8.1功率放大器的特點(diǎn)和分類(lèi)

1．電路特點(diǎn)功率放大器作為放大電路的輸出級(jí),具有以下幾個(gè)特點(diǎn):(1)由于功率放大器的主要任務(wù)是向負(fù)載提供一定的功率,因而輸出電壓和電流的幅度足夠大;(2)由于輸出信號(hào)幅度較大,使三極管工作在飽和區(qū)與截止區(qū)的邊沿,因此輸出信號(hào)存在一定程度的失真;(3)功率放大器在輸出功率的同時(shí),三極管消耗的能量亦較大,因此,不可忽視管耗問(wèn)題。

2.電路要求

根據(jù)功率放大器在電路中的作用及特點(diǎn),首先要求它輸出功率大、非線(xiàn)性失真小、效率高。其次,由于三極管工作在大信號(hào)狀態(tài),要求它的極限參數(shù)ICM、PCM、U（BR）CEO等應(yīng)滿(mǎn)足電路正常工作并留有一定余量,同時(shí)還要考慮三極管有良好的散熱功能,以降低結(jié)溫,確保三極管安全工作。

3．功率放大器的分類(lèi)根據(jù)放大器中三極管靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置的不同,可分成甲類(lèi)、乙類(lèi)和甲乙類(lèi)三種,如圖8.1所示。圖８.1功率放大器工作狀態(tài)的分類(lèi)（a）甲類(lèi);（b）乙類(lèi);（c）甲乙類(lèi)甲類(lèi)放大器的工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)的中間,這種電路的優(yōu)點(diǎn)是在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)三極管都處于導(dǎo)通狀態(tài),輸出信號(hào)失真較?。ㄇ懊嬗懻摰碾妷悍糯笃鞫脊ぷ髟谶@種狀態(tài)）,缺點(diǎn)是三極管有較大的靜態(tài)電流ICQ,這時(shí)管耗PC大,電路能量轉(zhuǎn)換效率低。乙類(lèi)放大器的工作點(diǎn)設(shè)置在截止區(qū),這時(shí),由于三極管的靜態(tài)電流ICQ=0,所以能量轉(zhuǎn)換效率高,它的缺點(diǎn)是只能對(duì)半個(gè)周期的輸入信號(hào)進(jìn)行放大,非線(xiàn)性失真大。甲乙類(lèi)放大電路的工作點(diǎn)設(shè)在放大區(qū)但接近截止區(qū),即三極管處于微導(dǎo)通狀態(tài),這樣可以有效克服乙類(lèi)放大電路的失真問(wèn)題,且能量轉(zhuǎn)換效率也較高,目前使用較廣泛。8.2乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率大電路

（OCL電路）

1.電路組成及工作原理圖8.2是雙電源乙類(lèi)互補(bǔ)功率放大電路。這類(lèi)電路又稱(chēng)無(wú)輸出電容的功率放大電路,簡(jiǎn)稱(chēng)OCL電路。V1為NPN型管,V2為PNP型管,兩管參數(shù)對(duì)稱(chēng)。電路工作原理如下所述。圖８.2雙電源乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器

1）靜態(tài)分析當(dāng)輸入信號(hào)ui=0時(shí),兩三極管都工作在截止區(qū),此時(shí)IBQ、ICQ、IEQ均為零,負(fù)載上無(wú)電流通過(guò),輸出電壓uo=0。

2）動(dòng)態(tài)分析（1）當(dāng)輸入信號(hào)為正半周時(shí),ui>0,三極管V1導(dǎo)通,V2截止,V1管的射極電流ie1經(jīng)＋ＵCC自上而下流過(guò)負(fù)載,在RL上形成正半周輸出電壓,uo>0。（2）當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)半周時(shí),ui<0,三極管V2導(dǎo)通,V1截止,V2管的射極電流ie2經(jīng)－ＵCC自下而上流過(guò)負(fù)載,在RL上形成負(fù)半周輸出電壓,uo<0。

2.功率和效率的估算

1）輸出功率Po

（8.1）（8.2）若忽略UCES,則

2）直流電流提供的功率PDC

（8.3）（8.4）3）效率（8.5）4）管耗PC

可求得當(dāng)Uom=0.63UCC

時(shí),三極管消耗的功率最大,其值為

（8.6）（8.7）每個(gè)管子的最大功耗為

3.交越失真及其消除

1)電路演示演示電路如圖8.3（a）所示,在放大器的輸入端加入一個(gè)1000Hz正弦信號(hào),用示波器觀察輸出端的信號(hào)波形,發(fā)現(xiàn)輸出波形在正、負(fù)半周的交界處發(fā)生了失真,觀察到的輸出波形如圖8.3(b)所示。

圖8.3交越失真波形（a）演示電路;（b）輸出波形產(chǎn)生這種失真的原因是:在乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路中,沒(méi)有施加偏置電壓,靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在零點(diǎn),UBEQ=0,IBQ=0,ICQ=0,三極管工作在截止區(qū)。由于三極管存在死區(qū)電壓,當(dāng)輸入信號(hào)小于死區(qū)電壓時(shí),三極管V1、V2仍不導(dǎo)通,輸出電壓uo為零,這樣在輸入信號(hào)正、負(fù)半周的交界處,無(wú)輸出信號(hào),使輸出波形失真,這種失真叫交越失真。為了解決交越失真,可給三極管加適當(dāng)?shù)幕鶚O偏置電壓,使之工作在甲乙類(lèi)工作狀態(tài),如圖8.4所示。

圖８.4甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路

8.3單電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路

（OTL電路）

雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路由于靜態(tài)時(shí)輸出端電位為零,負(fù)載可以直接連接,不需要耦合電容,因而它具有低頻響應(yīng)好、輸出功率大、便于集成等優(yōu)點(diǎn),但需要雙電源供電,使用起來(lái)有時(shí)會(huì)感到不便,如果采用單電源供電,只需在兩管發(fā)射極與負(fù)載之間接入一個(gè)大容量電容C2即可。這種電路通常又稱(chēng)無(wú)輸出變壓器的電路,簡(jiǎn)稱(chēng)OTL電路,如圖8.5所示。圖中R1、

R2為偏置電阻。適當(dāng)選擇R1、R2阻值,可使兩管靜態(tài)時(shí)發(fā)射極電壓為UCC/2,電容C兩端電壓也穩(wěn)定在UCC/2,這樣兩管的集、射極之間如同分別加上了UCC/2和-UCC/2的電源電壓。在輸入信號(hào)正半周,V3導(dǎo)通,V4截止,V3以射極輸出器形式將正向信號(hào)傳送給負(fù)載,同時(shí)對(duì)電容C2充電;在輸入信號(hào)負(fù)半周時(shí),V3截止,V4導(dǎo)通,電容C2放電,充當(dāng)V4管直流工作電源,使V4也以射極輸出器形式將負(fù)向信號(hào)傳送給負(fù)載。這樣,負(fù)載RL上得到一個(gè)完整的信號(hào)波形。

電容C2的容量應(yīng)選得足夠大,使電容C2的充放電時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于信號(hào)周期,由于該電路中的每個(gè)三極管的工作電源已變?yōu)閁CC,已不是OCL電路的UCC了,請(qǐng)同學(xué)們自行推出該電路的最大輸出功率的表達(dá)式。與OCL電路相比,OTL電路少用了一個(gè)電源,但由于輸出端的耦合電容容量大,則電容器內(nèi)鋁箔卷繞圈數(shù)多,呈現(xiàn)的電感效應(yīng)大,它對(duì)不同頻率的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生不同的相移,輸出信號(hào)有附加失真,這是OTL電路的缺點(diǎn)。8.4復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路

8.4.1復(fù)合管

復(fù)合管是由兩個(gè)或兩個(gè)以上三極管按一定的方式連接而成的。復(fù)合管又稱(chēng)為達(dá)林頓管。圖8.6是四種常見(jiàn)的復(fù)合管,其中圖（a）、（b）是由兩只同類(lèi)型三極管構(gòu)成的復(fù)合管,圖（c）、（d）是由不同類(lèi)型三極管構(gòu)成的復(fù)合管。組成復(fù)合管時(shí)要注意兩點(diǎn):①串接點(diǎn)的電流必須連續(xù);②并接點(diǎn)電流的方向必須保持一致。

圖8.6復(fù)合管(a)NPN型(一);(b)PNP型(一);(c)NPN型(二);(d)PNP型(二)復(fù)合管的電流放大系數(shù),近似為組成該復(fù)合管各三極管β的乘積,其值很大。由圖8.6(a)可得復(fù)合管雖有電流放大倍數(shù)高的優(yōu)點(diǎn),但它的穿透電流較大,且高頻特性變差。為了減小穿透電流的影響,常在兩只晶體管之間并接一個(gè)泄放電阻R,如圖8.7所示,

R的接入可將V1管的穿透電流分流,R越小,分流作用越大,總的穿透電流越小。當(dāng)然,R的接入同樣會(huì)使復(fù)合管的電流放大倍數(shù)下降。

圖8.7接有泄放電阻的復(fù)合管

8.4.2電路舉例

1.OTL互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路

圖8.8為一典型OTL功率放大電路。該電路工作原理簡(jiǎn)述如下:

靜態(tài)時(shí),由R4、R5、V1、V2、

V3提供的偏置電壓使V4~V7微導(dǎo)通,且ie6=ie7,中點(diǎn)電位為UCC/2,uo=0V。當(dāng)輸入信號(hào)ui為負(fù)半周時(shí),經(jīng)集成運(yùn)放對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大,使互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)管基極電位升高,推動(dòng)V4、V6管導(dǎo)通,V5、V7管趨于截止,ie6自上而下流經(jīng)負(fù)載,輸出電壓uo為正半周。

圖8.8集成運(yùn)放驅(qū)動(dòng)的OTL功率放大器

當(dāng)輸入信號(hào)ui

為正半周時(shí),由運(yùn)放對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大,使互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)管基極電位降低,V4、V6管趨于截止,V5、V7管依靠C2上的存儲(chǔ)電壓（UCC/2）進(jìn)一步導(dǎo)通,ie7自下而上流經(jīng)負(fù)載,輸出電壓uo為負(fù)半周。這樣,就在負(fù)載上得到了一個(gè)完整的正弦電壓波形。圖8.9集成運(yùn)放驅(qū)動(dòng)的OCL功率放大器

8.5集成功率放大器介紹

集成功率放大器具有輸出功率大、外圍連接元件少、使用方便等優(yōu)點(diǎn),目前使用越來(lái)越廣泛。它的品種很多,本節(jié)主要以TDA2030A音頻功率放大器為例加以介紹,希望讀者在使用時(shí)能舉一反三,靈活應(yīng)用其它功率放大器件。

1．TDA2030A音頻集成功率放大器簡(jiǎn)介

TDA2030A是目前使用較為廣泛的一種集成功率放大器,與其它功放相比,它的引腳和外部元件都較少。

TDA2030A的電器性能穩(wěn)定,并在內(nèi)部集成了過(guò)載和熱切斷保護(hù)電路,能適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作,由于其金屬外殼與負(fù)電源引腳相連,因而在單電源使用時(shí),金屬外殼可直接固定在散熱片上并與地線(xiàn)（金屬機(jī)箱）相接,無(wú)需絕緣,使用很方便。

TDA2030A的內(nèi)部電路如圖8.10所示(其中VD為二極管)。

TDA2030A使用于收錄機(jī)和有源音箱中,作音頻功率放大器,也可作其它電子設(shè)備中的功率放大。因其內(nèi)部采用的是直接耦合,亦可以作直流放大。主要性能參數(shù)如下:圖8.11TDA2030引腳排列及功能圖8.10TDA2030A集成功放的內(nèi)部電路電源電壓UCC±3~±18V輸出峰值電流3.5A輸入電阻>0.5MΩ靜態(tài)電流<60mA（測(cè)試條件:UCC=±18V）電壓增益30dB頻響B(tài)W0~140kHz在電源為±15V、RL=4Ω時(shí),輸出功率為14W。外引腳的排列如圖8.11所示。

2．TDA2030A集成功放的典型應(yīng)用

1）雙電源（OCL）