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电子技术专科教材006
第5章功率放大器
前面讨论的各种放大电路的主要任务是放大电压信号,而功率放大电路的主要任务则是尽可能高效率地向负载提供足够大的功率。
功率放大电路也常被称作功率放大器,简称功放。
5.1功率放大电路的基本要求及分类
5.1.1功率放大器的基本要求
1.功率要大为了获得大的功率输出,要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度,因此管子往往在接近极限运用状态下工作。
2.效率要高所谓效率就是负载得到的有用信号功率PO和电源供给的直流功率PDC的比值。
它代表了电路将电源直流能量转换为输出交流能量的能力。
=PO/PDC
3.失真要小功率放大电路是在大信号下工作,所以不可避免地会产生非线性失真,这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。
在不同场合下,对非线性失真的要求不同,例如,在测量系统和电声设备中,这个问题显得重要,而在工业控制系统等场合中,则以输出功率为主要目的,对非线性失真的要求就降为次要问题了。
4.功放管散热要好在功率放大电路中,有相当大的功率消耗在管子的集电结上,使结温和管壳温度升高。
为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率,放大器件的散热就成为一个重要问题。
5.1.2功率放大电路的分类
根据功率放大电路中三极管在输入正弦信号的一个周期内的导通情况,可将放大电路分为下列三种工作状态,见表5-1。
表5-1三种功率放大电路比较
分类
Q点位置
波形图
特点
效率
甲类
在负载线中点附近
Q点在交流负载线中点附近
功放管在输入信号整个周期内都处于放大状态,输出信号无失真
≤50%
乙类
Q点在截止区
功放管仅在输入信号半个周期内导通。
输出信号失真大。
≤78%
甲乙类
Q点接近截止区
功放管的导通时间略大于半个周期。
输出信号失真较小。
介于甲类和乙之间
此外,功率放大电路还可按信号频率分为低频功放、高频功放等。
本章只讨论低频功放。
5.2变压器耦合功率放大器
5.2.1变压器耦合单管功率放大器
电路如图5-1所示。
与前面所讨论过的阻容耦合放大器相比,区别只在于将原来的RC换成了一只变压器。
图5-1变压器耦合单管功率放大器
变压器可以耦合交流信号,同时还具有阻抗变换作用。
扬声器的阻抗一般都较小,利用变压器的阻抗变换作用,可以使负载得到较大的功率。
设变压器初次级的匝数比
,则耦合到变压器原边的交流负载
可按下式估算:
对于理想变压器有
若变压器的效率为
,则有
这种电路工作于甲类工作状态,静态电流比较大,静态电流比较大,因此集电极损耗较大,效率不高,大约只有35%。
一般用在功率不太大的场合。
5.2.2变压器耦合乙类推挽功率放大器
电路如图5-2所示。
设功放管V1和V2特性完全相同。
输入变压器Tr1将输入信号变换成两个大小相等、相位相反的信号,使V1、V2两管轮流导通,输出变压器Tr2完成电流波形的合成。
在正弦信号激励下,ib1、ib2、ic1、ic2均为半个正弦波,iL为完整正弦波。
这种电路结构对称,两只功放管轮流导通工作、互相补偿,故称为互补对称电路(或互补推挽电路)。
图5-2变压器耦合乙类推挽功率放大器
变压器耦合乙类推挽功率放大器的缺点是:
变压器体积大,笨重,损耗大,频率特性差,且不便于集成化。
5.3互补对称功率放大器
5.3.1单电源互补对称功率放大器(OTL)
单电源互补功率放大电路如图5-3a所示。
当电路对称时,输出端的静态电位等于VCC/2。
电容器CL串联在负载与输出端之间,它不仅用于耦合交流信号,而且起着等效电源的作用。
这种功率放大电路称为无输出变压器互补功率放大电路(OutputTransformerLess),简称OTL电路。
a)电路图b)波形图 c)交越失真
图5-3单电源互补功率放大电路
当输入信号处于正半周时,NPN型三极管V1导通,有电流通过负载RL,方向如图所示。
当输入信号处于负半周时,PNP型三极管V2导通,这时由电容CL供电,IL方向与图中箭头方向相反。
两个三极管轮流导通,在负载上将正负半周电流合成在一起,就可以得到一个完整的波形,如图5-3b所示。
严格讲,当输入信号很小,达不到三极管的开启电压时,三极管不导通。
因此在正、负半周交替过零处会出现一些非线性失真,这个失真称为交越失真,如图5-3c所示。
为消除交越失真,可给功放三极管稍稍加一点偏置,使之工作在甲乙类。
此时的互补功率放大电路如图5-4所示,在功放管V2、V3基极之间加两个正向串联二极管V4、V5,便可以得到适当的正向偏压,从而使V2、V3在静态时能处于微导通状态。
图5-4消除交越失真的单电源互补功率放大电路
5.3.2双电源互补对称功率放大器
双电源互补对称电路又称无输出电容(OutputCapacitorless)的功放电路,简称OCL电路,其原理电路如图5-5a所示。
V1为NPN型三极管,V2为PNP型三极管。
两管的基极连在一起,作为信号输入端;发射极也连在一起,作为信号的输出端,直接与负载RL相连。
要求V1和V2管的特性参数基本相同。
两管接成射极输出器电路的形式是为了增强带负载能力。
a)b)
图5-5OCL基本原理电路
a)基本原理电路b)输入信号波形c)输出信号波形
1.静态分析
静态(ui=0)时,两管静态电流为零,由于两管特性对称,所以输出端的静态电压也为零。
2.动态工作情况
当输入信号ui为正半周时,V1发射结正偏而导通,V2发射结反偏而截止,各极电流如图5-5a中实线所示。
当输入信号ui为负半周时,V1发射结反偏截止,V2发射结正偏而导通,各极电流如图中虚线所示。
V1、V2两管分别在正、负半周轮流工作,负载RL获完整的正弦波信号电压,如图5-5c所示。
3.消除交越失真的方法
该电路同样存在交越失真,为了消除交越失真,可提供适当的直流偏压使其工作在甲乙类状态,如图5-6所示。
图5-6甲乙类互补功率放大电路
a)采用二极管提供偏压b)采用二极管和三极管恒流源提供偏压
4.功放管的选择
(1)功放管集电极的最大允许功耗PCM≥0.2POM;
(2)功放管的最大耐压U(BR)CEO≥2VCC;
(3)功放管的最大集电极电流
≥
。
在实际选择时,其极限参数还应留有一定余量,一般提高(50100)%。
5.3.3功放管的散热和安全使用
在功放电路中,由于功放管集电极电流和电压的变化幅度大,输出功率大,同时功放管本身的耗散功率也大。
因此,应采取保护措施以保证功放管的安全运行。
主要是应注意二次击穿和散热两方面问题。
1.功放管的二次击穿
功放管的二次击穿是指当三极管集电结上的反偏电压过大时,三极管将被击穿。
类似二极管的反向击穿,也分为“一次击穿”和“二次击穿”。
一次击穿是可逆的,二次击穿将使功放管的性能变差或损坏,如图5-7a所示。
功放管考虑到二次击穿后的安全工作区如图5-7b所示。
防止晶体管二次击穿的措施主要有:
使用功率容量大的晶体管,改善管子散热的情况,以确保其工作在安全区之内;使用时应避免电源剧烈波动、输入信号突然大幅度增加、负载开路或短路等,以免出现过压过流;在负载两端并联二极管(或二极管和电容),以防止负载的感性引起功放管过压或过流,在功放管的c、e端并联稳压管以吸收瞬时过电压。
a)二次击穿现象b)考虑二次击穿后的安全工作区
图5-7二次击穿及安全工作区
2.功放管的散热
功放管损坏的重要原因是其实际功率超过额定功耗PCM。
三极管的耗散功率取决于内部的PN结(主要是集电结)温度Tj,当Tj超过手册中规定的最高允许结温TjM时,集电极电流将急剧增大而使管子损坏,这种现象称为“热致击穿”或“热崩”。
硅管的允许结温值为120~180℃,锗管允许结温为85℃左右。
散热条件越好,对于相同结温下所允许的管耗就越大,使功放电路有较大功率输出而不损坏管子。
如大功率管3AD50,手册中规定TjM=90℃,不加散热器时,极限功耗PCM=1W,如果采用手册中规定尺寸为120×120×4
的散热板进行散热,极限功耗可提高到PCM=10W。
为了在相同散热面积下减小散热器所占空间,可采用如图5-8所示的几种常用散热器,分别为齿轮形、指状形和翼形,所加散热器面积大小的要求,可参考大功率管产品手册上规定尺寸。
除上述散热器商品外,还可用铝板自制平板散热器。
a)齿轮形b)指状形c)翼形
图5-8散热器的几种形状
当功率放大电路在工作时,如果功放管的散热器(或无散热器时的管壳)上的温度较高,手感发烫,易引起功率管的损坏,这时应立即分析检查。
如果原属于正常使用功放电路,功率管突然发热,应检查和排除电路中的故障;如果属于新设计功放电路,在调试时功率管有发烫现象,这时除了需要调整电路参数或排除故障外,还应检查设计是否合理,管子选型和散热条件是否存在问题。
5.4集成功率放大器
集成功率放大器简称集成功放,它是在集成运放基础上发展起来的,其内部电路与集成运放相似。
但是,由于其安全、高效、大功率和低失真的要求,使得它与集成运放又有很大的不同。
集成功放电路内部多施加深度负反馈,使其工作稳定。
集成功放广泛应用于收录机、电视机、开关功率电路、伺服放大电路中,输出功率由几百毫瓦到几十瓦。
除单片集成功放电路外,还有集成功率驱动器,它与外配的大功率管及少量阻容元件构成大功率放大电路,有的集成电路本身包含两个功率放大器,称为双通道功放。
5.4.1集成功率放大器的主要性能指标
集成功率放大器的主要性能指标除最大输出功率外,还有电源电压范围、电源静态电流、电压增益、频带宽度、输入阻抗、总谐波失真等,见表5-2。
表5-2几种集成功放的主要技术参数表
型号
LM386-4
LM2877
TDA1514A
TDA1566
电路类型
OTL
OTL(双通道)
OCL
BTL(双通道)
电源电压范围(V)
5~18
6~24
±10~±30
6~18
静态电流(mA)
4
25
56
80
输入阻抗(KΩ)
50
1000
120
输出功率(W)
1(Vcc=16V,RL=32Ω)
4.5
48(Vcc=±23V,RL=4Ω)
22(Vcc=14.4V,RL=4Ω)
电压增益(dB)
26~46
70(开环)
89(开环)
30(闭环)
26(闭环)
频带宽度(KHz)
300(1,8引脚开路)
0.02~25
0.02~15
谐波失真(%dB)
0.2%
0.07%
-90dB
0.1%
表5-3中所示电压增益均在信号频率为1KHz条件下测试所得。
表中所示均为典型数据,使用时应进一步查阅手册,以便获得更确切的数据。
5.4.2用LM386组成的OTL电路
1.LM386的外形、引脚排列及主要技术指标
LM386是一种低电压通用型音频集成功率放大器,广泛应用于收音机、对讲机和信号发生器中;LM386的外形与管脚图如图5-9所示,它采用8脚双列直插式塑料封装。
LM386有两个信号输入端,2脚为反相输入端,3脚为同相输入端;每个输入端的输入阻抗均为50kΩ,而且输入端对地的直流电位接近于零,即使输入端对地短路,输出端直流电平也不会产生大的偏离。
LM386的主要技术指标、参数见表5-3。
a)外形图b)管脚排列图
图5-9LM386外形与管脚排列
表5-3LM386主要技术参数表
参数名称
符号及单位
参考值
测试条件
电源电压
Vcc(V)
4-12
输入阻抗
Ri(KΩ)
50
静态电流
Icc(mA)
4-8
Vcc=6V,vi=0
输出功率
Po(mW)
325
Vcc=6V,RL=8欧,THD=10%
帯宽
BW(KHz)
300
Vcc=6v,1脚、8脚断开
谐波失真
THD(%)
0.2
Vcc=6V,RL=8欧,Po=125mW
f=1kHz,1脚、8脚断开
电压增益
Auf(dB)
20~46
1脚、8脚接不同电阻
2.LM386应用电路
用LM386组成的OTL功放电路如图5-10所示,信号从3脚同相输入端输入,从5脚经耦合电容(220μF)输出。
图5-10LM386应用电路
图中,7脚所接20μF的电容为去耦滤波电容。
1脚与8脚所接电容、电阻用于调节电路的闭环电压增益,电容取值为10μF,电阻RP2在0~20kΩ范围内取值;改变电阻值,可使集成功放的电压放大倍数在20~200之间变化,RP2值越小,电压增益越大。
当需要高增益时,可取RP2=0,只将一只10μF电容接在1脚与8脚之间即可。
输出端5脚所接10Ω电阻和0.1μF电容组成阻抗校正网络,抵消负载中的感抗分量,防止电路自激,有时也可省去不用。
该电路如用作收音机的功放电路,只需将输入端接收音机检波电路的输出端即可。
5.4.3用TDA2030组成的OCL电路
1.TDA2030外形、引脚排列及主要技术指标
TDA2030引脚排列如图5-11所示。
它只有5只引脚、外接元件少,接线简单。
它的电气性能稳定、可靠,适应长时间连续工作,且芯片内部具有过载保护和热切断保护电路。
该芯片适用于收录机及高保真立体扩音装置中作音频功率放大器。
图5-11TDA2030引脚排列
TDA2030的主要技术指标、参数见表5-4。
表5-4TDA2030A主要技术参数表
参数
符号及单位
数值
测试条件
电源电压
VCC(V)
±6~18
—
静态电流
ICC(mA)
ICCO<40
—
输出峰值电流
IOM(A)
IOM=3.5
输出功率
PO(W)
PO=14
Vcc=14V,RL=4Ω,THD<0.5%,f=1KHz
输入阻抗
Ri(KΩ)
140
Au=30dB,RL=4Ω,Po=14W
-3dB功率带宽
BW(Hz)
10~140K
RL=4Ω,Po=14W
谐波失真
THD
<0.5%
RL=4Ω,Po=0.1~14W
2.TDA2030检测方法
(1)电阻法
正常情况下TDA2030各脚对③脚阻值见表5-5。
表5-5TDA2030各脚对③脚阻值
引脚
①
②
③
④
⑤
阻值
黑表笔接③脚
4kΩ
4kΩ
0
3kΩ
3kΩ
红表笔接③脚
∞
∞
0
18kΩ
3kΩ
以上数据是采用MF-500型万用表用R×1k挡测得,不同表所测阻值会有区别。
(2)电压法
将TDA2030接成OTL电路,去掉负载,①脚用电容对地交流短路,然后将电源电压从0~36V逐渐升高,用万用表测电源电压和④脚对地电压,若TDA2030性能完好,④脚电压应始终为电源电压的一半。
否则说明电路内部对称性差,用作功率放大器将产生失真。
3.TDA2030实用电路
TDA2030接成OCL(双电源)典型应用电路如图5-12所示。
图5-12TDA2030双电源典型应用电路
图中R3、R2、C2使TDA2030接成交流电压串联负反馈电路。
闭环增益由下式估算
C5、C6为电源低频去耦电容,C3、C4为电源高频去耦电容。
R4与C7组成阻容吸收网络,用以避免电感性负载产生过电压击穿芯片内功率管。
为防止输出电压过大,可在输出端④脚与正、负电源接一反偏二极管组成输出电压限幅电路。
5.4.4用LH0101组成BTL电路
BTL(BridgeTransformerLess)功放电路又称作桥式平衡功放电路。
实质上它是两个特性对称的OTL放大器(或OCL放大器)的组合,在相同的电源电压和负载的条件下,BTL功放电路的输出功率将是OTL电路的四倍。
用集成功率运放LH0101组成的BTL电路见图5-13所示。
图5-13用LH0101组成的BTL电路
BTL电路的电流利用率高,可在低电源电压下得到较大的输出功率。
电路的输出中点始终保持零电位,因而电冲击比其他无变压器电路要小得多。
此外,由于电路的对称性,使得同相输入干扰能基本上互相抵消,电路的交流声和失真度极小。
但是工作时流过负载的电流是OTL电路的2倍,所以对电源的要求较高,要求电源的内阻要很小。
本章小结
1.功率放大器的主要任务是在允许的失真范围内,向负载提供足够大的交流功率。
因此功放管常工作于极限应用状态。
为了保证功放管安全、可靠和高效地工作,必须尽量减小功放管的管耗,并考虑功放管的散热问题。
2.甲类单管功放电路简单,最大缺点是效率低;乙类功放采用双管推挽输出,效率高,缺点是产生交越失真。
甲乙类功放克服了交越失真,并具有较高的效率。
3.为了减少输出变压器和输出电容给功放带来的不便和失真,出现了单电源供电的OTL和双电源供电的OCL功放电路。
4.集成功率放大器具有体积小、工作可靠、调试组装方便的优点。
目前得到广泛的应用。
5.为保证功率放大电路的安全工作,必须合理选择器件,增强功率管的散热效果,防止二次击穿并根据需要选择好保护电路。
习题
1.选择
(1)功率放大电路的最大输出功率是在输入电压为正弦波时,输出基本不失真情况下,负载上可能获得的最大。
A.交流功率B.直流功率C.平均功率D.瞬时功率
(2)功率放大电路的转换效率是指。
A.输出功率与晶体管所消耗的功率之比
B.最大输出功率与电源提供的平均功率之比
C.晶体管所消耗的功率与电源提供的平均功率之比
D.电源提供的平均功率与晶体管所消耗的功率之比
(3)在OCL乙类功放电路中,若最大输出功率为1W,则电路中功放管的集电极最大功耗约为。
A.1WB.0.5WC.0.2WD.0.25W
(4)在选择功放电路中的晶体管时,应当特别注意的参数有。
A.βB.ICMC.ICBOD.U(BR)CEOE.PCMF.fT
(5)如题图5-1所示电路中晶体管饱和管压降的数值为│UCES│,则最大输出功率POM=。
A.
B.
C.
题图5-1
2.判断
(1)在功率放大电路中,输出功率愈大,功放管的功耗愈大。
()
(2)功率放大电路的最大输出功率是指在基本不失真情况下,负载上可能获得的最大交流功率。
()
(3)当OCL电路的最大输出功率为1W时,功放管的集电极最大耗散功率应大于1W。
()
(4)功率放大电路与电压放大电路、电流放大电路的共同点是
①都使输出电压大于输入电压;()
②都使输出电流大于输入电流;()
③都使输出功率大于信号源提供的输入功率。
()
(5)功率放大电路与电压放大电路的区别是
①前者比后者电源电压高;()
②前者比后者电压放大倍数数值大;()
③前者比后者效率高;()
④在电源电压相同的情况下,前者比后者的最大不失真输出电压大;()
(6)功率放大电路与电流放大电路的区别是
①前者比后者电流放大倍数大;()
②前者比后者效率高;()
③在电源电压相同的情况下,前者比后者的输出功率大。
()
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