项目六低频功率放大器

1、6.1 概述6.2 互补推挽功率放大器6.3 其它形式的功放电路工程六 低频功率放大器返回主目录6.1.1 功率放大器的主要指标6.1.2 功率放大器的分类 6.1 概述工程六 低频功率放大器6.1 概述 6.1.1 功率放大器的主要指标 1. 输出功率Po 功率放大器应给出足够大的输出功率Po以推动负载工作。为此，功放管一般工作在大信号状态, 以不超过管子的极限参数ICM、U(BR)CEO、PCM为限度。这就使功放管平安工作成为功率放大器的重要问题。 2. 效率 功率放大器的效率定义为功率放大器的输出信号功率Po直流电源供给功率放大器功率PE之比, 用表示，即 = 功率放大器要求高效率地工作

2、，一方面是为了提高输出功率，另一方面是为了降低管耗。直流电源供给的功率除了一局部变成有用的信号功率以外，剩余局部变成晶体管的管耗PT(PT=PE-Po)。 管耗过大将使功率管发热损坏。所以，对于功率放大器，提高效率也是一个重要问题。 3. 非线性失真 功率放大器为了获得足够大的输出功率，需要大信号鼓励， 从而使信号动态范围往往超出晶体管的线性区域，导致输出信号失真。因此减小非线性失真，成为功率放大器的又一个重要问题。 概括起来说，要求功率放大器在保证晶体管平安运用的情况下，获得尽可能大的输出功率、尽可能高的效率和尽可能小的非线性失真。 6.1.2 功率放大器的分类 功率放大器根据功放管导通时间

3、的长短或集电极电流流通时间的长短或导通角的大小, 分为以下4种工作状态: 1甲类工作状态。甲类工作状态下，在整个周期内晶体管的发射结都处于正向导通, 即导通角等于180, 如图6 - 1a所示。甲类工作状态又称为A类工作状态。 2乙类工作状态。乙类工作状态下，晶体管的发射结在输入信号的半个周期正向导通, 在另外半个周期反向截止, 晶体管半周导电半周截止。 集电极电流只在半周内随信号变化, 而在另外半个周期截止, 即导通角等于90, 如图6 - 1b所示。 乙类工作状态又称为B类工作状态。 3甲乙类工作状态。它是介于甲类和乙类之间的工作状态, 即发射结处于正向导通的时间超过半个周期, 但小于一个

4、周期, 即导通角大于90小于180, 如图6 - 1c所示, 甲乙类工作状态又称为AB类工作状态。 4丙类工作状态。丙类工作状态下，晶体管发射结处于正向导通的时间小于半个周期, 集电极电流流通的时间还不到半个周期, 即导通角小于90, 如图6 - 1d所示。丙类工作状态又称为C类工作状态。 图 6 - 1放大器工作状态的类型a 甲类; b 乙类; c 甲乙类; d 丙类 由图6 - 1可以看出，在相同鼓励信号作用下，丙类功放集电极电流的流通时间最短，一个周期平均功耗最低，而甲类功放的功耗最高。分析说明，相同输入信号下如果维持输出功率不变，4类功放的效率满足：甲甲乙乙2EC, 这也是选择功放管的

5、一条依据。 6. 功放管的最大允许电流 功放管处于导通状态时,流过管子的最大电流为Ucem/RLEC/RL, 所以, 功放管的集电极最大允许电流必须大于该值, ICM 6.2.3 乙类推挽功率放大器的非线性失真选讲 1. 推挽电路对偶次谐波的抑制 在推挽放大器中, 假设两管的特性完全一致, 那么它们的电流、电压波形完全对称，这样, iC1、iC2可分别写成 iC1=I0+Icm1 cos(1t+1)+Icm2cos(21t+2)+ +Icmncos(n1t+n)+ (5 - 17a) iC2=I0+Icm1cos(1t+1)+Icm2cos(21t+2+2)+ 而由图6- 2a可知iL=iC1

6、-iC2=2Icm1cos(1t+1)+2Icm3cos(31t+3)+ 可见输出电流或电压中没有偶次谐波成分, 即推挽电路可以抑制偶次谐波。 实际上由于两管特性的差异及电路的不完全对称, 输出电流或电压中总会有些偶次谐波成分, 这就要求尽量精选配对管子, 减小非线性失真。 2. 交越失真与工作点的选择 iC1、iC2在开始导通的一段时间里增长很慢, 当iC1与iC2相互交替时, iC1iC2的波形和正弦波形相差较大, 如图6 - 5所示。这种乙类推挽放大器所特有的失真称为交越失真。 图 6 5 交越失真 为了消除交越失真, 可分别给两只晶体管的发射结加很小的正偏压, 让两只晶体管各有一个很小

7、的电流ICQ流过。这样, 既可以根本上消除交越失真, 又不会对效率有很大的影响。图6 - 6示出了加正偏压后, 对应负载电流iC1iC2的波形。 严格地讲, 此时晶体管已工作在甲乙类状态, 但由于正偏压较小, 静态电流很小, 所以一般仍称它为乙类功率放大器, 其分析计算也按乙类功率放大器对待, 以区别静态电流较大的甲乙类功率放大器。 乙类推挽功率放大器加正向偏置的常用形式如图6- 7所示。 图 6 6 交越失真的消除 图 6 7 消除交越失真的实际电路 对于图6 - 7a电路, 正向偏压是利用IC1流过R1产生直流压降, 为V2、3推挽管提供需要的偏压 UBE2=UBE3 对于图6 - 7b电

8、路, 利用二极管由三极管V4、V5连接而得，为V2、V3提供所需的正向偏压。 UBE2=UBE3=UD2 对于图6 - 7c电路,V1、 R1、 R2组成的恒压源电路为V2、V3管提供所需偏压。由图可知 忽略IB, 那么IR1R2, 于是不难得到 UBBUBE1+ 调整R1、R2的比值, 可改变V2, V3 基极间的电压, 即可得任意倍数UBE的UBB, 所以通常称该电路为UBE倍增电路。 以上讨论的互补对称推挽电路, 由于采用正负两组电源供电, 当无输入信号时, 静态输出电位为零, 负载RL可直接连到功放电路输出端, 不需要输出耦合电容, 因此这种电路又称OCLOutput Capacito

9、r Less电路。 6.4 其他形式的功放电路 6.4.1 单电源供电的互补推挽电路 双电源互补推挽电路有时使用不便, 因此提出单电源供电的互补推挽电路, 如图6 - 9所示。 V1组成鼓励级, 工作在甲类放大状态。V2、V3组成互补推挽功放级, 输出端通过大电容C2与负载RL相接。由V1的静态电流在电阻R4两端产生的电压U BB为2、 V3提供正向偏置电压, 以消除交越失真。 图 6 9 OTL电路 C3用来旁路R4, 使加到V2、V3基极的鼓励信号电压相等。 调整鼓励级V1的静态工作点改变电阻R1, 使B点电位UB约等于EC/2+0.7V, 那么UE=EC/2。 由于C2容量很大大于200

10、 F, 其充放电时间常数远大于信号的半个周期, 所以在两管轮流导通时, 电容器两端电压根本不变, 恒等于EC/2。因此V2和V3两管的等效电源电压为EC/2, 这与图6 - 2a正负两组电源供电情况是相同的。图6 - 9所示的推挽电路的输出功率、效率、功耗等的计算方法与图6 - 2a电路的也完全相同, 只需用EC/2取代公式中的EC即可, 这里不再重复。 图6 - 9所示电路又称为OTLOutput Trantsformer Less电路。 6.6.2 准互补推挽功率放大器 1. 复合管的构成 图6 - 10为复合管的两种形式。图a为两只NPN管等效一只NPN管, 这种复合接法称为达林顿接法;

11、 图b中V1为PNP管, V2为NPN管, 二者等效一只PNP管。 可见，复合管的类型取决于第一个晶体管的类型。在构成复合管时应保证两管的基极电流能流通，而且第一管的集电结不能和第二管的发射结接在一起, 以免集电结电压受发射结电压的限制。 2 准互补推挽电路 图6- 11所示是一准互补OTL电路。图中V1、V3等效为NPN管, V2、V4等效为PNP管。V3、V4是同类晶体管, 不具互补性；互补作用是靠V1、V2实现的, 这毕竟和完全互补不同, 故称为准互补。 图6 10 复合管的两种形式图 图6 11 准互补OTL电路a 等效NPN管; b等效PNP管 集成功放电路 目前集成功放电路已大量涌

12、现, 其内部电路一般均为OTL或OCL电路, 集成功放除了具有分立元件OTL或OCL电路的优点外, 还具有体积小、工作稳定可靠、使用方便等优点, 因而获得了广泛的应用。 低频集成功放的种类很多, 较常用的器件列在表6 - 1中。下面以LM386为例作一简单介绍。 LM386是一种低电压通用型低频集成功放。该电路功耗低、允许的电源电压范围宽、通频带宽、外接元件少, 广泛用于收录机、 对讲机、 电视伴音等系统中。 LM386内部电路如图6 - 16a所示, 共有3级。V1V6组成有源负载单端输出差动放大器，用作输入级, 其中V5、V6构成镜像电流源用作差放的有源负载以提高单端输出时差动放大器的放大

13、倍数。中间级是由V7构成的共射放大器, 也采用恒流源I作负载以提高增益。输出级由V8V10组成准互补推挽功放, 其中VD1、VD2组成功放的偏置电路以消除交越失真。 图 6- 16 LM386集成功率放大器 a 内部结构图; b 管脚排列 LM386的管脚排列如图6 - 16b所示, 为双列直插塑料封装。管脚功能为: 2、 3脚分别为反相、 同相输入端; 5脚为输出端; 6脚为正电源端; 4脚接地; 7脚为旁路端, 可外接旁路电容以抑制纹波; 1、 8脚为电压增益设定端。 当1、8脚开路时, 负反响最深, 电压放大倍数最小, 此时Auf=20。当1、8脚间接入10 F电容时, 内部1.35 k

14、电阻被旁路, 负反响最弱, 电压放大倍数最大, 此时Auf=20046 dB)。当1、8脚间接入电阻R和10 F电容串联支路时, 调整R可使电压放大倍数Auf在20200间连续可调, 且R越大, 放大倍数越小。 LM386的典型应用电路如图6- 17所示。 图 6 17 LM386典型应用电路图 参照上面的说明, 我们可以知道: 5 脚输出: R3、C3构成串联补偿网络， 与呈感性的负载扬声器相并, 最终使等效负载近似呈纯阻, 以防止高频自激和过压现象。 7 脚旁路: 外接C2去耦电容, 用以提高纹波抑制能力, 消除低频自激。 1、 8 脚设定电压增益: 其间接R2、10 F串联支路, R2用

15、以调整电压增益。当R2=1.24 k时,Auf=50。 将上述电路稍作变动, 如在1、 5脚间接入R、C串联支路, 那么可以构成带低音提升的功率放大电路。 利用LM386还可以组成方波发生器, 详细情况， 请读者参阅有关书籍。 例 6 1 图6 - 18所示为一扩音机的局部电路 1 分析电路， 说明电路由哪几局部组成， 各局部分别属于何种电路形式。 2假设V9、V10的饱和压降为2V，估算负载RL上的最大输出电流ILmax。 3设三极管的UBE及二极管的导通压降UD均为0.7， 估算ICQ1、ICQ4的值。 图 6 18 例6 - 1图 4当负载RL上有最大不失真输出电压时， 输入信号的幅度U

16、im应为多大？ 5估算电路的最大输出功率Pomax和功放管的最大管耗PTmax。 6 说明C2、 C3和C4的作用。 解: (1 电路的组成。 输入级：由V1、V2、V3组成单端输入、单端输出的恒流源差动放大电路，可有效地放大信号，抑制零漂。 中间级：由V4、V5组成有源负载的共射放大器。其中V4为放大管，V3为V4的有源负载，从而保证本级有较高的电压增益。 输出级：由V7V10共同构成准互补OCL电路， 向负载输出大功率。其中V7、V9复合等效为一只NPN管，V8、 V10复合等效为一只PNP管。同时，由V6、RC4、RC5组成的UBE倍增电路为功放复合管提供微弱的正偏电压，以消除交越失真。调节R4可方便地改变V7、V8基极间的静态压降。 偏置电路：由V3、V5和VD1、VD2、R1组成的电流源电路为各级提供适宜的静态偏置，同时兼作有源负载以提高电压增益。 2最大输出电流ILmax。 当V9或V10处于临界饱和状态时，负载RL上可得到最大输出电流ILmax为 ILmax= 3V1、V4管的静态工作电流ICQ1、ICQ4。 差动对管V1、V2的静态工作电流ICQ1= ICQ2，且两者之和等于V3管的静态工作电流ICQ3。为此，首先