项目5 功率放大电路

1、项目五 音频功率放大电路模拟电子技术项目化教程项目概述在实用电子电路中，往往要求放大电路的末级（输出级）输出有足够大的信号功率去驱动负载，如扬声器、继电器、指示表头或显示器等，这就要求末级电路不但要输出大幅度的电压，而且要输出大幅度的电流，即输出足够大的功率。这种向负载提供不失真功率的电路，称为功率放大器，简称功放。根据放大信号频率的高低，功放分为低频功放和高频功入，本章只讨论低频功放。本章先介绍功放的特点、分类和主要性能指标，然后围绕功放的输出功率、效率和非线性失真之间的解决措施，分析几种主要的功放电路。项目引导教学目的教学目的：1功放电路特点、分类、对功放电路要求；低频功放电路主要技术指标

2、。 2OCL、OTL电路组成、工作原理、性能参数估算方法。常用集成功率放大器（LM386、TDA2030等）引脚功能，其主要技术指标。集成功放应用电路组成、外接元器件作用，会估算闭环增益。 3音频功放电路的仿真与调试。4音频功放电路的制作与调试；用万用表检测各种元器件。5电路常见故障排查。项目引导项目要求：项目要求：1工作任务：音频功放电路的设计、制作与调试2性能指标：输出最大不失真功率0.5W。项目引导参考电路：参考电路：项目引导项目咨询：项目咨询：工作任务学习目标任务一认识功率放大电路1了解功放电路特点、分类、对功放电路要求。；2熟悉低频功放电路主要技术指标；3熟悉OCL、OTL电路组成、

3、工作原理、性能参数估算方法；4掌握交越失真产生原因、消除交越失真方法；5掌握构成复合管组成原则和特点。任务二常用集成功率放大电路1熟悉常用集成功率放大器（LM386、TDA2030、LM1875等）引脚功能，了解其主要技术指标。熟悉集成功放应用电路组成、外接元器件作用，会估算闭环增益；2能应用仿真软件Multisim进行仿真电路的连接，并使用示波器观察、测量输出波形。1功率放大器的特点任务1：认识功率放大电路5.1.1 功放电路概述 能够向负载提供足够不失真功率的放大电路称为功率放大电路（Power amplifier），简称功放。 从能量控制的观点来看，功率放大电路与电压放大电路都属于能量转

4、换电路，均将电源的直流功率转换成被放大信号的交流功率。两种电路的比较如下表所示： 1)、应有足够大的输出功率。2)、效率要尽可能的高。3)、非线性失真要小。4)、功率管要采取散热等保护措施。 2功率放大电路的要求任务1：认识功率放大电路5.1.1 功放电路概述1）按静态工作点分类 3功率放大电路的分类任务1：认识功率放大电路5.1.1 功放电路概述 2）按信号频率分类(1)低频 本章讨论(2)高频 高频电路中讨论 3功率放大电路的分类任务1：认识功率放大电路5.1.1 功放电路概述 Iom表示输出电流振幅，Uom表示输出电压振幅。omomomomo212121UIUIP 1）最大输出功率Pom

5、 输出功率Po等于输出电压与输出电流的有效值乘积，即 最大输出功率Pom是在电路参数确定的情况下，负载上可能获得的最大交流功率。 3功率放大电器的主要性能指标任务1：认识功率放大电路5.1.1 功放电路概述PPVo就是负载上得到的有用信号功率Po与电源供给的直流功率PV之比 1）效率 3功率放大电器的主要性能指标任务1：认识功率放大电路5.1.1 功放电路概述式中，Im1、Im2、Im3和Um1、Um2、Um3分别表示输出电流和输出电压中的基波分量和各次谐波分量的振幅。 UUUIIITHD2m32m2m12m32m2m111THD用来衡量非线性失真的程度，即： 1）非线性失真系数THD 3功率

6、放大电器的主要性能指标任务1：认识功率放大电路5.1.1 功放电路概述1基本电路及其工作原理任务1：认识功率放大电路5.1.2 OCL放大电路双电源互补对称电路又称无输出电容的功放电路，简称OCL电路，其原理电路如图所示。图中V1、V2为导电类型互补（NPN、 PNP）且性能参数完全相同的功放管。两管均接成射极输出电路以增强带负载能力。 1）静态分析 静态时两管零偏而截止, 故静态电流为零，又由于两管特性对称，故两管输出端的静态电压为零。2）动态工作情况 电路输入如上图（b）所示的正弦信号。(1)在ui正半周期间， V1发射结正偏而导通，V2发射结反偏而截止。(2)在ui负半周期间，V1发射结

7、反偏截止，V2发射结正偏导通。 V1、V2两管分别在正、负半周轮流工作，使负载RL获得一个完整的正弦波信号电压，如上图（c）所示。1基本电路及其工作原理任务1：认识功率放大电路5.1.2 OCL放大电路当输入信号足够大时，Ucem=VCCUCE(sat)VCC，则 RUUIPL2cemcemcmo2121L2CCLsat)(CECC2L2cemom212121RVRUVRUP）（1）最大输出功率Pom由图可见，IomIcm，UomUcem，得 2电路性能参数计算任务1：认识功率放大电路5.1.2 OCL放大电路LcemCCcmCCCCavEEavCCavV2=2=2=+=RUVIVVIVIVI

8、P 根据傅里叶级数分解，周期性半波电流的平均值IavIcm / ，因此正负电源供给的直流功率 2）直流电源供给功率PV 2电路性能参数计算任务1：认识功率放大电路5.1.2 OCL放大电路）（）（41=21=2cemcemCCLoVC1UUVRPPP (2)输出最大功率时的管耗Pc1(UcemVcc) Pc1(Ucem)0.137Pom。 (3)最大管耗 当 Ucem= 时出现最大管耗，且为Pcm10.2Pom。CC2V (1)平均管耗 由于V1、V2各导通半个周期，且两管对称，故两管的管耗相同，每只管子的平均管耗为 ：3）管耗PC 2电路性能参数计算任务1：认识功率放大电路5.1.2 OCL

9、放大电路CCcemVo4VUPP当电路输出最大功率时，UcemVCC， 5 .784m4）效率2电路性能参数计算任务1：认识功率放大电路5.1.2 OCL放大电路omcm1CM20P.PPCC(BR)CEO2VULCCCMRVI功放管的极限参数有PCM、ICM、U（BR）CEO，应满足下列条件 1）、功放管集电极的最大允许功耗2）、功放管的最大耐压U（BR）CEO 当一只管子饱和导通时，另一只管子承受的最大反向电压为2VCC。 3）、功放管的最大集电极电流3功放管的选择任务1：认识功率放大电路5.1.2 OCL放大电路例1 OCL电路的VCC Vcc 20V，负载RL8，功放管如何选择？ 解：

10、（1）最大输出功率 W25W82021212L2CComRVPW5W252 . 02 . 0omCMPPV40V2022CC(BR)CEO VUA5 . 2A820LCCCMRVI任务1：认识功率放大电路5.1.2 OCL放大电路3功放管的选择1）交越失真 乙类放大电路静态IC为零，效率高。但只有当信号电压大于导通电压时，管子才能导通。因此，当信号电压小于导通电压时，就没有电压输出。因此，信号在过零点附近，其波形会出现失真，称为交越失真，如图所示。 任务1：认识功率放大电路5.1.2 OCL放大电路4交越失真及其消除2）交越失真消除为了消除交越失真，应为两功放管提供一定的偏置，一般采用如图5.

11、2.4所示电路。其中，V3组成电压放大级，Rc为其集电极负载电阻， VD1、VD2正偏导通，和RP一起为V1、V2提供偏压，使V1、V2在静态时处于微导通状态，即处于甲乙类工作状态。此外，VD1、VD2还有温度补偿作用，使V1 、V2管的静态电流基本不随温度的变化而变化。 任务1：认识功率放大电路5.1.2 OCL放大电路4交越失真及其消除在上图电路中，若RP、 VD1、VD2中任一元件虚焊，则从+VCC经Rc，V1管发射结、V2管发射结、V3集电极-发射极、Re到Vcc形成一个通路，有较大的基极电流IB1和IB2流过，从而导致V1、 V2管因功耗过大而损坏。故常在输出回路中串接熔断器以保护功

12、放管和负载。3）电路装配注意事项 任务1：认识功率放大电路5.1.2 OCL放大电路4交越失真及其消除 例2 甲乙类互补对称功放电路如图5.2.4所示，VCC12V，RL35，两个管子的UCE(sat)2V，试求（1）最大不失真输出功率；（2）电源供给的功率；（3）最大输出功率时的效率。 W43. 121LCE(sat)CC2omRUVP）（W2 . 22Lsat)(CECCCCRUVVP）（V654CCCE(sat)CCmVUV解：任务1：认识功率放大电路5.1.2 OCL放大电路OCL电路线路简单、效率高，但要采用双电源供电，给使用和维修带来不便。采用单电源供电的互补对称电路， 称 为 无

13、 输 出 变 压 器 （ O u t p u t transformerless）的功放电路，简称OTL电路，如图所示。其特点是在输出端负载支路中串接了一个大容量电容C2。 任务1：认识功率放大电路5.1.3 OTL放大电路 1、 电路组成与工作原理 1)电路组成 V3组成电压放大级，Rc1为其集电极负载，V3的偏置由输出A点电压通过RP和R1提供，组成电压并联直流负反馈组态，稳定静态工作点。VD1、VD2为二极管偏置电路，为V1、V2提供偏置电压。V1、V2组成互补对称电路。2) C2的作用 C2容量很大，满足RLC2T（信号周期），有信号输入时，电容两端电压基本不变，可视为一恒定值VCC/

14、2。该电路就是利用大电容的储能作用，来充当另一组电源Vcc。此外，C2还有隔直作用。任务1：认识功率放大电路5.1.3 OTL放大电路3）工作原理该电路工作原理与OCL电路相似。(1)当ui0，V1正偏导通，V2反偏截止。经V1放大后的电流经C2送给负载RL，且对C2充电，RL上获得正半周电压。(2) 当ui0，V1反偏截止，V2正偏导通，C2放电，经V2放大的电流由该管集电极经RL和C2流回发射极，负载RL上获得负半周电压。(3)输出电压uo的最大幅值约为VCC/2。任务1：认识功率放大电路5.1.3 OTL放大电路 1、 电路组成与工作原理 OTL电路与OCL电路相比，每个管子实际工作电源

15、电压不是VCC，而是VCC/2，故计算OTL电路的主要性能指标时，将OCL电路计算公式中的参数VCC全部改为VCC/2即可。 任务1：认识功率放大电路5.1.3 OTL放大电路4）电路性能参数计算 1、 电路组成与工作原理 1)、复合管输出功率较大的电路，应采用较大功率的功率管。但大功率管的电流放大系数往往较小，且选用特性一致的互补管也比较困难。故在实际应用中，用复合管（Darlington connection）来解决这两个问题。复合管是指用两只或多只三极管按一定规律进行组合，等效成一只三极管，复合管又称达林顿管。复合管的组合方式如图5.2.6所示。任务1：认识功率放大电路5.1.3 OTL

16、放大电路 2、采用复合管的互补对称功率放大电路1)、复合管任务1：认识功率放大电路5.1.3 OTL放大电路 2、采用复合管的互补对称功率放大电路四种常见的复合管复合管具有如下特点：（1）复合管的导电类型取决于前一只管子：即iB向管内流者等效为NPN管,如上图a、d所示。iB向管外流者等效为PNP管，如上图b、c所示。（2）复合管的电流放大系数12。 （3）组成复合管的各管各极电流应满足电流一致性原则，即串接点处电流方向一致，并接点处保证总电流为两管输出电流之和。 任务1：认识功率放大电路5.1.3 OTL放大电路 2、采用复合管的互补对称功率放大电路1)、复合管2采用复合管的OTL实用电路

17、右图为采用复合管组成的OTL功率放大器，这种电路又称为 准 互 补 对 称 （ Q u a s i complementary circuit）功率放大器。其中，V1组成激励级，它的基极偏压取自于中点电位VCC。RP1引入交直流电压并联负反馈。V2、V4复合成NPN管，V3、V5复合成PNP管。任务1：认识功率放大电路5.1.3 OTL放大电路当V1集电极输出正半周信号电压时，V2、V4导通，V3、V5截止，被放大的正半周信号电流经C送到负载RL上，形成正半周输出电压，同时，C上被充上VCC/2的电压。当V1集电极输出负半周信号电压时，V2、V4截止，V3、V5导通，此时，电源VCC不供电，由

18、C放电提供V3、V5工作所需直流功率，在负载上形成负半周输出电压。它与正半周输出电压合成一个完整的正弦波形。2采用复合管的OTL实用电路任务1：认识功率放大电路5.1.3 OTL放大电路任务2：常用集成功率放大电路5.2.1 TDA2030集成功率放大电路1、 TDA2030集成功放主要技术指标及引脚排列 TDA2030与性能类似的其他产品相比，具有引脚数最少、外接元件很少的优点。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。 TDA2030引脚排列如图所示。 任务2：常用集成功率放大电路5.2.1

19、 TDA2030集成功率放大电路1、 TDA2030集成功放主要技术指标及引脚排列 TDA2030市场上有一些伪品，可用以下方法判断芯片真伪及其性能参数是否正常。 1）.电阻法 正常情况下TDA2030各脚对脚阻值如下表所示 任务2：常用集成功率放大电路5.2.1 TDA2030集成功率放大电路2、 TDA2030集成功率放大器及其应用 2）.电压法 将TDA2030接成OTL电路，去掉负载，脚用电容对地交流短路，然后将电源电压从036V逐渐升高，用万用表测电源电压和脚对地电压，若TDA2030性能完好，脚电压应始终为电源电压得一半。否则说明该芯片为伪品或残次品。说明电路内部对称性差，用作功率

20、放大器将产生失真。 任务2：常用集成功率放大电路5.2.1 TDA2030集成功率放大电路2、 TDA2030集成功率放大器及其应用 TDA2030接成OCL（双电源）典型应用电路如图所示。任务2：常用集成功率放大电路5.2.1 TDA2030集成功率放大电路2、 TDA2030实用电路 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 231RRAufC5、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，可在输出端脚与正、负电源接一反偏二极管组成输出电压限幅电

21、路。 任务2：常用集成功率放大电路5.2.1 TDA2030集成功率放大电路2、 TDA2030实用电路 TDA2030接成OTL（单电源）典型应用电路如图所示。 任务2：常用集成功率放大电路5.2.1 TDA2030集成功率放大电路2、 TDA2030实用电路 图中，R1与R2组成集成电路单电源供电的直流偏置电路，使 OUUU=+R3是为提高功放电路的交流输入电阻而设置，本电路的Ri= R3=22k。TDA2030接成OTL（单电源）典型应用电路如图所示。 任务2：常用集成功率放大电路5.2.1 TDA2030集成功率放大电路2、 TDA2030实用电路 （a)外形图 （b)管脚排列图 1、

22、外形、管脚排列及内电路 LM 386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； LM 386的外形与管脚图如图5.3.3所示，它采用8脚双列直插式塑料封装。 任务2：常用集成功率放大电路5.2.2 LM386集成功率放大器及其应用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50 k，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内部电路图 LM386的内部原理电路如图所示。 1、外形、管脚排列及内电路 任务2：常用集成功率放大电路5.2.2 LM386集成功率放大

23、器及其应用RRRRA/2435uf当引脚、之间对交流信号相当于短路时 200235ufRRA所以，当 、脚外接不同阻值电阻时，Au的调节范围为20200（2646dB）。 1)主要性能指标 LM386-4的电源电压范围为518v。当电源电压为6V时，静态工作电流为4mA。当Vcc=16V，RL=32时输出功率为1W。、脚开路时带宽300kHZ，总谐波失真为0.2%,输入阻抗为50K。2)估算设引脚、脚间外接电阻R，则2、主要性能指标及估算任务2：常用集成功率放大电路5.2.2 LM386集成功率放大器及其应用3、LM386应用电路 用LM386组成的OTL功放电路如图所示，信号从3脚同相输入端

24、输入，从5脚经耦合电容(220F)输出。 任务2：常用集成功率放大电路5.2.2 LM386集成功率放大器及其应用LM1875广泛用于汽车立体收录机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。它形如一只中功率管，外围电路简单。该集成电路设有过载过热及感性负载反向电势安全工作保护，是中高档音响的理想选择之一。LM1875的外形与管脚图如图所示，其中1脚为反相输入端，2脚为同相输入端，3脚为接地端，4脚为电源端，5脚为输出端。 任务2：常用集成功率放大电路5.2.3 LM1875高保真集成功率放大电路任务2：常用集成功率放大电路5.2.3 LM1875高保真集成功率放大电路LM1875的主要参数：单电压：1560V，或30V；工作电压：25V；静