1、第 7 章低頻功率放大器,本章學習目標,7.1低頻功率放大器概述,7.2單管功率放大器,7.3推挽功率放大器,7.4無輸出變壓器的推挽功率放大器(OTL),7.5無輸出電容功率放大器(OCL),7.6集成電路功率放大器簡介,本章小結(jié),本章學習目標,理解低頻功率放大器的作用，了解其性能要求和分類。,2理解單管功率放大器的電路組成及工作原理，掌握輸出功率和效率。,3理解乙類推挽功率放大器的電路中主要元件的作用及電路的工作原理，掌握輸出功率及效率的計算，理解交變失真的概念、產(chǎn)生的原因及改進方式。,4掌握 OTL 功放電路組成形式、工作原理。,5掌握 OCL 功放電路組成形式及要求。,6了解幾種集成功

2、放電路的型號，理解由其構(gòu)成的功率放大器的電路形式。,7.1低頻功率放大器概述,7.1.1低頻功率放大器及其要求,7.1.2低頻功率放大器的分類,7.1.1低頻功率放大器及其要求,對功放的要求：信號失真小；有足夠的輸出功率；效率高；散熱性能好。,低頻功率放大器：向負載提供足夠大低頻信號功率的放大電路。,7.1.2低頻功率放大器的分類,動畫功放電路的類型與效率,乙類功放：Q 點在交流負載線和 IB = 0 輸出特性曲線交點。,甲乙類功放：Q 點在交流負載線上略高于乙類工作點處。,甲類功放：Q 點在交流負載線的中點。,一、以晶體管的靜態(tài)工作點位置分類,電路特點：輸出波形失真大，靜態(tài)電流較小，效率較高

3、。,電路特點：輸出波形無失真，但靜態(tài)電流大，效率低。,電路特點：輸出波形失真大，但靜態(tài)電流幾乎為零，效率高。,二、以功率放大器輸出端特點分類,1有輸出變壓器功放電路。,2無輸出變壓器功放電路(OTL 功放電路)。,3無輸出電容功放電路(OCL 功放電路)。,4橋接無輸出變壓器功放電路(BTL 功放電路)。,7.2單管功率放大器,7.2.1電路組成及工作原理,7.2.2輸出功率及效率,7.2.1電路組成及工作原理,一、電路組成,V 為功率放大管，Rb1、Rb2 和 Re 為分壓式電流負反饋偏置電路，Ce 為射極旁路電容，RL 為負載電阻，T1 和 T2 為輸入、輸出變壓器，統(tǒng)稱為耦合變壓器。,耦

4、合變壓器的作用，一是隔斷直流耦合交流信號，二是阻抗變換，使功率管獲得最佳負載電阻 RL，以便向負載 RL 提供最大功率。,最佳負載電阻為,式中，是變壓器的匝數(shù)比，稱為變比。,合理選擇 n，可得管子最佳負載電阻 RL。,例 7.2.1圖中，負載 RL = 8 ，晶體管集電極輸出功率 Po=140 mW，集電極電流 Ic = 31 mA。求：(1)輸出變壓器 T2 的初級等效電阻 RL=？(2)要使負載 RL 獲得理想的最大功率，T2 的變比 n =？,解(1)因為,所以,(2)因為,所以,二、電路工作原理,當 vi = 0，電路處于靜態(tài)，iC = ICQ。因 T2 隔直作用，RL中無電流，放大器

5、無信號輸出。,當 vi 0，則 vi vbe ib ic。經(jīng) T2 耦合，RL 有電流 iL，放大器有信號功率輸出。,7.2.2輸出功率及效率,一、輸出功率,圖解分析：,1作直流負載線： 過 VG 點作直流負載線，與 IBQ 之交點，得靜態(tài)工作點 Q。,2作交流負載線： 過 Q 點，作交流負載線 AB。,3 畫 vCE、iC 波形： 得正弦信號的最大值分別為 Icm和 Vcem，則功放管集電極輸出功率為,可見，輸出信號越強，輸出功率 Po 越大。,為不產(chǎn)生飽和失真和截止失真，忽略 VCE S和 ICEO 時，則功放管不失真條件為,Icm ICQ Vcem VG,在輸出信號最大且不失真時，有于是

6、功放管不失真最大輸出功率為,二、效率,1電源供給功率為,PG = ICQ VG,可見，電源供給功率與信號無關(guān)。,2功放管最大效率為,即 = 90%,可見，最大不失真輸出功率僅為電源供給功率的一半，效率很低。,若考慮 VCES 和 ICEO，則功率管的效率 僅為 40% 45%，如果再考慮變壓器的效率 T(0.75 0.85)，則甲類功放總效率為, = T,通常只有 30% 35%。,結(jié)論，甲類功放電路優(yōu)點是輸出波形失真?。蝗秉c是無信號時，電源供給功率全部轉(zhuǎn)換成熱能，因此效率低。,工程應用,功率放大器有一部分電能消耗在功放管上，產(chǎn)生損耗使功放管發(fā)熱，熱的積累將使晶體管性能惡化，甚至燒壞，為保證功

7、放管安全可靠地工作，通常功放管集電極有金屬散熱外殼，另外通常需要給功放管安裝散熱片和采取過載保護措施。,功放管檢測與普通三極管類似，但功放管工作電流比較大，因而其 PN 結(jié)的面積也較大。PN 結(jié)較大，其反相飽和電流也必然增大。所以，若像測量中小功率三極管極間電阻那樣，使用萬用表的 R 1 k 擋測量，必然測得的電阻值很小，好像極間短路一樣，所以通常使用 R 10 k 或 R 1 k 擋檢測功放管 。,7.3推挽功率放大器,7.3.1乙類推挽功率放大器,7.3.2甲乙類推挽功率放大器,7.3.1乙類推挽功率放大器,一、電路及其工作原理,V1、V2 為功率放大管，組成對管結(jié)構(gòu)。在信號一個周期內(nèi)，輪

8、流導電，工作在互補狀態(tài)。T1為輸入變壓器，作用是對輸入信號進行倒相，產(chǎn)生兩個大小相等、極性相反的信號電壓，分別激勵 V1 和 V2。T2 為輸出變壓器，作用是將 V1、V2 輸出信號合成完整的正弦波。,工作原理：輸入信號 vi 經(jīng) T1 耦合，二次側(cè)得兩個大小相等、極性相反的信號。,由輸出電流 io 波形可見，正、負半周交接處出現(xiàn)了失真，這是由于兩管交接導通過程中，基極信號幅值小于門檻電壓時管子截止造成的。故稱為交越失真。,在信號正半周，V1 導通(V2 截止)，集電極電流 iC1 經(jīng) T2 耦合，負載上得到電流io正半周；,在信號負半周，V2 導通(V1 截止)，集電極電流 iC2 經(jīng)T2

9、耦合，負載上得到電流 io 負半周。,經(jīng) T2 合成，負載上得一個放大后的完整波形io。,動畫交越失真,二、輸出功率和效率,由于兩管特性相同，工作在互補狀態(tài)，因此圖解分析時，常將兩管輸出特性曲線相互倒置。,1作直流負載線，求靜態(tài)工作點。,靜態(tài)時，管子截止 IBQ= 0，當ICEO 很小時，ICQ 0。過點 VG 作 vCE軸垂線，得直流負載線。它與 IBQ = 0 特性曲線的交點 Q，即為靜態(tài)工作點。,2作交流負載線，畫交流電壓和電流幅值。,過點 Q 作斜率為 -1/RL的直線 AB，即交流負載線。其中RL為單管等效交流負載電阻。在不失真情況下，功率管 V1、V2 最大交流電流 iC1、iC

10、和交流電壓 vCE1、vCE2 波形如圖所示。,3電路最大輸出功率,若忽略管子 VCES，交流電壓和交流電流幅值分別為,則最大輸出功率,即,式中在輸出變壓器的一次線圈匝數(shù)為 N1，二次線圈匝數(shù)為 N2時，則,式中 n = N1/N2。,4效率,理想最大效率為 m= 78%。若考慮輸出變壓器的效率 T，則乙類推挽功放的總效率為, = m T,總效率約為 60%，比單管甲類功放的效率高。,電路優(yōu)點：總效率高。電路缺點：存在交越失真，頻率特性不好。,7.3.2甲乙類推挽功率放大器,Rb1、Rb2、Re 組成分壓式電流負反饋偏置電路。靜態(tài)時，V1、V2 處于微導通狀態(tài)，從而避免了交越失真。由于靜態(tài)工作

11、點處于甲、乙類之間，所以稱為甲乙類推挽功率放大器。,7.4無輸出變壓器的推挽功率放大器(OTL),7.4.1輸入變壓器倒相式推挽 OTL 功放電路,7.4.2互補對稱式推挽 OTL 功放電路,7.4.1輸入變壓器倒相式推挽 OTL 功放電路,一、電路結(jié)構(gòu),V1、V2 為參數(shù)一致的 NPN 型功率管。R1、R2 和 Re1 為 V1 的偏置電阻；R3、R4 和 Re2 為 V2 的偏置電阻，保證管子靜態(tài)時處于微導通狀態(tài)，以克服交越失真。,Re1 和 Re2 為電流負反饋電阻，穩(wěn)定靜態(tài)工作點，并減小非線性失真。,輸入變壓器用作信號倒相耦合，在次級 N1、N2 上產(chǎn)生大小相等、相位相反的信號 vb1

12、 和 vb2。,CL 為耦合電容，作用是隔直通交，并兼作 V2 管的電源。,二、工作原理,vi 正半周，vb1 0，V1 導通(V2 截止)，iC1 流過負載RL；vi 負半周，vb2 0，V2 導通(V1 截止)，iC2 流過負載 RL。在輸入信號 vi 一個周期內(nèi)，兩管輪流工作，RL 上得到完整的放大信號。,靜態(tài)時，A 點電位為 VG / 2。由于 CL 隔直流，則 RL 上無電流。,交流通路：,7.4.2互補對稱式推挽 OTL 功放電路,一、電路結(jié)構(gòu),V2、V3 為特性對稱的異型功放管；V1 為激勵放大管，推動 V2、V3功放管。,RP1 作用是調(diào)節(jié)A點電位保持 VG/2。RP2 作用是

13、調(diào)節(jié) V2、V3 管偏置電流，克服交越失真。,C4 為自舉電容。使 V2、V3 工作時為共射組態(tài)，提高功率增益。,R4 為隔離電阻：對交流而言，把 B 點電位和“地”點電位分開。,二、信號的放大過程,輸入信號 vi 負半周時，V1 輸出正半周信號，V2 導通(V3 截止)，i2 通過 RL；vi 正半周時，V1 輸出負半周信號，V3 導通(V2 截止)，i3 流過 RL。在 vi 一周期內(nèi)，V2、V3 輪流導電，RL 上得到完整的信號。,三、最大輸出功率,因 C3 的作用，單管電源電壓為 VG/2。則輸出最大功率時，輸出管的集電極電壓和集電極電流峰值分別為,；,忽略飽和壓降和穿透電流，則最大輸

14、出功率為,即(7.4.1),例 7.4.1互補對稱 OTL 功放電路中，VG = 6 V，RL = 8 ，求該電路的最大輸出功率。,解,7.5無輸出電容功率放大器(OCL),7.5.1OCL 功放電路簡析,7.5.2OCL 實例電路,“OCL”功放電路：無輸出耦合電容的功率放大器。,7.5.1OCL 功放電路簡析,一、中點靜態(tài)電位必須為零(VA = 0),為防止因輸出端 A 與負載 RL 直接耦合，造成直流電流對揚聲器性能的影響，則 A 點靜態(tài)電位必為零。采用的辦法是：,雙電源供電：電壓大小相等，極性相反的正負電源。,采用差分放大電路。,二、最大輸出功率,輸出最大功率時，集電極電壓和電流的峰值

15、分別為,則最大輸出功率為,即,OCL輸出級示意圖,7.5.2OCL 實例電路,一、電路組成說明,OCL 功放電路實例,1用復合管提高功率輸出級的電流放大倍數(shù),V4、V6 組成 NPN 型復合管，V5、V7 組成 PNP 型復合管。二者組成復合互補功率輸出級。從而提高了輸出級的電流放大倍數(shù)，同時也減小了前級的推動電流。,2用差分放大輸入級抑制零漂,V1、V2 組成差分輸入級，控制輸出級A點電位不受溫度等因素的影響而保證靜態(tài)零輸出。同時提高電路對共模信號的抑制能力。,OCL 功放電路實例,3其他元件的作用,V3 為激勵級，推動功率輸出級，使其輸出最大功率。C5 為高頻負反饋電容，防止 V3 高頻自

16、激。,R7、V8、V9 組成 V4、V6 和 V5、V7 復合管基極偏置電路，靜態(tài)時，使其工作在微導通狀態(tài)，防止產(chǎn)生交越失真。,OCL 功放電路實例,R5、C3、R6 組成電壓串聯(lián)負反饋電路，穩(wěn)定電壓增益，并減小非線性失真。,R16、C6 組成避免感性負載引起高頻自激的中和電路。R4、C2 是差放電源濾波電路。,C4 為自舉電容，提高輸出級的增益，并使輸出電壓正負半周對稱，提高不失真輸出功率。,OCL 功放電路實例,二、信號放大過程,vi 正半周時，經(jīng) V1、V3 兩次放大和反相，vC3 為正半周，則 V4、V6 導通，i1 經(jīng) R14、RL、地、+VG 返回 V4、V6 形成回路，RL 有信

17、號輸出。,vi 負半周時，vC3 為負半周，則 V5、V7 導通，i2 經(jīng) R15、 -VG、地、RL、 R12 返回 V5、V7 形成回路，RL 有信號輸出。這樣經(jīng)輪番推挽，RL 上得功率放大后的完整信號。,OCL 功放電路實例,7.6集成電路功率放大器簡介,7.6.1LM386 集成功率放大器的應用電路,7.6.2TDA2030 集成功率放大器的應用電路,集成電路功率放大器簡介,集成功率放大器具有體積小、工作穩(wěn)定、易于安裝和調(diào)試的優(yōu)點，了解其外特性和外線路的連接方法，就能組成實用電路。因此，得到廣泛的應用。,7.6.1LM386 集成功率放大器的應用電路,LM386 是小功率音頻集成功放。

18、采用 8 腳雙列直插式塑料封裝。,4 腳為接“地”端；6 腳為電源端；2 腳為反相輸入端；3 腳為同相輸入端；5 腳為輸出端；7 腳為去耦端；1、8 腳為增益調(diào)節(jié)端。,外特性：額定工作電壓為 4 16 V，當電源電壓為 6 V 時，靜態(tài)工作電流為 4 mA，適合用電池供電。頻響范圍可達數(shù)百千赫。最大允許功耗為 660 mW(25C)，不需散熱片。,工作電壓為 4 V，負載電阻為 4 時，輸出功率(失真為 10%)為 300 mW。工作電壓為 6 V，負載電阻為 4、8、16 時，輸出功率分別為 340 mW、325 mW 、180 mW。,一、用 LM386 組成 OTL 應用電路,4 腳接“

19、地” ，6 腳接電源(6 9 V)。2 腳接地，信號從同相輸入端 3 腳輸入，5 腳通過 220 F 電容向揚聲器 RL 提供信號功率。7 腳接 20 F 去耦電容。1、8 腳之間接 10 F 電容和 20 k 電位器，用來調(diào)節(jié)增益。,二、用 LM386 組成 BTL 電路,兩集成功放 LM386 的 4 腳接“地”，6 腳接電源，3 腳與2 腳互為短接，其中輸入信號從一組(3 腳和 2 腳)輸入，5 腳輸出分別接揚聲器 RL，驅(qū)動揚聲器發(fā)出聲音。,BTL 電路的輸出功率一般為 OTL、OCL 的四倍，是目前大功率音響電路中較為流行的音頻放大器。,圖中電路最大輸出功率可達 3 W 以上。其中，500 k 電位器用來調(diào)整兩集成功放輸出直流電位的平衡。,7.6.2TDA2030 集成功率放大器的應用電路,TDA2030 簡介,外特性：電源電壓范圍為 6 V 18 V，靜態(tài)電流小于 60 A，頻響為 10 Hz 140 kHz，諧波失真小于 0.5%，在 VCC = 14 V，RL = 4 時，輸出功率為 14 W。,1 腳為同相輸入端，2 腳為反相輸入端，4 腳為輸出端，3 腳接負電源，5 腳接正電源。