic和和uce也是正弦（即也是正弦（即

8、Q点在交流负载线中点点在交流负载线中点左右），称为左右），称为甲类功率放大电路甲类功率放大电路。7变压器耦合乙类推挽电路变压器耦合乙类推挽电路 信号的正半周信号的正半周T1导通、导通、T2截止；负半周截止；负半周T2导通、导通、T1截止。截止。8 两只同类型管子在两只同类型管子在电路中交替导通的方式，电路中交替导通的方式，称为称为“推挽推挽”工作方式。工作方式。设设 为常量，则负载上可为常量，则负载上可获得正弦波。输入信号获得正弦波。输入信号越大，电源提供的功率越大，电源提供的功率也越大。也越大。93.功率放大电路的分类功率放大电路的分类 在放大电路中，若输入信号为正弦波时，根据晶在放大电路中

9、，若输入信号为正弦波时，根据晶体管在信号整个周期内导通情况分类。体管在信号整个周期内导通情况分类。甲类甲类(=2 )tiCO Icm 2 ICQ tiCO Icm 2 ICQ乙类乙类(=)tiCO Icm ICQ2 甲乙类甲乙类(0时时，T1和和T4导通，导通，T2和和T3 截止，负载上获得正截止，负载上获得正半周电压；半周电压；当当 ui 0 T1 导通导通 T2 截止截止iC1io=iE1=iC1,uO=iC1RLui PCM。改善功放管的散热，可在同样的结温改善功放管的散热，可在同样的结温Tj下提高下提高PCM，也就可提高输出功率。，也就可提高输出功率。一、热阻的概念一、热阻的概念 热在

10、物体中热在物体中传导时所受到的阻力用传导时所受到的阻力用“热阻热阻”来来表示。设结温为表示。设结温为Tj，环境温度为，环境温度为Ta,则温差则温差T（=Tj-Ta)与与PC 成正比，比例系数称为热阻成正比，比例系数称为热阻RT，即即 可见，热阻可见，热阻RT是传递单位功率时所产生的温差，是传递单位功率时所产生的温差，单位为单位为C/W；热阻是衡量晶体管散热能力的一个重；热阻是衡量晶体管散热能力的一个重要参数。要参数。T=Tj-Ta=PCRT30 可见，管子选定，则可见，管子选定，则TjM确定，确定，Ta=25C时，若要时，若要PCM，必，必RT。二、热阻的估算二、热阻的估算管芯（管芯（J）向环

11、境（）向环境（A）散热的途径有两点：管散热的途径有两点：管芯芯JC（管壳）（管壳）A；或或JCS（散热片）（散热片）A，如图示。，如图示。31 设设J-C间热阻为间热阻为Rjc,C-A间热阻为间热阻为Rca，C-S间间热阻为热阻为Rcs,S-A间热阻为间热阻为Rsa,则晶体管散热的热阻则晶体管散热的热阻模型如图所示。模型如图所示。大功率管一般要加散热器，大功率管一般要加散热器，不同管子不同管子Rjc不同；不同；Rca与管壳所用材料有关；与管壳所用材料有关；Rcs取决取决于晶体管与散热器之间是否加绝缘层，又决定于二者接于晶体管与散热器之间是否加绝缘层，又决定于二者接触面积和压紧程度；触面积和压紧

12、程度；Rsa与散热器所用材料及表面大小、与散热器所用材料及表面大小、厚薄、颜色和散热片安装位置等因素有关。厚薄、颜色和散热片安装位置等因素有关。小功率管一般不加散热器，故晶体管的等效热阻为小功率管一般不加散热器，故晶体管的等效热阻为32三、功放管的散热器三、功放管的散热器 两种散热器如图示。当散热器垂直或水平放置时，有两种散热器如图示。当散热器垂直或水平放置时，有利于通风，故散热效果较好。散热表面钝化涂黑有利于热利于通风，故散热效果较好。散热表面钝化涂黑有利于热辐射，从而可减小热阻。产品手册给出的辐射，从而可减小热阻。产品手册给出的PCM是在指定散是在指定散热器及一定环境温度下的允许值；若改善

13、散热条件，可获热器及一定环境温度下的允许值；若改善散热条件，可获得更大一些的得更大一些的PCM。339.4 OTL、OCL和和BTL电路因电路因PO和和Au不同有多种不同型不同有多种不同型号的集成电路。号的集成电路。OTL电路使用时，需外接输出电容。为电路使用时，需外接输出电容。为了改善频率特性，减小非线性失真，常在电路内部引入了改善频率特性，减小非线性失真，常在电路内部引入深度负反馈。本节以低频功放为例，介绍集成功放的电深度负反馈。本节以低频功放为例，介绍集成功放的电路组成、工作原理、主要性能指标和典型应用。路组成、工作原理、主要性能指标和典型应用。9.4.1集成功率放大电路分析集成功率放大

14、电路分析 LM386是一种音频集成功放，具有功耗小，电压是一种音频集成功放，具有功耗小，电压增益可调节，电源电压范围大，外接元件少和总谐波增益可调节，电源电压范围大，外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。集成功率放大电路集成功率放大电路34一、一、LM386LM386内部电路内部电路35第一级为差分放大电路（双入单出）第一级为差分放大电路（双入单出）第二级为共射放大电路，第二级为共射放大电路，T7放大管，恒流源作有源负载，放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。以增大放大倍数。第三级中第三级中T8和和T6管复合成管复合成PN

15、P管，与管，与NPN管管T10构成准互构成准互补输出级。补输出级。D1、D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。除交越失真。T1和和T3、T2和和T4分别构成复合管作为差分放大电路分别构成复合管作为差分放大电路放大管；放大管；T5和和T6组成镜像电流源作为组成镜像电流源作为T1和和T2有源负载。有源负载。从从T2管集电极输出，为双入单出电路。单端输出电路的管集电极输出，为双入单出电路。单端输出电路的增益近似等于双端输出（因接有源负载）。增益近似等于双端输出（因接有源负载）。36 电阻电阻R7从输出端连接到从输出端连接到T2的发射极形成反馈通路，并的发

16、射极形成反馈通路，并与与R5和和R6构成反馈网络，从而引入深度电压串联负反馈。构成反馈网络，从而引入深度电压串联负反馈。利用瞬时极性法可判断出，利用瞬时极性法可判断出，2脚为反相输入端，脚为反相输入端，3脚为同相脚为同相输入端。电路由单电源供电，故为输入端。电路由单电源供电，故为OTL电路。输出端（电路。输出端（5脚）脚）应外接输出电容后再接负载。应外接输出电容后再接负载。引脚引脚1和和8外接电阻时，改变交流通路，所以必须在外外接电阻时，改变交流通路，所以必须在外接电阻回路串联一个大容量电容，如图示，外接电阻值不接电阻回路串联一个大容量电容，如图示，外接电阻值不同，电压放大倍数的调节范围为同，

17、电压放大倍数的调节范围为20200，即，即2646dB。二、二、LM386LM386引脚图引脚图注：注：379.4.2集成功率放大电路的主要性能指标集成功率放大电路的主要性能指标 除除POm外，还有电源电压范围，电源静态电流，电外，还有电源电压范围，电源静态电流，电压增益，频带宽，输入阻抗，输入偏置电流，总谐波失压增益，频带宽，输入阻抗，输入偏置电流，总谐波失真等。同一负载，当电源电压不同时，真等。同一负载，当电源电压不同时，POm不同；同一不同；同一电源电压时，当负载不同，电源电压时，当负载不同，POm也不同。也不同。集成功率放大电路的主要性能指标见书中表集成功率放大电路的主要性能指标见书中

18、表9.4.1。389.4.3集成功率放大电路的应用集成功率放大电路的应用一、集成一、集成OTLOTL电路的应用电路的应用1.LM386外接元件最少的用法外接元件最少的用法静态时输出电容上电压为静态时输出电容上电压为VCC/2最大不失真输出电压的峰最大不失真输出电压的峰峰值为电源电压峰值为电源电压VCC。最大输出功率为最大输出功率为输入电压有效值输入电压有效值VCC=16V,RL=32引脚引脚1和和8开路，开路，R和和C2串联构成串联构成较正网络用来进行相位补偿。较正网络用来进行相位补偿。LM386外接元件最少的用法外接元件最少的用法393.LM386的一般用法的一般用法 LM386电压增益最大

19、的用法电压增益最大的用法LM386的一般用法的一般用法C3使引脚使引脚1和和8的交流的交流通路短路，通路短路，Au200；C4为耦合电容；为耦合电容；C5是是去耦电容去耦电容。引脚引脚1和和5接电阻，也可接电阻，也可改变电压放大倍数。改变电压放大倍数。2.LM386电压增益最大的用法电压增益最大的用法40最大输出功率最大输出功率Pom12W最大不失真输出电压最大不失真输出电压Uom9.8VTDA1521为为2通道通道OCL电路，电路，可作为立体声扩音机左、右可作为立体声扩音机左、右两个声道的功放。其内部引两个声道的功放。其内部引入深度电压串联负反馈，具入深度电压串联负反馈，具有待机、静噪功能及

20、短路和有待机、静噪功能及短路和过载保护等。过载保护等。二、集成二、集成OCLOCL电路的应用电路的应用41三、集成三、集成BTLBTL电路的应用电路的应用 TDA1556为为2通通道道BTL电路。可作为电路。可作为立体声扩音机左，右立体声扩音机左，右两个声道的功放。两两个声道的功放。两个通道的组成完全相个通道的组成完全相同。同。TDA内部有待机、内部有待机、静噪功能，并有短路、静噪功能，并有短路、电压反向、过压、过电压反向、过压、过热和扬声器保护等。热和扬声器保护等。最大输出电压的峰值最大输出电压的峰值可接近电源电压可接近电源电压VCC。42实用的实用的OCL准互补功放电路：准互补功放电路：+

21、24VuiRLT7T8RC8-24VR2R3T6Rc1T1T2Rb1Rb2C1RfR1D1D2T3Re3T4Re4C2T5Re5C3C4T9T10Re10Re7Re9C5R4BX差动放大级差动放大级反馈级反馈级偏置电路偏置电路共射放大级共射放大级UBE倍增倍增电路电路恒流源恒流源负载负载准互补功放级准互补功放级保险管保险管负载负载43本章基本要求本章基本要求1.掌握下列概念：晶体管的甲类、乙类和甲乙类工作掌握下列概念：晶体管的甲类、乙类和甲乙类工作 状态，最大输出功率、转换效率。状态，最大输出功率、转换效率。2.理解功率放大电路的组成原则，掌握理解功率放大电路的组成原则，掌握OCL的工作原的工作原 理，并了解其它类型功率放大电路的特点。理，并了解其它类型功率放大电路的特点。3.理解功率放大电路最大输出功率和效率的分析计算理解功率放大电路最大输出功率和效率的分析计算 方法，了解功放管的选择方法。方法，了解功放管的选择方法。4.了解集成功率放大电路的工作原理。了解集成功率放大电路的工作原理。44