低频功率放大电路

1、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

2、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 = loUo(9-1) 改用振幅值表示，公式9-1又为 1 Po = I omU om(9-2) 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。 PDC 式中，Po为

3、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

4、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9=360 o 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9=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18090,三极管T1导通， Rl上形成正半周输出电压, Ui 0。 T2导通，T2管的射极电流 uo 0。 9.2 双电源互补对称功率

5、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 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 Ti为NPN型三极

6、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 Ti、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、I eq均为零，负载上无电流通 过，输出电压 Uo=0。 2. 动态分析 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 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

7、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。 Rl 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21 cm和2Ucem，|cm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。 f Jul (a) (b) 图9-3双电源互补对称电路图解分析 1.输出功率Po 当考虑饱和压降 p = U cem Icm = 1 I 口 ocm cem 、2 2 2 2 cem 2 Rl Uces时，输出的最大电压幅值为 U cem= U cc- U ces 般情况下输出电压的幅值 Ucem总是小于电源电压

8、VCC值，故引入电源利用系数 _ U cem =Vcc 将式9-6代入式9-4得 p= 2V 2 CC 当忽略饱和压降 Uces时，即 =1，输出功率Pom可按下式估算 P =1VL P0m 2 Rl (9-4) (9-5) (9-6) (9-7) (9-8) 2.效率n 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 12 n2n1 Id(AV) =o ic1d( t)= o IcmSin td( t)= I cm (9-9) 2 nn 直流电源Vcc供给的功率

9、为 11 UV2 P =I V = I V = cemV = cc DC1 D(AV) cccm cccc nn Rln Rl 因此, (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 Pdc 2 U； n Rl (9-11) 将式(9-7)、式(9-11)代入式(9-3)是则得 (9-12) _ Po _ n _4 当=1时，效率最高，即 max n 78.5% 4 【例9-1】 在图9-2所示乙类互补对称放大电路中，已知 当输入信号足够大，集电极电压充分运用时的Pom、PDCm、 Vcc=12V , Rl=8 m 。 (9-13) ，试求： 解 输入信号足够大时，忽略管子

10、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 Pom 1 Vc2c 2 Rl 122 2 8 9(W) 由式(9-11)得, =1时，电源供给最大功率为 2 V； 44 PDCm=2-CC=-Pm = 4 9=11.5 (W) n Rlnn 此时的效率为 莹=2=78.5% 11.5 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

11、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、T2管的静态工作点。对于变化信号而言，由于二极管的动

12、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9-6消除交越失真的电路 924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3=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PN

13、P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。 由上所述，复合管不仅解决了大功率管 3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。 925 OCL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 Ti、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T

14、i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、Tio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、Tio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Ri、 Di、D2、T3、T5组成恒流源电路，Ri、Di、D2提供基准电流。Rf、Ci、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

15、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。 22.7V *+24V I 5( 3DGI 3DD15 3CG5 C 3 EK 16 1OQ 3E1D1S .CP10X2 I 3DG4S o-24V 图9-9 OCL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

16、流电源。如图9-ii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。 931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 GT 图9-10 OTL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 1 压的一半ivcc，负载中没有电流。电容C两端的 2 电压也稳定在 1 Vcc，这样两管的集射极之间如同分 2 11

17、 别加上- Vcc和Vcc的电源电压。 22 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 1 率、效率计算也相同，只需将公式中的Vcc用-Vcc代替即可。 2 933电路实例 图9-11为一典型的OTL功放电路。

18、由运算放大器 A组成前置放大电路，T4T7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 T4T7微导通，ie6= ie7,中点电位 、 1 为一 Vcc , Uo=0V。 2 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U。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 1 降低，T4、T6截止，T5、T7依靠C2上的存储电压-Vcc导通，ie7

19、由下而上流过负载，输出 2 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。 却- IO|4F/5OV 贮也 图9-11 OTL功放电路实例 n-H 匕 3AX2ID (B=IOQ) II 别舉F 47ki2 -dzi- 3A3ID (=30) 8 I 严) 1H1*11 SOLI MML q- JOOQuf IOQjiF R, : 56011 蜡 I |亦卜 (B-3Q) Ting k I 0.5L1 沁 IQOOpF I WK 934调试方法 图9-12是一个典型的复合互补对称OTL功放电路。Ti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

20、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。 200il 图9-12 OTL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 1 电位为VCC ,然后通过Rii调节复合管的

21、静态电流。但调节R6和调节Rii是互相影响的， 2 所以，必须反复调节Re直至满足要求为止。调试时千万注意，切不可断开Rii，因为Rii 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Rii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

22、。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Rio和可变电阻 Re的 阻值来克服。但需注意，在调节Re、Rio时，不要使放大器的输出

23、端的电位偏离中点电位 9.4 BTL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.I BTL功放组成及其工作原理 BTL基本电路组成如图 9-I3所示，四个功放管 TiT4组成桥式电路。静态时，电桥 平衡四个功放管TiT 4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 ui0时，Ti、T4导通，T2、T3截止，流过负载 Rl的电流如图9-I3中实线所示；当 u0 时，Ti、T4截止，T2、T3导通，流过负载 Rl的电流如图9-I3中虚线

24、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23倍。 T. * Tj 图9-13 BTL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 9-1

25、4为其基本用法电路。 查阅手册可知，当Vcc=14.4V , Rl=4 Q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。 A. 16 -* 号0一22叮 L 1 | 冬 0.22UF TRAI556 10 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4

26、 Q、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。 14 2 f 13 i ij 空 扌 纟 T5 1 9 (J E )LA4IOO-LA4102 1 1 糊- i 2 空 粗源J 4 d i S 肖或 1 6 7 Pj 图9-15 CD4100引脚示意图 图9-16 CD4100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。 1 Cc 输出端电容，两端充电电压等于-Vcc。 2 Cd

27、 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。 9.6 VMOS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

28、 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

29、反。电子从源极经过N型导电沟道流到漂移区，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。 !【 NW底 i II H Tlllll I 叩 I I I 13 11II 门厂11 I 寻41沟遭 Si 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。 11- 51011 bSOLl G IOOiF 0K D 乂 2CP

30、1幼屮卜 IU11F Ti lOGpF 9-19 OTL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VA =Vee。 2 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|C2 = Ic3=510mA。从减小交越失真

31、角度而言，应适当加 大输出极静态电流，但该电流过大，会使效率降低，所以一般在510mA，左右为宜。 由于毫安表是串在电源进线中，因此测得的是整个放大器的电流。但一般Ti的集电极电 流较小，从而可以把测得的总电流近似当作末级的静态电流。如要准确得到末级静态电 流，则可从总电流中减去lei的值。 调整输出极静态电流的另一方法是动态调试法。先使Rp2=0。在输入端接入f = 1kHz 的正弦信号 Ui。逐渐加大输入信号的幅度时，输出波形会出现较严重的交越失真(注意:没 有饱和和截止失真)，然后缓慢增大 RP2，当交越失真刚好消失时，停止调节RP2，恢复 Ui =0,此时直流毫安表读数即为输出极静态电

32、流，一般数值也应在510mA左右，如过 大，则要检查电路。 在调整RP2时，一是要注意旋转方向，不要调得过大，更不能开路，以免损坏 输出管。 输出管静态电流调好，如无特殊情况，不得随意旋动Rp2的位置。 (2) 最大输出功率Pom和效率的测试 测量Pom 输入端接f=1kHz的正弦信号，输出端用示波器观察输出电压Uo波形。逐渐增大 Ui , 使输出电压达到最大不失真输出，用交流毫安表测出负载Rl上的电压Uom,则 P =u! Pom= Rl 测量 当输入电压为最大不失真输出时，读出直流毫安表中的电流值，此电流即为直流电源 供给的平均电流lD(AV)(有一定误差)。由此可近似求得PDC=Vee|D(AV)，再根据上面测得的 Pom,即可求出 = _Pom PDC 5. 预习要求 (1) 复习有关OTL工作原理的内容。 (2) 交越失真产生的原因是什么？怎样克服交越失真？ (3) 电路中电位器Rp2如果开路或短路，对电路工作有何影响? 为了不损坏输出管，调试中应注意什么问题？ (5) 如电路有自激现象，应如何消除？ 6. 实训报告 Pom、效率等，并与理 (1) 整理实验数据，计算静态工作点，最大不失真输出功率 论值进行比较。 (2)