功率放大电路2

第九章功率放大电路第九章功率放大电路§9.1

概述§9.2

互补输出级的分析计算§9.1概述一、功率放大电路研究的问题二、对功率放大电路的要求三、晶体管的工作方式四、功率放大电路的种类能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路，简称功放。二者无本质的区别，都是能量的控制与转换。功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别吗？不同之处在哪里？一、概述不同之处在于：各自追求的指标不同。电压放大电路：功率放大电路：主要要求使负载得到不失真的电压信号，其输出功率并不一定很大；通常为小信号放大电路。主要要求获得尽可能大的不失真（或失真较小）输出功率和转换效率，通常是在大信号状态下工作。

功率放大电路的特点要求同时输出较大的电压和电流。管子工作在接近极限状态。一般直接驱动负载，带载能力要强。功率放大电路中的特殊问题输出功率要大；效率要高；输出功率电源提供的功率η越大，效率越高2.

对功率放大电路的要求（1）甲类方式：晶体管在信号的整个周期内均处于导通状态（2）乙类方式：晶体管仅在信号的半个周期处于导通状态（3）甲乙类方式：晶体管在信号的多半个周期处于导通状态（1）在电源电压一定的情况下，最大不失真输出电压最大，即输出功率尽可能大。（2）效率尽可能高，因而电路损耗的直流功率尽可能小，静态时功放管的集电极电流近似为0。3、晶体管的工作方式

三极管根据导通时间可分为如下四个状态。

甲类-------三极管360°导电；甲乙类----三极管180°～360°导电乙类-------三极管180°导电丙类-------三极管<180°导电图17.01三极管的四种工作状态乙类180°导电丙类<180°导电甲乙类180°～360°导电甲类360°导电

1.性能指标：输出功率和效率。若已知Uom，则可得Pom。最大输出功率与电源损耗的平均功率之比为效率。

2.分析方法：因大信号作用，故应采用图解法。

3.晶体管的选用：根据极限参数选择晶体管。在功放中，晶体管集电极或发射极电流的最大值接近最大集电极电流ICM，管压降的最大值接近c-e反向击穿电压U(BR)CEO，集电极消耗功率的最大值接近集电极最大耗散功率PCM

。称为工作在尽限状态。一、功率放大电路研究的问题唯一的办法就是在电路结构上做文章，于是引出：如何解决提高了效率却使电路波形产生严重失真的矛盾呢？乙类双电源互补对称功率放大电路1.变压器耦合功率放大电路①输入信号增大，输出功率如何变化？②输入信号增大，管子的平均电流如何变化？③输入信号增大，电源提供的功率如何变化？效率如何变化？四、功率放大电路的种类做功放适合吗？单管甲类电路为什么管压降会大于电源电压？乙类推挽电路信号的正半周T1导通、T2截止；负半周T2导通、T1截止。

两只管子交替工作，称为“推挽”。设β为常量，则负载上可获得正弦波。输入信号越大，电源提供的功率也越大。2.

OTL

电路

输入电压的正半周：＋VCC→T1→C→RL→地

C充电。输入电压的负半周：

C

的“＋”→T2→地→RL→C“－”

C放电。C足够大，才能认为其对交流信号相当于短路。OTL电路低频特性差。因变压器耦合功放笨重、自身损耗大，故选用OTL电路。3.

OCL电路输入电压的正半周：＋VCC→T1→RL→地输入电压的负半周：

地→RL→T2→－VCC两只管子交替导通，两路电源交替供电，双向跟随。静态时，UEQ＝UBQ＝0。4.

BTL电路

输入电压的正半周：＋VCC→T1→

RL→T4→地输入电压的负半周：＋VCC→T2→

RL→T3→地①是双端输入、双端输出形式，输入信号、负载电阻均无接地点。②管子多，损耗大，使效率低。几种电路的比较

变压器耦合乙类推挽：单电源供电，笨重，效率低，低频特性差。OTL电路：单电源供电，低频特性差。OCL电路：双电源供电，效率高，低频特性好。BTL电路：单电源供电，低频特性好；双端输入双端输出。§9.2互补输出级的分析计算一、输出功率二、效率三、晶体管的极限参数然后求出电源的平均功率，效率在已知RL的情况下，先求出Uom，则求解输出功率和效率的方法一、输出功率数值较大不可忽略大功率管的UCES常为2~3V。二、效率电源电流3.晶体管的极限参数PT对UOM求导，并令其为0，可得

在输出功率最大时，因管压降最小，故管子损耗不大；输出功率最小时，因集电极电流最小，故管子损耗也不大。管子功耗与输出电压峰值的关系为管压降发射极电流因此，选择晶体管时，其极限参数将UOM代入PT的表达式，可得讨论一：图示各电路属于哪种功放？9.3功率放大电路的安全运行在功率放大电路中，功放管既要流过大电流，又要承受高电压。只有功放管不超过其极限值，电路才能正常工作。因此，所谓功率放大电路的安全运行，实际上就是要保证功放管的安全工作。在实用电路中，常加保护措施，以防止功放管过电压、过电流和过功耗。一、功放管的二次击穿二、功放管的散热问题一、功放管的二次击穿1、二次击穿现象在实际工作中，常发现功率晶体管的功耗并未超过允许的PCM值，管身也并不烫，但功率晶体管却突然失效或者性能显著下降。这种损坏的的原因，不少是由于二次击穿所造成的。那么什么叫二次击穿呢？它产生的原因又是什么呢？应当如何防止呢？这些问题很值得研究和讨论。

从晶体管的输出特性可知，对于某一条输出特性曲线，当c~e之间电压增大到一定数值时，晶体管将产生击穿现象；而且，IB愈大，击穿电压愈低，称这种击穿为“一次击穿”。晶体管在一次击穿后，集电极电流会骤然增大，若不加以限制，则晶体管的工作点变化到临界点A时，工作点将以毫秒甚至微秒级的高速度从A点到B点，此时电流猛增，而管压降却减小，如下图所示，称为“二次击穿”。晶体管经过二次击穿后，性能将明显下降，甚至造成永久性损坏。

IB不同时二次击穿的临界点不同，将它们连接起来，便得到二次击穿临界曲线，简称为S／B曲线，如下图所示。2、二次击穿是怎样产生的产生二次击穿的原因至今尚不清楚。一般说来，二次击穿是一种与电流、电压、功率和结温都有关系的效应。它的物理过程多数人认为是由于流过晶体管结面的电流不均匀，造成结面局部高温（称为热斑），因而产生热击穿所致。这与晶体管的制造工艺有关。3、如何防止二次击穿

晶体管的二次击穿特性对功率管，特别是外延型功率管，在运用性能的恶化和损坏方面起着重要影响。为了保证功率管安全工作，必须考虑二次击穿的因素。因此，功率管的安全工作区，不仅受集电极允许的最大电流ICM、集电极允许的最大电压V（BR）CE和集电极允许的最大功耗PCM所限制，而且还受二次击穿临界曲线所限制，其安全工作区如下图虚线内所示。显然，考虑了二次击穿以后，功率晶体管的安全工作范围变小了。

从二次击穿产生的过程可知，防止晶体管的一次击穿，并限制其集电极电流，就可避免二次击穿。二、功放管的散热问题功放管损坏的重要原因是其实际耗散功率超过额定数值PCM。而晶体管的耗散功率取决于管子内部的PN结（主要是集电结）温度Tj，当Tj超过允许值后，集电极电流将急剧增大而烧坏管子。硅管的结温允许值为120～180℃，锗管的结温允许值为85℃左右。耗散功率等于结温在允许值时集电极电流与管压降之积。管子的功耗愈大，结温愈高。因而改善功放管的散热条件，可以在同样的结温下提高集电极最大耗散功率PCM

，也就可以提高输出功率。二、功放管的散热问题1、热阻的概念

热的传导路径，称为热路。阻碍热传导的阻力称为热阻。真空不易传热，即热阻大；金属的传热性好，即热阻小。在晶体管中，管子上的电压降大部分都降在集电结上，它和流过集电结的电流造成集电极功率损耗，使管子发热。这个热量要从管芯向外传递。设结温为Tj

，环境温度为Ta

，则温差T（=Tj

－Ta

）与集电结耗散功率PC成正比，比例系数称为热阻尼，即

可见，热阻尼是传递单位功率时所产生的温差，单位为℃／W。RT愈大，表明相同温差下能够散发的热能愈小。换言之，RT愈大，表明同样的功耗下结温愈高。可见，热阻是衡量晶体管散热能力的一个重要参数。当晶体管结温达到最大允许值TjM时，集电结功耗也达到PCM

，若环境温度为Ta

，则式中，若管子的型号确定，则TjM也就确定，Ta常以25℃为基准，因而要想增大PCM，必须减小RT

。2、热阻的估算以晶体管为例，管芯（J）向环境（A）散热的途径有两条：管芯（J）到外壳（C），再经外壳到环境；或者管芯（J）到外壳（C），再经散热片（S）到环境。即J→C→A或J→C→S→A，如下图所示。设J~C间热阻为RjC

，C~A间热阻为RCa

，C~S间热阻为RCS

，S~A间热阻为Rsa

，则反映晶体管散热情况的热阻模型如下图所示。在小功率放大电路中，放大管一般不加散热器，故晶体管的等效热阻为RT=RjC+Rca

在大功率放大电路中，功放管一般均要加散热器，且RCS+RSa<<RCa，故RTRjC+RCS+RSa

不同型号的管子RjC不同，如3AD30的RjC为1℃/W，而3DG7的RjC却大于150℃／W，可见其差别很大。RCa与外壳所用材料和几何尺寸有关，如大功率管3AD30的RCa为30ºC／W，而小功率管3DG7的RCa为150℃／W。

上式中RCS既取决于晶体管和散热器之间是否加绝缘层（如聚乙烯薄膜、0.05～0.lmm的云母片），又取决于二者之间的接触面积和压紧程度。RSa与散热器所用材料及其表面积大小、厚薄、颜色，和散热片的安装位置等因素紧密相关。3、功放管的散热器两种散热器如下图所示。经验表明，当散热器垂直或水平放置时，有利于通风，故散热效果较好。散热器表面钝化涂黑，有利于热辐射，从而可以减小热阻。在产品手册中给出的最大集电极耗散功率是在指定散热器（材料、尺寸等）及一定环境温度下的允许值；若改善散热条件，如加大散热器、用电风扇强制风冷，则可获得更大一些的耗散功率。§9.4集成功率放大电路

OTL、OCL和BTL电路均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。应当注意，在使用OTL电路时，需外接输出电容。为了改善频率特性，减小非线性失真，很多电路内部还引入深度负反馈。本节以低频功放为例，讲述集成功放的电路组成、工作原理、主要性能指标和典型应用。一、集成功率放大电路分析二、集成功率放大电路的主要性能指标三、集成功率放大电路的应用一、集成功率放大电路分析

LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。

1、LM386内部电路

LM386内部电路原理图如下图所示。与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路，如点划线所划分。第一级为差分放大电路，T1和T3

、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；信号从T3和T4管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。根据第三章关于镜像电流源作为差分放大电路有源负载的分析可知，它可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电路的增益。第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。利用瞬时极性法可以判断出，引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。电路由单电源供电，故为OTL电路。输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。2、LM386的电压放大倍数当引脚1和8之间开路时，由于在交流通路中T1管发射极近似为地，R5和R6上的动态电压为反馈电压，近似等于同相输入端的输入电压。即为二分之一差模输入电压，于是可写出表达式为所以，当引脚1和8之间外接不同阻值的电阻时，Au的调节范围为20～200，因而增益20lg|

Au

|约为26～46dB。

实际上，在引脚1和5（即输出瑞）之间外接电阻也可改变电路的电压放大倍数。若外接电阻为R´，则应当指出，在引脚1和8（或者1和5）外接电阻时，应只改变交流通路，所以必须在外接电阻回路中串联一个大容量电容。3、LM386的引脚图

LM386的外形和引脚的排列如下图所示。引脚2为反相输人端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10F。二、集成功率放大电路的主要性能指标集成功率放大电路的主要性能指标除最大输出功率外，还有电源电压范围、电源静态电流、电压增益、频带宽、输入阻抗、输入偏置电流、总谐波失真等。

LM386－1和LM386－3的电源电压为4～12V，LM386－4的电源电压为5～18V。因此，对于同一负载，当电源电压不同时，最大输出功率的数值将不同；当然，对于同一电源电压，当负载不同时，最大输出功率的数值也将不同。已知电源的静态电流（可查阅手册）和负载电流最大值（通过最大输出功率和负载可求出），可求出电源的功耗，从而得到转换效率。几种典型产品的性能如下表所示。

表中所示电压增益均在信号频率为lKHz条件下测试所得。应当指出，表中所示均为典型数据，使用时应进一步查阅手册，以便获得更确切的数据。三、集成功率放大电路的应用1、集成OTL电路的应用下图所示为LM386的一种基本用法，也是外接元件最少的一种用法，Cl为输出电容。由于引脚1和8开路，集成功放的电压增益为26dB，即电压放大倍数为20。利用RW可调节扬声器的音量。R和C2串联构成校正网络用来进行相位补偿。静态时输出电容上电压为VCC／2，LM386的最大不失真输出电压的峰一峰值约为电源电压VCC

。设负载电阻为RL，最大输出功率表达式为此时的输入电压有效值的表达式为当VCC=16V，RL=32时，Pom1W，Uim

283mV。

下图所示为LM386电压增益最大时的用法

C3使引脚1和8在交流通路中短路，使Au200；C4为旁路电容；C5为去耦电容，滤掉电源的高频交流成分。当VCC=16V，RL=32时，Pom仍约为1w；但是，输入电压的有效值Uim却仅需28.3mV。下图所示为LM386的一般用法，用R2改变LM386的电压增益2、集成OCL电路的应用

右图所示为TDA1521的基本用法。TDA1521为2通道OCL电路，可作为立体声扩音机左、右两个声道的功放。其内部引入了深度电压串联负反馈，闭环电压增益为30dB，并具有待机、静噪功能以及短路和过热保护等。查阅手册可知，当±

Vcc=16V，RL＝8时，若要求总谐波失真为0.5%，则Pom12W。由于最大输出功率的表达式为可得最大不失真输出电压Uom9.8V，其峰值约为13.9V，可见功放输出级的最小管压降约为2.1V。当输出功率为Pom时，输入电压有效值Uim

327mV。3、集成BTL电路的应用

TDA1556为2通道BTL电路，与TDA1521