课题四音频功放设计与制作PPT学习教案

1、会计学1 课题四音频功放设计与制作课题四音频功放设计与制作 2 课题四课题四 音频功率放大器音频功率放大器 的设计与制作的设计与制作 第一讲第一讲 音频功放电路音频功放电路 互补互补 对称对称 功率放大电路的基本原理功率放大电路的基本原理 第二讲第二讲 集成功放电路及其应用集成功放电路及其应用 第三讲第三讲 功放管的连接和散热功放管的连接和散热 第1页/共51页 3 例例1： 扩音系统扩音系统 执行机构执行机构 问题一：功率放大电路的功能和特点问题一：功率放大电路的功能和特点 功率放大器的作用：功率放大器的作用： 用作放大电路的用作放大电路的输出级输出级，以，以驱驱 动动执行机构。如使扬声器发

2、声、继电器动作、执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、 仪表仪表 指针偏转等。指针偏转等。 第一讲第一讲 音频功放电路的基本原理音频功放电路的基本原理 功功 率率 放放 大大 电电 压压 放放 大大 信信 号号 提提 取取 第2页/共51页 4 例例2：温度控制温度控制 R1-R3:标准电阻标准电阻 Ua : 基准电压基准电压 Rt :热敏电阻热敏电阻 A：电压放大器：电压放大器 Rt T UOT 温度调节温度调节 过程过程 UbUO1 R1 a R2 uo Usc + R3 Rt 功 功 放放 b 温控室温控室 A + -uo1 加热元件加热元件 第3页/共51页 5 分析功放电路应注意的问

3、题分析功放电路应注意的问题 (1) 功放电路中电流、电压要求都比较大，功放电路中电流、电压要求都比较大， 必须注意电路参数不能超过晶体管的必须注意电路参数不能超过晶体管的 极限值极限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。 IC M PCM UCEM Ic uce 第4页/共51页 6 (2) 电流、电压信号比较大，必须注意防止电流、电压信号比较大，必须注意防止 波形失真。波形失真。 (3) 电源提供的能量尽可能转换给负载，减电源提供的能量尽可能转换给负载，减 少少 晶体管及线路上的损失。即注意提高晶体管及线路上的损失。即注意提高 电路的效率（电路的效率（ ）。）。 Pomax : 负载上得到

4、的交流信号功率。负载上得到的交流信号功率。 PE ： 电源提供的直流功率。电源提供的直流功率。 %100 max E o P P 第5页/共51页 7 不合适，因不合适，因 为效率太低为效率太低 。 uo t uo 射极输出器输出电阻低，带负载射极输出器输出电阻低，带负载 能力强，可以用做功率放大器吗能力强，可以用做功率放大器吗 ？ 问题讨论问题讨论1: ib Rb uo USC ui RE 估算射极输出器的效率估算射极输出器的效率 ： Q ic uce USC E SC R U (设设RL=RE) 第6页/共51页 8 为使输出信号的幅值尽可能大为使输出信号的幅值尽可能大(要保证不失真要保证

5、不失真)，静，静 态工作点（态工作点（Q）设置较高（靠近负载线的中部）。）设置较高（靠近负载线的中部）。 若忽略晶体管的饱和若忽略晶体管的饱和 压降和截止区，输出压降和截止区，输出 信号信号uo的峰值最大只的峰值最大只 能为：能为：uo的取的取 值范围值范围 Q Ic uCE US C E SC R U 直流负直流负 载线载线 交流负交流负 载线载线 UCEQ = 0.5USC 静态工作点：静态工作点： L SC E SC CQ R U R U I 5 . 0 5 . 0 SCom UU5 . 0 max 第7页/共51页 9 T CSCE dtiU T P 0 1 L SC L SC L o

6、m O R U R U R U P 8 2 5 . 0 2 2 2 2 max max %25 max max E O P P 放大电路的输出没有失真的工作方式称为放大电路的输出没有失真的工作方式称为甲类放大甲类放大。 )sin( tII iIi cmCQ cCQC L SC CQSC T C SC T CSCE R U IUdti T U dtiU T P 2 1 2 00 1. 直流电源输出的功率直流电源输出的功率 2. 最大负载功率最大负载功率 3. 最大效率最大效率 (RL=RE时时) 第8页/共51页 10 怎样提高输出功率怎样提高输出功率 ？ 问题讨论问题讨论2: 第9页/共51页

7、 11 如何解决效率低的问题？如何解决效率低的问题？ 办法：办法：降低降低Q点。点。 既降低既降低Q点又不会引起截止失真的办法：点又不会引起截止失真的办法：采用采用 推挽输出电路，推挽输出电路，或或互补对称射极互补对称射极 输出器。输出器。 缺点：缺点：但又会引起截止失真。但又会引起截止失真。 问题讨论问题讨论3: 第10页/共51页 12 问题二：互补对称功率放大电路的基本原理问题二：互补对称功率放大电路的基本原理 互补对称功放的类型互补对称功放的类型 无输出变压器形式无输出变压器形式 （ OTL电路）电路） 无输出电容形式无输出电容形式 （ OCL电路）电路） OTL: Output Tr

8、ansformerLess OCL: Output CapacitorLess 互补对称：互补对称：电路中采用两支晶体管，电路中采用两支晶体管，NPN、 PNP各一支；两管特性一致。各一支；两管特性一致。 类型：类型： 第11页/共51页 13 1、 无输出电容的互补对称功放电路无输出电容的互补对称功放电路 一、工作原理（设一、工作原理（设ui为正弦波）为正弦波） 电路的结构特点：电路的结构特点： u i - USC T1 T2 u o +US C RL iL 1. 由由NPN型、型、PNP型三极型三极 管构成两个对称的射管构成两个对称的射 极输出器对接而成。极输出器对接而成。 2. 双电源供

9、电。双电源供电。 3. 输入输出端不加隔直输入输出端不加隔直 电容。电容。 第12页/共51页 14 ic1 ic2 动态分析：动态分析： ui 0VT1截止，截止，T2导通导通 ui 0VT1导通，导通，T2截止截止 iL= ic1 ; u i - USC T1 T2 u o +US C RL iL iL=ic2 T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方两个晶体管都只在半个周期内工作的方 式，称为式，称为乙类放大乙类放大。 因此，不需要隔直电容。因此，不需要隔直电容。 静态分析：静态分析： ui = 0V T1、T2均不工作均不工作 uo = 0V 第13页/共51页 15 乙类放大的输

10、入输出波形关系乙类放大的输入输出波形关系: ui -USC T1 T2 uo +USC RL iL 交越失真交越失真 死区电死区电 压压 ui u o uo u o t t t t 交越失真：交越失真：输入信号输入信号 ui在过零在过零 前后，输出信号出现的失真便前后，输出信号出现的失真便 为交越失真。为交越失真。 第14页/共51页 16 ui -USC T1 T2 uo +USC RL iL (1) 静态电流静态电流 ICQ、IBQ等于零；等于零； (2) 每管导通时间等于半个周期每管导通时间等于半个周期 ； (3) 存在交越失真。存在交越失真。 乙类放大的特点：乙类放大的特点： 第15页

11、/共51页 17 二、最大输出功率及效率的计算二、最大输出功率及效率的计算 假设假设 ui 为正弦波且幅度足够为正弦波且幅度足够 大，大，T1、T2导通时均能饱和，此时导通时均能饱和，此时 输出达到最大值。输出达到最大值。 ULmax 负载上得到的最大功率为：负载上得到的最大功率为： iL -USC RL ui T1 T2 UL +USC 若忽略晶体管的饱若忽略晶体管的饱 和压降，和压降，则负载（则负载（RL)上的上的 电压和电流的最大幅值分电压和电流的最大幅值分 别为：别为： L SC Lm SCLm R U I UU max max L SC L SCSC o R U R UU P 2 1

12、 22 2 max 第16页/共51页 18 电源提供的直流平均功率计算：电源提供的直流平均功率计算： 每个电源中的电流为半个正弦波，其平均值为每个电源中的电流为半个正弦波，其平均值为: 两个电源提供的总功率为：两个电源提供的总功率为： USC1 =USC2 =USC 0 1 )(sin 2 1 L SC L SC av R U ttd R U I L SC avav R U II 12 L SC L SC SCEEE R U R U UPPP 2 21 2 2 t ic1 L SC R U 第17页/共51页 19 %5 .78 4 2 2 2 2 max L SC L SC E o R U

13、 R U P P 效率为：效率为： L SC L SC SCEEE R U R U UPPP 2 21 2 2 L SC L SCSC o R U R UU P 2 1 22 2 max 第18页/共51页 20 三、电路的改进三、电路的改进 1. 克服交越失真克服交越失真 交越失真产生的原因：交越失真产生的原因： 在于晶体管特性存在在于晶体管特性存在 非线性，非线性，ui IB，则，则 2 21 R RR UU BE 第22页/共51页 24 3. 电路中增加复合管电路中增加复合管 增加复合管的目的是：增加复合管的目的是：扩大电流的驱动能力。扩大电流的驱动能力。 复合管的构成方式：复合管的构

14、成方式： c b e T1 T2 ib ic b e c ib ic 方式一：方式一： bccc bc bebbc iiii ii iiiii )1 ( , ,)1 (, 12121 222 11211 第23页/共51页 25 b e c ib ic 1 2 晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。 方式二：方式二： c b e T1 T2 ib ic 复合管构成方式很多。不论哪种等效方式，等效复合管构成方式很多。不论哪种等效方式，等效 后晶体管的性能确定均如下：后晶体管的性能确定均如下： 第24页/共51页 26 改进后的改进后的OCL准互补输出功放

15、电路：准互补输出功放电路： T1：电压推动级电压推动级 T1、R1、R2： UBE倍增电路倍增电路 T3、T4、T5、T6： 复合管构成的输出级复合管构成的输出级 准互补准互补 输出级中的输出级中的T4、T6均为均为NPN 型晶体管，两者特性容易对称型晶体管，两者特性容易对称 。 +USC -USC R1 R2 RL ui T1 T2 T3 T4 T5 T6 第25页/共51页 27 -UEE +UCC E RC T1 RC T2 T5T6 RC3 RE2 RC4 RE3 T7 T9 T8 RE4 RE5 T1 1 T1 0 R L 第第4 4级：互补对称射极跟随器级：互补对称射极跟随器 差动

16、放大器差动放大器 第第2级级 第第1级：级：差动放大器差动放大器 第第3级：级：单管放大器单管放大器 集成运放内部的功率放大器集成运放内部的功率放大器 第26页/共51页 28 2、无输出变压器的互补对称功放电路、无输出变压器的互补对称功放电路 一、特点一、特点 1. 单电源供电；单电源供电； 2. 输出加有大电容。输出加有大电容。 二、静态分析二、静态分析 则则 T1、T2 特性对称，特性对称， , 2 SC A U U 2 SC C U U 2 SC i U u 令：令： 0.5USC RL ui T1 T2 +USC C A UL +- UC 第27页/共51页 29 三、动态分析三、动

17、态分析 设输入端在设输入端在 0.5USC 直流电平直流电平基础上加入正弦信号。基础上加入正弦信号。 若输出电容足够大，若输出电容足够大， UC基本基本 保持在保持在0.5USC ，负载上得到，负载上得到 的交流信号正负半周对称，的交流信号正负半周对称， 但存在交越失真。但存在交越失真。 ic1 ic2 交越失真交越失真 RL ui T1 T2 +USC C A UL +- 时，时，T1导通、导通、T2截止；截止； 2 SC i U u 时，时， 2 SC i U u T1截止、截止、 T2导通。导通。 0.5USC ui t 第28页/共51页 30 四、输出功率及效率四、输出功率及效率 若

18、忽略交越失真的影响，且若忽略交越失真的影响，且 ui 幅度足够大。则：幅度足够大。则： L SC Lm SC Lm R U I U U 22 maxmax 、 L SCLmLm L R UIU P 822 2 maxmax max L SC avSCE R U IUP 2 2 )(sin 22 1 0 ttd R U I L SC av %5 .78 4 max E L P P uLULmax ui 2 SC U t t 第29页/共51页 31 实用实用OTL互补输出功放电路互补输出功放电路 调节调节R,使静态使静态 UAQ=0.5USC D1 、 D2使使b1和和b2之间的之间的 电位差等

19、于电位差等于2个二极管正个二极管正 向压降，克服交越失真。向压降，克服交越失真。 Re1 、 Re2：电阻值：电阻值12 ，射极负反馈电阻，也，射极负反馈电阻，也 起限流保护作用。起限流保护作用。 D 1 D2 ui +USC RL T1 T2 T3 C R B Re1 Re 2 b1 b2 A 第30页/共51页 32 实际功放电路实际功放电路 这里介绍一个实用的这里介绍一个实用的OCL准互补功放电路。准互补功放电路。 其中主要环节有其中主要环节有 ： (1) 恒流源式差动放大输入级（恒流源式差动放大输入级（T1、T2、T3）；）； (2) 偏置电路（偏置电路（R1、D1、D2）；）； (3

20、) 恒流源负载（恒流源负载（T5）；）； (4) OCL准互补功放输出级（准互补功放输出级（T7、T8、T9、 T10）；）； (5) 负反馈电路（负反馈电路（Rf、C1、Rb2构成交流电压串联负反馈构成交流电压串联负反馈 ）；）； (6) 共射放大级（共射放大级（T4）；）； (7) 校正环节（校正环节（C5、R4）；）； (8) UBE倍增电路（倍增电路（T6、R2、R3）；）； (9) 调整调整输出级工作点元件输出级工作点元件（Re7、Rc8、Re9、Re10）。）。 第31页/共51页 33 +24V ui RL T7 T8 RC8 -24V R2 R3 T6 Rc1 T1T2 Rb1

21、Rb2 C1 Rf R1 D1 D2 T3 Re3 T4 Re4 C2 T5 Re5 C3 C4 T9 T10 Re10 Re7 Re 9 C5 R4 BX 差动放大级差动放大级 反馈级反馈级 偏置电路偏置电路 共射放大级共射放大级 UBE 倍增倍增 电路电路 恒流源恒流源 负载负载 准互补功放准互补功放 级级 保险管保险管 负载负载 实用的实用的OCL准互补功放电路：准互补功放电路： 第32页/共51页 34 输出功率的估算：输出功率的估算： 输出电压的最大值约为输出电压的最大值约为 19.7V，设负载，设负载 RL= 8 则最大输出功率为：则最大输出功率为： 实际输出功率约为实际输出功率约

22、为 20W。 注：注：该实用功放电路的详细分析计算请参考该实用功放电路的详细分析计算请参考 模拟电子技术基础模拟电子技术基础（童诗白主编）。（童诗白主编）。 W3 .24 8 1 2 7 .19 2 max P 第33页/共51页 35 利用变压器的阻抗变换功能，可实现功放电路和负利用变压器的阻抗变换功能，可实现功放电路和负 载间的匹配，以弥补其它类型功放电路的不足。载间的匹配，以弥补其它类型功放电路的不足。 一、特点一、特点 例：例： OCL电路中电路中，若若 RL=80 、需要输出功率需要输出功率 PO=50W 。 根据公式根据公式 L SC o R U P 2 2 max 得电源电压：得

23、电源电压： V9025080 SC U 90V的电压的电压对电子电路显然不合适。对电子电路显然不合适。 利用变压器阻抗变换关系利用变压器阻抗变换关系( RL = K2 RL)，把阻抗变，把阻抗变 小，便可解决以上问题。小，便可解决以上问题。 变压器耦合式功放电路变压器耦合式功放电路 第34页/共51页 36 （变阻抗）（变阻抗） 1 i 1 u 2 u 2 i L R 1 N 2 N 变压器原、副边阻抗关系变压器原、副边阻抗关系 LL RKR 2 2 2 I U RL 从原边等效：从原边等效： 22 2 2 2 2 1 1 KRK I U K I KU I U R LL 结论：结论：变压器原边

24、的等效负载，为副边所带负载变压器原边的等效负载，为副边所带负载 乘以变比的平方。乘以变比的平方。 第35页/共51页 37 二、乙类变压器耦合式推挽功率放大器二、乙类变压器耦合式推挽功率放大器 1.1.原理电路原理电路 ui T2 T1 RL + - USC iL N2 N1 N1 放大器：放大器：由两个共射极放大器组成，两个三极管由两个共射极放大器组成，两个三极管 的射极接在一起。的射极接在一起。 第36页/共51页 38 输入变压器：输入变压器：将输入信号分成两个大小相等相位相将输入信号分成两个大小相等相位相 反的信号，分别送两个放大器的基极，使反的信号，分别送两个放大器的基极，使 T1、

25、 T2 轮流导通。轮流导通。 输出变压器：输出变压器：将两个集电极输出信号合为一个信号，将两个集电极输出信号合为一个信号， 耦合到副边输出给负载。耦合到副边输出给负载。 ui T2 T1 RL + - USC iL N2 N1 N1 第37页/共51页 39 ui T2 T1 RL +- USC iL N2 N1 N1 2. 动、静态分析动、静态分析 静态分析：静态分析： ui = 0 ， T1、T2 均截止，均截止，iL = 0 。 变压器线圈对于直流相当于短路。变压器线圈对于直流相当于短路。 第38页/共51页 40 ui T2 T1 RL +- USC iL N2 N1 N1 动态分析：

26、动态分析： ui 0 时：时： T1导通、导通、T2 截止，截止，ic1 经变压器耦合经变压器耦合 给负载，给负载，iL的方向由的方向由 ic1决定。决定。 若若ui 为正弦信号，则为正弦信号，则 iL近似为正弦波。近似为正弦波。 ui 0 时：时： T2导通、导通、T1截止，截止，ic2 经变压器耦合经变压器耦合 给负载，给负载，iL的方向由的方向由 ic2决定。决定。 ic2 ic1 T1、T2都只在半个周期内工作，存在都只在半个周期内工作，存在交越失真交越失真。 第39页/共51页 41 3. 输出功率及效率输出功率及效率 分析方法和前述互补对称功放电路类似，请分析方法和前述互补对称功放

27、电路类似，请 自行分析。这里的负载为变压器原边等效负自行分析。这里的负载为变压器原边等效负 载载 RL。 ui T2 T1 RL +- USC iL N2 N1 N1 LL R N N R 2 2 1 第40页/共51页 42 三、甲乙类变压器耦合式推挽功率放大器三、甲乙类变压器耦合式推挽功率放大器 Rb1、 Rb2、 Re 的作用：的作用：克服交越失真。克服交越失真。 USC T1 T2 RL iL ui Re Rb2 Rb1 第41页/共51页 43 两个三极管都构成静态工作点稳定的共射极放大两个三极管都构成静态工作点稳定的共射极放大 器。其静态工作点都设在刚刚超过截止区，器。其静态工作点都设在刚刚超过截止区， IB很很 小，小，IC 也很小，从而降低了直流功耗。也很小，从而降低了直流功耗。 直流通道