第4章功率放大電路《模擬電子技術(shù)》理論學(xué)習(xí)之引言

多級放大電路的輸出級一般要驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動作、執(zhí)行電動機(jī)轉(zhuǎn)動、指示儀器顯示等，所以需要有足夠的功率輸出。這類主要用于向負(fù)載提供功率的放大電路稱為功率放大電路，簡稱功放（PowerAmplifier）。圖4-1用變壓器變換負(fù)載電阻的甲類功率放大器引言本章主要學(xué)習(xí)互補(bǔ)對稱功率放大電路及集成功率放大電路。圖4-2第4章的知識結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容4.1互補(bǔ)對稱功率放大電路4.2集成功率放大電路4.1互補(bǔ)對稱功率放大電路4.1.2OCL乙類電路4.1.1功放的基礎(chǔ)知識4.1.3OCL甲乙類電路4.1.4OTL電路4.1.1功放的基礎(chǔ)知識1、功率放大電路的特點

功率放大電路與電壓放大電路的本質(zhì)都是能量轉(zhuǎn)換，但電壓放大電路要求在信號不失真的前提下輸出較大的電壓，而功率放大電路則要求輸出一定的不失真（或失真較小）功率來驅(qū)動負(fù)載，因此它們的工作狀態(tài)、分析方法、散熱與保護(hù)措施等都有很大的區(qū)別。①工作狀態(tài)。功率放大電路要求輸出盡可能大的功率，因此工作在大信號狀態(tài)，輸出信號允許有較小程度的失真。②分析方法。功率放大電路在大信號狀態(tài)下工作，只能采用圖解法分析。③散熱與保護(hù)措施。功率放大電路處于大信號狀態(tài)下，工作電流較大，功放管要消耗較大的功率，所以工作時要加散熱片。另外，為了使功率放大電路的輸出電壓和電流的幅度盡可能大，功放管一般在極限狀態(tài)下工作，很容易被損壞，所以在電路中要采取一定的保護(hù)措施。4.1.1功放的基礎(chǔ)知識（1）最大不失真輸出功率Pom2、功率放大電路的主要性能指標(biāo)

功放提供給負(fù)載的功率稱為輸出功率Po，它等于輸出電壓有效值與輸出電流有效值的乘積。功率放大電路要求輸出功率盡可能大，當(dāng)輸出波形不超過規(guī)定的非線性失真指標(biāo)時，功放最大輸出電壓Uom的有效值與最大輸出電流Iom的有效值的乘積，稱為最大不失真輸出功率：

由于輸出電流等于輸出電壓與負(fù)載阻值的比值，因此最大不失真輸出功率與負(fù)載有關(guān)。4.1.1功放的基礎(chǔ)知識（2）直流電源提供的平均功率PV2、功率放大電路的主要性能指標(biāo)

功放的輸出功率是由直流電源提供的。根據(jù)功率的定義，直流電源提供的平均功率PV等于直流電壓與平均電流的乘積：4.1.1功放的基礎(chǔ)知識（3）管耗PT（4）效率η2、功率放大電路的主要性能指標(biāo)

直流電源提供的平均功率除了轉(zhuǎn)化為輸出功率外，其余部分主要消耗在功放管上。管耗定義為直流電源提供的平均功率與輸出功率之差：輸出功率與直流電源提供的平均功率的比值稱為效率：4.1.1功放的基礎(chǔ)知識3、功率放大電路的種類圖4-3各類功放的靜態(tài)工作點及波形4.1.1功放的基礎(chǔ)知識3、功率放大電路的種類表4-1電壓放大電路與功率放大電路特性對比本次課小結(jié)1．功率放大電路的特點：

功率放大電路中功放管可能在大信號狀態(tài)下工作，動態(tài)工作范圍大，通常采用圖解法分析。功率放大電路研究的重點是在非線性失真允許的范圍內(nèi)，盡可能地提高輸出功率和效率。2．功率放大電路的性能指標(biāo)：

主要有最大不失真輸出功率、直流電源提供的平均功率、管耗、效率等。3．功率放大電路的種類：

按照靜態(tài)時功放管的工作狀態(tài)不同，功率放大電路分為甲類、乙類、甲乙類。甲類功放的靜態(tài)工作點位于放大區(qū)的中央，輸出波形失真小、管耗大、效率低。乙類功放的靜態(tài)工作點位于截止區(qū)，輸出波形嚴(yán)重失真、管耗小、效率高。甲乙類功放的靜態(tài)工作點位于微導(dǎo)通區(qū)，更實用。4.1.2OCL乙類電路1、電路的組成及工作原理（1）電路的組成圖4-4OCL乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路電路特點采用對管（NPN及PNP）；雙電源供電（+Vcc和-Vcc）；b與b相連接ui；e與e相連接負(fù)載（直接耦合）?；パa(bǔ)對稱OCLOutputCapacitorless輸出端無電容4.1.2OCL乙類電路1、電路的組成及工作原理（2）工作原理圖4-4OCL乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路靜態(tài)分析兩個晶體管UBE=0（零偏），截止。乙類電路對稱，輸出端電位為0；4.1.2OCL乙類電路1、電路的組成及工作原理（2）工作原理圖4-4OCL乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路動態(tài)分析電流從+Vcc→VT1→RL→地輸入正半周（ui>0時）電流從地→RL→

VT2→?Vcc輸入負(fù)半周（ui<0時）結(jié)論VT1、VT2輪流工作；+Vcc和?Vcc輪流供電；負(fù)載上獲得了一個完整的信號。推挽VT1導(dǎo)通，VT2截止；VT1截止，VT2導(dǎo)通；4.1.2OCL乙類電路2、主要性能指標(biāo)的計算（1）最大不失真輸出功率Pom圖4-5OCT乙類互補(bǔ)對稱功率放大的電流通路電路構(gòu)成射極跟隨器，輸出電壓最大值Uom=VCC-UCE(sat)4.1.2OCL乙類電路2、主要性能指標(biāo)的計算（2）直流電源提供的平均功率PV

采用雙電源供電的功放，由于兩個直流電源輪流供電，每個電源只提供半個周期的能量，因此每個電源在一個周期內(nèi)提供的平均功率PV1等于電源電壓與半個周期內(nèi)功放管集電極電流平均值的乘積：4.1.2OCL乙類電路2、主要性能指標(biāo)的計算（3）管耗PT

由于VT1與VT2各自導(dǎo)通半個周期且性能參數(shù)對稱，故兩只功放管的管耗是相同的，每只功放管的平均管耗為4.1.2OCL乙類電路2、主要性能指標(biāo)的計算（4）效率η4.1.2OCL乙類電路2、主要性能指標(biāo)的計算需要注意的是，在上述各指標(biāo)的計算過程中，如果忽略功率管的飽和壓降UCE(sat)，則最大輸出電壓幅值為Uom=VCC，那么各項指標(biāo)可近似計算為

應(yīng)當(dāng)注意的是，大功率功放管的飽和壓降約為2~3V，所以UCE(sat)一般情況下不能被忽略。4.1.2OCL乙類電路3、交越失真圖4-6交越失真由于晶體管工作時發(fā)射結(jié)壓降必須大于開啟電壓Uth才導(dǎo)通。在輸入電壓正、負(fù)半周交替處的過零點附近，當(dāng)輸入電壓的絕對值小于Uth時，乙類功放中的功放管都截止，負(fù)載上無電流通過，因此在過零點附近輸出電壓波形出現(xiàn)一段死區(qū)，這種現(xiàn)象稱為交越失真。交越失真是由功放管的開啟電壓不為0造成的，屬于非線性失真。本次課小結(jié)1．OCL乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路的特點：

電路采用雙電源供電，結(jié)構(gòu)上下對稱，靜態(tài)時兩只晶體管均處于截止?fàn)顟B(tài)、管耗為0，兩管互相補(bǔ)償、輪流導(dǎo)通，電路輸出電阻小，帶負(fù)載能力強(qiáng)。乙類功放輸出存在交越失真。2．電路的主要性能指標(biāo)：

由于電路為雙電源供電，因此最大輸出功率

，理論上效率η最大為878.5%，實際的效率值要低。4.1.3OCL甲乙類電路1、電路的組成及工作原理

功放管VT1、VT2構(gòu)成互補(bǔ)對稱電路。

二極管VD1、VD2與電位器Rp構(gòu)成串聯(lián)支路AB，兩端的壓降為VT1、VT2提供一個適當(dāng)?shù)钠珘?，使之靜態(tài)時處于微導(dǎo)通狀態(tài)，即處于甲乙類工作狀態(tài)。此外，VD1、VD2還有溫度補(bǔ)償作用，使VT1、VT2的靜態(tài)電流基本不隨溫度的變化而變化。圖4-7帶前置電壓放大器的OCL甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路（1）電路的組成4.1.3OCL甲乙類電路1、電路的組成及工作原理

當(dāng)有輸入信號ui時：圖4-7帶前置電壓放大器的OCL甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路（2）電路的工作原理

由于功放管在靜態(tài)時處于微導(dǎo)通狀態(tài)，即使ui小于開啟電壓Uth

，也總能保證至少有一個管子導(dǎo)通，從而消除了交越失真。

在ui負(fù)半周（ui<0），ui經(jīng)VT3反相放大后極性為“+”，VT1由微導(dǎo)通狀態(tài)進(jìn)入放大狀態(tài)，而VT2由微導(dǎo)通狀態(tài)進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，輸出電壓uo>0；

在ui正半周（ui>0），ui經(jīng)VT3反相放大后極性為“-”，VT1由微導(dǎo)通狀態(tài)進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，VT2由微導(dǎo)通狀態(tài)進(jìn)入放大狀態(tài)，輸出電壓uo<0；4.1.3OCL甲乙類電路1、電路的組成及工作原理【例4-1】甲乙類互補(bǔ)對稱功放電路如圖4-7所示。請分析靜態(tài)時若VD1、VD2與Rp三個元器件中有一個開路，會出現(xiàn)什么問題？【解題思路】

靜態(tài)時，VD1、VD2與Rp中只要有一個開路，則電流會從+VCC經(jīng)R1→VT1管發(fā)射結(jié)→VT2管發(fā)射結(jié)→VT3集電極---發(fā)射極→R2→－Vcc形成一個通路，這會導(dǎo)致較大的基極偏置電流IB1和IB2出現(xiàn)（此時IB1=IB2）。由于VT1

與VT1的靜態(tài)工作電流IC=βIB，因此當(dāng)過大的工作電流流過VT1

、VT1時，其功耗將可能遠(yuǎn)大于三極管的額定功耗而使兩管燒毀。4.1.3OCL甲乙類電路2、主要性能指標(biāo)的計算

雖然靜態(tài)時OCL甲乙類互補(bǔ)對稱功放電路中的功放管處于微導(dǎo)通狀態(tài)，但它們的靜態(tài)電流值很小，可以近似認(rèn)為是零，因此OCL甲乙類功放電路性能指標(biāo)的計算方法與OCL乙類互補(bǔ)對稱功放電路相同。4.1.3OCL甲乙類電路2、主要性能指標(biāo)的計算【例4-2】功率放大電路如圖4-7所示，已知VCC=24V、RL=8Ω、UCE(sat)忽略不計。試求電路的最大不失真輸出功率和效率?！窘忸}思路】4.1.3OCL甲乙類電路2、主要性能指標(biāo)的計算【例4-3】功率放大電路如圖4-7所示，已知VCC=12V、RL=8Ω、UCE(sat)=2V。（1）求電路的最大不失真輸出功率。（2）為了在負(fù)載上得到最大不失真輸出功率，輸入正弦波電壓的有效值是多少？（3）當(dāng)輸入電壓為ui=2sinωt（V）時，求負(fù)載得到的功率?！窘忸}思路】4.1.3OCL甲乙類電路3、功放管的選擇（1）最大管耗與最大不失真輸出功率的關(guān)系

在功放電路中，雖然功放管的管耗與電路的輸出功率存在一定關(guān)系，但可以證明，當(dāng)功放電路的輸出功率最大時，功放管的管耗并不是最大的。欲求每只管子的最大管耗，可以由式（4-8）對Uom求導(dǎo)，再令結(jié)果為0，得出的Uom就是管耗最大的條件，即令上式為0，得到最大不失真輸出電壓為上式表明，當(dāng)Uom約0.6VCC時功放管的管耗最大。4.1.3OCL甲乙類電路3、功放管的選擇（1）最大管耗與最大不失真輸出功率的關(guān)系

每只管子的最大管耗為忽略飽和壓降時，每只管子的最大管耗與最大輸出功率的關(guān)系為4.1.3OCL甲乙類電路3、功放管的選擇（2）功放管的選擇依據(jù)

在選擇功放管時，主要關(guān)注最大集電極電流ICM、最大耐受電壓U（BR）CEO和最大允許功耗PCM等極限參數(shù)。當(dāng)一只功放管飽和導(dǎo)通時，另一只功放管C、E間承受的最大反向電壓為2VCC。故

誠然，上面的計算是在理想情況下進(jìn)行的，實際上在選功放管時還要留有一定的裕量，一般提高50%以上。4.1.3OCL甲乙類電路3、功放管的選擇（2）功放管的選擇依據(jù)【例4-4】在圖4-7所示OCL互補(bǔ)對稱功放電路中，已知VCC=20V、RL=8Ω，如何選擇功放管？【解題思路】本次課小結(jié)1．OCL甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路的特點：

電路采用雙電源供電，結(jié)構(gòu)上下對稱，靜態(tài)時功放管微導(dǎo)通，交越失真小，管耗小，效率較高。3．功放管的選擇：

為了保證電路中功放管能安全工作，應(yīng)關(guān)注最大集電極電流ICM、最大耐受電壓U（BR）CEO和最大允許功耗PCM等極限參數(shù)。此外還要采取散熱等保護(hù)措施。2．電路的主要性能指標(biāo)：

計算方法與OCL乙類互補(bǔ)對稱功放電路相同。4.1.4OTL電路1、OTL乙類電路圖4-8OTL乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路（1）電路的組成在輸出端接負(fù)載之前串接了大電容，利用大電容的儲能作用充當(dāng)負(fù)電源4.1.4OTL電路1、OTL乙類電路圖4-8OTL乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路（2）電路的工作原理靜態(tài)時（ui=0）：

由于電路互補(bǔ)對稱，兩只功放管的基極和發(fā)射極電位均為VCC/2，兩管因發(fā)射結(jié)零偏而處于截止?fàn)顟B(tài)。4.1.4OTL電路1、OTL乙類電路圖4-8OTL乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路（2）電路的工作原理動態(tài)時（ui≠0）：

因為電容C2的電容量足夠大（滿足RLC>>T(輸入信號周期)），所以C2兩端的電壓幾乎保持不變。

在ui正半周（ui>0），功放管VT1因發(fā)射結(jié)正偏而導(dǎo)通、VT2因發(fā)射結(jié)反偏而截止，因此電流路徑為+Vcc→VT1→RL→地，在負(fù)載RL上形成了自上而下的電流，此時電流回路的電源電壓為VCC-VCC/2=VCC/2；

在ui負(fù)半周（ui<0），VT1因發(fā)射結(jié)反偏而截止、VT2因發(fā)射結(jié)正偏而導(dǎo)通，電流路徑為C2的正極→VT2→地→RL→C2的負(fù)極，在RL上形成了自下而上的電流，此時電流回路的電源電壓為-VCC/2，由電容C2充當(dāng)負(fù)電源給VT2提供能量。4.1.4OTL電路2、OTL甲乙類電路（1）電路的組成圖4-9帶前置放大器的OTL甲乙類互補(bǔ)對稱功放電路4.1.4OTL電路2、OTL甲乙類電路圖4-9帶前置放大器的OTL甲乙類互補(bǔ)對稱功放電路（2）電路的工作原理

在ui負(fù)半周（ui<0），ui經(jīng)VT3反相放大后極性為“+”，故VT1正偏導(dǎo)通、VT2反偏截止，被VT1放大后的電流由該管發(fā)射極經(jīng)C2送給負(fù)載RL，RL上獲得正半周電壓。

在ui正半周（ui>0），ui經(jīng)VT3反相放大后極性為“-”，故VT1反偏截止，VT2正偏導(dǎo)通，被VT2放大后的電流由該管集電極經(jīng)RL流回C2負(fù)極，RL上獲得負(fù)半周電壓。由于VT1與VT2互補(bǔ)對稱，輸出端中點K的電位為VCC/2，電容C2兩端的電壓也為VCC/2。靜態(tài)時（ui=0）：動態(tài)時（ui≠0）：4.1.4OTL電路3、主要性能指標(biāo)的計算【例4-5】OTL功放電路如圖4-9所示，已知VCC=12V、RL=8Ω

、UCE(sat)=2V，試求Pom、PTm1和η。【解題思路】本次課小結(jié)1．OTL互補(bǔ)對稱功率放大電路的特點：

電路采用單電源供電，每只功放管的實際工作電壓為VCC/2，輸出端接負(fù)載前應(yīng)串聯(lián)大電容。2．電路的主要性能指標(biāo)：

計算OTL電路的性能指標(biāo)時，只要將OCL電路計算公式中的參數(shù)VCC改為VCC/2即可。4.2集成功率放大電路4.2.2集成功率放大器的分析與應(yīng)用4.2.1復(fù)合管4.2.1復(fù)合管1、復(fù)合管及組成要求

復(fù)合管是用兩只或多只三極管按一定規(guī)律組合等效而成，又稱達(dá)林頓管。復(fù)合管可以由同類型的三極管組成，也可以由不同類型的三極管組成。

在集成功放內(nèi)部，為了獲得較大的輸出功率，應(yīng)采用較大功率的功率管，但一般大功率管的電流放大系數(shù)β都比較?。ㄍǔ?0~200），這就意味著輸出電流較小，并且選用特性一致的互補(bǔ)管也比較困難，在實際應(yīng)用中用復(fù)合管（DarlingtonConnection）來解決這兩個問題。4.2.1復(fù)合管1、復(fù)合管及組成要求復(fù)合管的組成要求與特點①組成復(fù)合管的各管各極應(yīng)滿足電流一致性原則電流一致性是指復(fù)合管的串接點處電流方向一致、并接點處電流方向相同。圖4-10兩只NPN型晶體管復(fù)合等效電路4.2.1復(fù)合管1、復(fù)合管及組成要求復(fù)合管的組成要求與特點②復(fù)合管的導(dǎo)電類型取決于前一只三極管

前一只三極管是指外電流流經(jīng)復(fù)合管基極所在的那一只三極管，即iB向管內(nèi)流的等效為NPN管，向管外流的等效為PNP管。圖4-10兩只NPN型晶體管復(fù)合等效電路4.2.1復(fù)合管1、復(fù)合管及組成要求復(fù)合管的組成要求與特點③復(fù)合管的電流放大系數(shù)約等于各管電流放大系數(shù)之積圖4-10兩只NPN型晶體管復(fù)合等效電路4.2.1復(fù)合管2、復(fù)合管的組合方式（1）兩只相同類型的三極管組成復(fù)合管圖4-11兩只PNP管復(fù)合等效電路4.2.1復(fù)合管2、復(fù)合管的組合方式（2）兩只不同類型的三極管組成復(fù)合管圖4-12不同類型的晶體管復(fù)合等效電路4.2.1復(fù)合管2、復(fù)合管的組合方式【例4-6】圖4-13中復(fù)合管是否能正常工作，為什么？圖4-13例4-6復(fù)合管【解題思路】

不能，因為VT1的發(fā)射極電流iE1與VT2的基極電流iB2的方向不滿足電流一致性原則。4.2.1復(fù)合管3、復(fù)合管在功放電路中的應(yīng)用圖4-14LM386集成功率放大器的內(nèi)部電路本次課小結(jié)1．復(fù)合管及組成要求：

復(fù)合管又稱達(dá)林頓管。組成復(fù)合管的各管各極應(yīng)滿足電流一致性原則。復(fù)合管的電流放大系數(shù)約等于各管電流放大系數(shù)之積。2．復(fù)合管的組合方式：

由兩只相同類型的管子復(fù)合后組成的復(fù)合管其導(dǎo)電類型不變。由兩只不同類型的晶體管組成的復(fù)合管，導(dǎo)電類型取決于前一只晶體管。4.2.2集成功率放大器的分析與應(yīng)用1、小功率集成功放LM386及其應(yīng)用LM386是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一系列低電壓小功率音頻集成功率放大器，具有工作電壓范圍寬（4~12V或5~18V）、靜態(tài)電流小（6V電源電壓下為4mA）、電壓放大倍數(shù)可調(diào)（20~200倍）、頻帶寬（300kHz）、失真度低、外圍元器件少等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)等由電池供電的電子產(chǎn)品中。圖4-15LM386的外觀和引腳功能4.2.2集成功率放大器的分析與應(yīng)用1、小功率集成功放LM386及其應(yīng)用圖4-16LM386典型應(yīng)用電路LM386有八個引腳，其中⑥腳為電源端，④腳為接地端，②腳為反相輸入端，③腳為同相輸入端，⑤腳為輸出端，①與⑧腳為增益控制端，⑦腳為去耦端。每個輸入端的輸入阻抗均為50kΩ，且輸入端對地的直流電位接近零，即使輸入端對地短路，輸出端直流電位也不會產(chǎn)生大的偏離。4.2.2集成功率放大器的分析與應(yīng)用1、小功率集成功放LM386及其應(yīng)用圖4-16LM386典型應(yīng)用電路

輸入信號ui經(jīng)電位器Rp1從③腳輸入，從⑤腳經(jīng)電容C4耦合輸出，Rp1用于調(diào)節(jié)③腳輸入電壓的大小。C2是去耦電容。R1與C3串聯(lián)支路起相位補(bǔ)償作用，以消除自激振蕩。①腳與⑧腳之間的電容C1與電位器Rp2串聯(lián)支路用于調(diào)節(jié)電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)，省略推導(dǎo)過程可得閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為當(dāng)Rp2開路時Auf=20；當(dāng)Rp2短路時Auf=200。4.2.2集成功率放大器的分析與應(yīng)用2、中功率集成功放TDA2030及其應(yīng)用TDA2030是德國德律風(fēng)根公司生產(chǎn)的音頻功放電路，具有工作電壓范圍寬［±（6~18）V或+（12~36）V］、靜態(tài)電流?。ā?8V電源電壓下位40mA）、電壓增益大（開環(huán)時為90dB）、頻率特性好、輸入阻抗高、輸出電流大、外圍元器件少等優(yōu)點，并具有輸出短路保護(hù)和過載熱保護(hù)，因此廣泛應(yīng)用于汽車立體聲收錄音機(jī)、中功率音響設(shè)備中。圖4-17TDA2030的外觀與引腳排列4.2.2集成功率放大器的分析與應(yīng)用2、中功率集成功放TDA2030及其應(yīng)用圖4-17TDA2030的外觀與引腳排列TDA2030常見的封裝形式為單列5腳形式：①腳為信號輸入端②腳為負(fù)反饋輸入端③腳為負(fù)電源端（單電源供電時接地）④腳為信號輸出端⑤腳為正電源端4.2.2集成功率放大器的分析與應(yīng)用2、中功率集成功放TDA2030及其應(yīng)用TDA2030的典型應(yīng)用電路通常有兩種：雙電源（OCL）電路和單電源（OTL）電路。圖4-18OCL典型應(yīng)用電路4.2.2集成功率放大器的分析與應(yīng)用2