第9章低频功率放大电路.docx
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第9章低频功率放大电路
第9章低频功率放大电路
本章要点
●功放的特点与分类
●OCL电路原理与特性分析
●OTL电路原理与调试方法
●BTL电路组成与原理
●VMOS功放的特点与应用
本章难点
●OCL电路性能指标分析
●OTL电路调试方法
无论分立元件放大器还是集成放大器,其末级都要接实际负载。
一般负载上的信号的电流和电压多要求较大,即负载要求放大器输出较大的功率以便推动如扬声器、电动机之类的功率负载,故称之为功率放大器,简称功放。
功率放大电路的主要任务是:
放大信号功率。
功率放大电路按放大信号频率,可分为低频功率放大电路和高频功率放大电路。
前者用于放大音频范围(几十赫兹到几千赫兹)的信号,后者用于放大射频范围(几百千赫兹到几十兆赫兹)的信号。
本章仅介绍低频功率放大电路。
9.1功率放大电路概述
9.1.1功率放大电路的特点
功率放大器的主要任务是向负载提供较大的信号功率,故功率放大器应具有以下几个主要特点。
1.输出功率要足够大
为获得足够大的输出功率,功放管的电压和电流变化范围应很大。
如输入信号是某一频率的正弦信号,则输出功率的表达式为
Po=IoUo(9-1)
改用振幅值表示,公式9-1又为
Po=
IomUom(9-2)
2.效率要高
功率放大器实质上是一个能量转换器,它是将电源供给的直流能量转换成交流信号的能量输送给负载,因此,要求转换效率高。
(9-3)
式中,Po为信号输出功率,PDC是直流电源向电路提供的功率。
在直流电源提供相同直流功率的条件下,输出信号功率愈大,电路的效率愈高。
3.非线性失真要小
功率放大器是在大信号状态下工作,电压、电流摆动幅度很大,而且由于三极管是非线性器件,在大信号工作状态下,器件本身的非线性问题十分突出,因此,输出信号不可避免地会产生一定的非线性失真。
在实际应用中,要采取措施减少失真,使之满足负载要求。
4.图解法进行估算
由于功放工作在大信号状态,实际上已不属于线性电路的范围,故不能用小信号微变电路的分析方法,通常采用图解法对其输出功率、效率等指标作粗略估算。
9.1.2功率放大器工作状态的分类
功率放大电路按放大器中三极管静态工作点设置的不同,可分为甲类、乙类和甲乙类三种,如图9-1所示。
甲类功率放大电路的特征是工作点在负载线线性段的中点,在输入信号的整个周期内,晶体管均导通,有电流流过,功放的导通角θ=360°。
乙类功率放大电路的特征是工作点设置在截至区,在输入信号的整个周期内,晶体管仅在半个周期内导通,有电流流过,功放的导通角θ=180°。
甲乙类功率放大电路的特征是工作点设置在放大区内,但很接近截至区,管子在大半周期间导通,有电流流过,功放的导通角180°<θ<360°。
在甲类功率放大电路中,由于在信号全周期范围内管子均导通,故非线性失真较小,但是输出和效率均较低,因而在低频功率放大电路中主要用乙类或甲乙类功率放大电路。
图9-1甲类、乙类、甲乙类功放电路工作状态
9.2双电源互补对称功率放大电路(OCL电路)
单管甲类功率放大电路简单,只需要一个功率管便可工作。
由于它的效率低,而且为了实现阻抗匹配,需要用变压器,而变压器具有体积大、重量重、频率特性差、耗费金属材料、加工制造麻烦等缺点,因而,目前一般不采用单管甲类功率放大电路。
乙类功率放大电路具有能量转换效率高的特点,常作为功率放大器。
但乙类放大电路只能放大半个周期的信号,常用两个对称的乙类放大电路分别放大正、负半周的信号,然后合成完整的波形输出,即采用互补对称功率放大电路。
9.2.1电路组成和工作原理
图9-2基本OCL电路
双电源互补对称电路如图9-2所示,这类电路无输出电容的功率放大电路,简称OCL电路。
图中T1为NPN型三极管,T2为PNP型三极管。
为保证工作状态良好,要求该电路具有良好的对称性,即T1、T2管特性对称,并且正负电源对称。
当信号为零时,偏流为零,它们均工作在乙类放大状态。
电路工作原理如下所述。
1.静态分析
当输入信号ui=0时,两个三极管都工作在截止区,此时IBQ、ICQ、IEQ均为零,负载上无电流通过,输出电压uo=0。
2.动态分析
当输入信号工作在正半周时,由于Ui>0,三极管T1导通,T2截止,T1管的射极电流ie1经+VCC自上而下流过负载电阻,在RL上形成正半周输出电压,uo>0。
当输入信号工作在正半周时,由于Ui<0,三极管T1截止,T2导通,T2管的射极电流ie2经-VCC自下而上流过负载电阻,在RL上形成负半周输出电压,uo>0。
不难看出,在输入信号ui的一个周期内,即T1、T2管交替工作,流过RL的电流为一完整的正弦波信号。
9.2.2性能分析
双电源互补对称电路工作图解分析如图9-3所示。
图9-3(a)为T1管导通时的工作情况。
图9-3(b)是将T2管的导通特性倒置后与T1特性画在一起,让静态工作点Q重合。
形成两管合成曲线,图中交流负载线为一条通过表态工作点的斜率
的直线AB。
由图9-3可看出输出电流、电压的最大允放变化范围分别为2Icm和2Ucem,Icm和Ucem分别为集电极正弦电流和电压的振幅值。
有关性能指标计算如下。
图9-3双电源互补对称电路图解分析
1.输出功率Po
(9-4)
当考虑饱和压降Uces时,输出的最大电压幅值为
Ucem=Ucc-Uces(9-5)
一般情况下输出电压的幅值Ucem总是小于电源电压VCC值,故引入电源利用系数
(9-6)
将式9-6代入式9-4得
(9-7)
当忽略饱和压降Uces时,即
=1,输出功率Pom可按下式估算
(9-8)
2.效率η
图9-4集电极电流ic波形
由式9-3可知计算效率应先求出电源供给功率PDC。
在乙类互补对称放大电路中,每个晶体管的集电极电流的波形均为半个周期的正弦波形。
其波形如图9-4所示,其平均值ID(AV)为
(9-9)
因此,直流电源Vcc供给的功率为
(9-10)
因考虑是正负两组直流电源,故总的直流电源的供给功率为
(9-11)
将式(9-7)、式(9-11)代入式(9-3)是则得
(9-12)
当
=1时,效率
最高,即
(9-13)
【例9-1】在图9-2所示乙类互补对称放大电路中,已知Vcc=12V,RL=8
,试求:
当输入信号足够大,集电极电压充分运用时的Pom、PDCm、
。
解输入信号足够大时,忽略管子饱和压降,输出电压幅值约等于电源电压,由式(9-8)得,最大输出功率为
(W)
由式(9-11)得,
=1时,电源供给最大功率为
(W)
此时的效率为
9.2.3交越失真的消除
实际中晶体管输入特性的门限电压不为零,且电压、电流关系也不是线性关系,在输入电压较低时,输入基极电流很小,故输出电流也很小,因此输出电压在输入电压较小时,存在一小段死区,此段输出电压与输入电压不存在线性关系,产生了失真。
由于这种失真出现在通过零值处,故称为交越失真。
交越失真波形如图9-5所示。
克服交越失真的措施就是避开死区电压区,使每一个晶体管处于微导通状态。
输入信号一旦加入,晶体管立即进入线性放大区,而在静态时,虽然每一个晶体管处于微导通状态,由于电路对称,两管静态电流相等,流过负载电流为零,从而消除了交越失真。
图9-6是OCL电路设置静态偏置消除交越失真的一种方法。
偏置电路主要由二极管D1、D2和电位器RP组成。
调节RP可以使三极管T1和T2的基极直流电位之差稍大于两管的死区电压之和,这样每个管子就能得到一个合适的静态偏压。
而且二极管的接入还具有温度补偿作用,可以稳定T1、T2管的静态工作点。
对于变化信号而言,由于二极管的动态电阻和电位器RP的值很小,可以认为加到T1、T2管基极上的信号电压基本相等,输出信号正负半周仍然对称。
图9-5交越失真的产生图9-6消除交越失真的电路
9.2.4用复合管组成互补对称电路
功率放大电路的输出电流一般很大。
例如当有效值为12V的输出电压至8
的负载上,将有1.5A的有效值电流流过功率管,其振幅值约为2.12A。
而一般功率管的电流由放大系数均不大,若设β=20,则要求基极推动电流为100mA以上,这样大的电流由前级供给十分困难,为此需要进行电流放大。
一般通过复合管来解决此问题。
由复合管组成的互补功率放大电路如图9-7所示,图中,要求T3和T4即要互补又要能对称,这对于NPN型和PNP型两种大功率管来说,一般是比较难以实现的(尤其一个是硅管,而另一个是锗管时)。
为此最好选T3和T4是同一种型号的管子,通过复合管的接法来实现互补,这样组成的电路称为准互补电路,如图9-8所示,调节图中的Rb和Rc可使T3和T4有一个合适的工作点。
图9-7复合管互补对称功放图9-8准互补对称功放
由上所述,复合管不仅解决了大功率管β值低的困难,而且也解决了大功率管难以实现互补对称的困难,故在功率放大电路中广泛采用了复合管。
9.2.5OCL电路的应用分析
图9-9为OCL准互补对称功率放大电路,它由输入极、中间级、输出极及偏置电路组成。
输入极是由T1、T2和T3组成的单端输入、单端输出的共射组态恒流源式差动放大电路,并从T1的集电极处取出输出信号加至中间级。
中间级是由T4、V5组成的共射组态放大电路,T5是恒流源,作为T4的有源负载。
输出极是由T7、T8、T9、T10组成的准互补对称电路,其中T7、T9为由NPN-NPN组成的NPN型复合管;T8、T10为由PNP-PNP组成的PNP型复合管,各管电阻Re7、Re8、Re9、Re10的作用是改善温度特性。
T6、Re4、Re5组成了Ube倍压电路,为输出极提供所需的静态工作点,以消除交越失真。
由R1、D1、D2、T3、T5组成恒流源电路,R1、D1、D2提供基准电流。
Rf、C1、Rb2构成交流串联电压负反馈,用来改善整个放大电路的性能。
OCL电路最大的优点在于,其低频特性很好,输入输出跟随性好(带负载能力强),不足之处是需采用双电源供电,这在电路中很不方便。
部分常见的低频大功率管主要参数见书后附录。
图9-9OCL互补对称功率放大电路
9.3单电源互补对称电路(OTL电路)
图9-2所示互补对称功率放大电路中需要正、负两个电源。
但在实际电路中,如收音机、扩音机中,常采用单电源供电。
为此,可在输出端接一个大容量的电容器,该电容的充放电时间常数应远大于信号周期,用它来代替一个直流电源。
如图9-11所示单电源供电互补对称功率放大电路。
这种形式的电路无输出变压器,而有输出耦合电容,简称OTL电路。
9.3.1电路特性
单电源互补对称电路的特性如下。
●输出电容起到负电源作用。
●电路的频率响应宽,低频频响主要由输出电容器的容量来决定。
●电路便于加深度负反馈,电路稳定性高。
●电路由阻容元件和晶体管组成,易于集成化。
9.3.2电路原理
图9-10OTL基本电路
图9-10所示电路中,管子工作在乙类状态。
静态时,因电路对称,两管发射极e点电位为电源电压的一半
VCC,负载中没有电流。
电容C两端的电压也稳定在
VCC,这样两管的集射极之间如同分别加上
VCC和
VCC的电源电压。
动态时,在输入信号正半周,T1导通,T2截止,T1以射极输出的形式向负载RL提供电流,使得负载RL上得到正半周输出电压,同时对电容C充电;在输入信号负半周,T1截止,T2导通,电容C通过T2、RL放电,T2也以射极输出的形式向负载RL提供电流,负载RL上得到副半周输出电压,电容C这时起到负电源的作用。
这样,负载RL上得到一个完整的信号波形。
由上可以看出,其工作过程除C代替一组电源外,其工作过程与双电源相同,功率、效率计算也相同,只需将公式中的VCC用
VCC代替即可。
9.3.3电路实例
图9-11为一典型的OTL功放电路。
由运算放大器A组成前置放大电路,T4~T7组成互补对称电路,D1、D2、D3提供偏置电压,R11和R1构成电压并联负反馈。
静态时,由R4、R5、D1、D2、D3提供偏置电压使T4~T7微导通,ie6=ie7,中点电位为
,uo=0V。
动态时,当输入信号ui为负半周时,集成运放对输入信号进行放大,使互补对称功放基极电位升高,T4、T6导通,T5、T7截止,ie6由上而下流过负载,输出电压uo为正半周。
当输入信号ui为正半周时,集成运放对输入信号进行放大,使互补对称功放基极电位降低,T4、T6截止,T5、T7依靠C2上的存储电压
导通,ie7由下而上流过负载,输出电压uo为负半周。
这样负载上就获得一个完整的正弦电压波形。
图9-11OTL功放电路实例
9.3.4调试方法
图9-12是一个典型的复合互补对称OTL功放电路。
T1为前置放大级,其发射极电阻R5上加有从放大器输出端经反馈电阻R12和反馈电容C9引入的负反馈,用于改善音质。
T2是激励级,其偏流电阻R6不是接电源的负端,而是借到放大器的输出端,这样可以自动稳定放大器的工作点。
电阻R11两端的压降供给T3、T4以合适的偏压。
T3、T4组成复合管互补输出极。
R13、R14一方面使T3、T4维持一定的工作电流,同时又保证T5、T6有合适的静态射基偏压,提高电路稳定性。
R15、R16起电流负反馈作用,使末级工作点更加稳定。
图9-12OTL功率放大电路
图9-12所示电路的调试方法如下。
调节电阻R1的阻值,调试T1的静态工作电流。
调节R6使放大器输出端(K点)的对地电位为
,然后通过R11调节复合管的静态电流。
但调节R6和调节R11是互相影响的,所以,必须反复调节R6直至满足要求为止。
调试时千万注意,切不可断开R11,因为R11一旦断开,有烧坏晶体管的可能。
经上述调试后,电路就能正常工作。
从信号发生器向OTL放大器送入一个比额定输入信号电压小的正弦波信号,再进一步观察输出波形,并对波形出现的问题进行调整。
1.交越失真
大信号输出时波形良好,而小信号输出时出现比较明显的交越失真,这时,调节可变电阻(使R11的有效阻值增大)增加功放管的静态电流即可克服交越失真。
2.输出波形不对称
造成输出波形不对称的原因一般有两个。
一是激励信号的波形不对称;二是四只输出管特性配合不好。
如果原来波形不对称的情况是上半波形比下半波形高。
可先将两只输出管T5和T6交换位置试一试。
如果交换后波形不对称情况下没有变化,仍是上大下小,则说明是激励信号本身不对称。
这时,可以在T4的发射极串一只小阻值(一般是几欧到几十欧)的电阻,使输出波形上下对称。
如果输出管交换位置后,波形的不对称情况与原来相反,即由原来的上大下小变成上小下大,则说明是输出管特性不配合,应更换输出管。
3.小信号输出波形正常,但大信号输出时有半边波形的顶部变平
这是由于激励级T2的电流IC2不合适造成的。
这时可以调节电阻R10和可变电阻R6的阻值来克服。
但需注意,在调节R6、R10时,不要使放大器的输出端的电位偏离中点电位
。
9.4BTL集成功率放大电路
BTL功率放大电路又称桥接推挽式放大电路,其主要特点是,在同样电源电压和负载电阻条件下,它可获得比OCL和OTL大几倍的输出功率。
9.4.1BTL功放组成及其工作原理
BTL基本电路组成如图9-13所示,四个功放管T1~T4组成桥式电路。
静态时,电桥平衡四个功放管T1~T4组成桥式电路。
静态时,电桥平衡,负载RL中为直流电流。
动态时,各桥臂功放管轮流导通。
当ui>0时,T1、T4导通,T2、T3截止,流过负载RL的电流如图9-13中实线所示;当ui<0时,T1、T4截止,T2、T3导通,流过负载RL的电流如图9-13中虚线所示。
由以上分析可以看出,与OCL电路相比在相同电源下,BTL电路中流过负载RL的电流增大了一倍,理论上BTL电路的最大输出功率是同样电源下OCL电路四倍。
实际上获得的输出功率是OCL电路的2~3倍。
图9-13BTL基本电路
9.4.2集成BTL电路
BTL电路有各种不同输出功率和不同电压增益的多种型号的集成电路。
本节以TDA1556为例介绍集成BTL电路的应用。
TDA1556为2通道BTL电路,可作为立体声扩音机左右两个声道的功放,其闭环增益为26dB。
TDA1556内部具有待机、净噪功能以及有短路、电路反向、过电压、过热和扬声器保护等。
图9-14为其基本用法电路。
查阅手册可知,当VCC=14.4V,RL=4Ω时,若要求总谐波失真为0.1%,则Pom
22W。
BTL电路的优点是在较低电源电压下,能获得较大的输出功率。
但需要注意的是,对于BTL电路,负载的任何一端都不能与公共地线短接,否则会烧坏功放集成块。
图9-14集成BTL电路基本用法电路
9.5集成功率放大器4100系列简介
我国目前已成批生产各种系列单片集成功率放大电器,它是低频功放的发展方向。
本节以CD4100系列单片集成功放电路为例进行介绍。
CD4100是负载电阻4Ω、电源电压为6V、输出功率为1W的单片式功率放大电路。
该电路广泛应用于磁带收录机、收音机和对讲机等输出极中。
CD4100的外形与引脚排列图如图9-15所示。
CD4100集成功放典型接线图如图9-16所示。
图9-15CD4100引脚示意图
图9-16CD4100典型接线图
外部元件的作用如下:
RF、CF——与内部电阻组成交流负反馈支路。
CB——相位补偿。
CC——输出端电容,两端充电电压等于
。
CD——反馈电容,消除自激振荡。
CH——自举电容,使复合管的导通电流不随输出电压的升高而减小。
C3、C4——滤除波纹。
C2——电源退耦滤波,可消除低频自激。
9.6VMOS功率放大器
第4章所介绍的普通MOS场效应管是平面沟道结构,这种结构场效应管的缺点是,导电沟的电阻较大,特性曲线的线性度差,频率特性差,硅片面积利用率低。
这使它在许多领域中的应用受到限制。
垂直导电MOS功率器件(简称VMOS管)不仅保留了普通MOS管的优点而且实现了短沟道,并设置了高电阻率的漏极漂移区,从而大大提高了器件的耐压能力、电流处理能力和工作频率。
目前VMOS管的耐压水平已经提高到1000V,电流处理能力达到200A,工作频率为数百兆赫。
9.6.1功率场效应管(VMOS)简介
VMOS场效应管的工作原理与第4章中介绍的N沟道增强型MOS管类似。
当栅源电压UGS为负值时,栅极下面的P型区表面(V型外侧)堆积大量的空穴,不能沟通源区和漏区。
当栅源电压UGS为正值但比较小时,P形区表面为耗尽区,仍不导电。
这时即使加上漏源电压UDS,也不能形成漏极电流ID,VMOS处于截止状态。
当正的栅源电压增大到一定数值时,会在栅极下面的P型区表面形成由电子构成的N型反型层,这就是沟通源区和漏区的导电沟道。
此时,如果在漏极和源极之间加上电压UDS,就会有漏极电流ID流过,其方向与电子流动方向相反。
电子从源极经过N型导电沟道流到N-漂移区,然后垂直地流到漏极,如图9-17中虚线所示。
可见电流不再是沿表面水平方向流动,而是利用V型槽实现了垂直方向流动,故又称为VVMOS结构。
图9-17VVMOS结构示意图
VMOS功率场效应管不仅保留了普通MOS管的全部优点,而且还吸引了双极型晶体管的一些优点,因而它具有两者的优点。
(1)垂直地安置漏极,充分利用硅片面积,实现了垂直传导漏源电流,可以得到较大的高输出电流。
(2)设置了高电阻率的N–型漂移区,提高了器件的耐压能力。
(3)实现了短沟道,使器件具有良好的线性。
(4)工作频率高、开关速度快。
(5)热稳定性好,具有温度自动调解能力。
9.6.2功率场效应管(VMOS)电路实例
VMOS功率效应管具有接近理想的线性和开关特性,因而应用领域十分广阔。
由于它是电压控制器件,输入阻抗很高,输出数安~数十安的电流时,只需100nA数量级的驱动电流,直流电流放大系数高达108~109。
由于VMOS管具有良好的线性,因此在音频功率放大电路中用VMOS管作功率放大器件可以使电路简单,并具有高保真和自保护等优点。
下面介绍VMOS管功率放大器应用实例。
图9-18是一个两管4WVMOS音频功率放大器。
输入极是由结型场效应管VF1组成的自偏压式共源极放大电路。
输入极是用VMOS功率场效应管VF2(型号为VN66AF)组成的单管功率放大电路。
RG2和VF2是输出极的偏置电路,其栅源电压由二者分压确定,从输出端经RF和RS1引入极间电压串联负反馈,改善了放大电路的性能。
该电路输出端采用变压器偶合,对实际负载进行阻抗变换,以实现阻抗匹配,使功率放大电路向负载输出尽可能大的功率。
图9-18VMOS音频功率放大器
图9-18中接在VMOS管栅极和源极之间的稳压二极管(也称齐纳二极管)起输入保护作用,用来限制栅极驱动电压。
它可以制作在VMOS管内部,也可以外接。
当栅源电压为正值时,其数值不能超过稳压管的击穿电压。
当栅源电压为负值时,二极管处于正向偏置,这时栅源电压的大小不会超过PN结的正向压降。
9.7实训功率放大器的组装与测试
1.实训目的
(1)理解功率放大器的组成和工作原理。
(2)学会OTL电路和调试及主要性能指标的测试方法。
2.实训器材
(1)+5V直流电源
(2)函数信号发生器
(3)双踪示波器
(4)交流毫伏表
(5)直流电压表
(6)直流毫安表
(7)晶体三极管3DG6×1(9011×1)3DG12×1(9013×1)
3DG12×1(9012×1)晶体二极管2CP×1
(8)8Ω喇叭×1,电阻器、电容若干。
3.实训原理
图9-19所示为OTL低频功率放大器。
其中由晶体三极管T1组成推动级(也称前置放大级),T2、T3是一对参数对称的NPN和PNP型晶体三极管,它们组成互补推挽OTL功放电路。
由于每一个管子都接成射极输出器形式,因此具有输出电阻低,负载能力强等优点,适合作功率输出极。
T1管工作于甲类状态,它的集电极电流IC1由电位器RP1进行调节。
IC1的一部分流经电位器RP2及二极管D,给T2、T3提供偏压。
调节RP2,可以使T2、T3得到合适的静态电流而工作于甲乙类状态,以克服交越失真。
静态时要求输出端中点A的电位
,可以通过调节RP1来实现,又由于RP1的一端接在A点,因此在电路中引入交、直流电压并联负反馈,一方面能够稳定放大器的静态工作点,同时也改善了非线性失真。
当输入正弦交流信号ui时,经T1放大,倒相后同时作用于T2、T3的基极,ui的负半周使T2管导通(T3管截止),有电流通过负载RL,同时向电容CO充电,在ui的正半周,T3导通(T2截止),则已充好电的电容器CO起着电源的作用,通过负载RL放电,这样在RL上就得到完整的正弦波。
9-19OTL低频功率放大器
4.实训内容与步骤
(1)静态工作点的测试
按图9-19连接实验电路,电源进线中串入直流毫安表,电位器RP2置最小值,RP1置中间位置。
接通+5V电源,观察毫安表指示,同时用手触摸输出极管子,若电流过大,或管子温升显著,应立即断开电源检查原因(如RP2开路,电路自激,或输出管性能不好等)。
如无异常现象,可开始调试。
调节输出端中点电位
调节电位器RP1,用直流电压表测量A点电位,使
。
调整输出极静态电流及测试各极静态工作点
调节RP2,使T2、T3管的
~
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