《模拟电路测试与分析》课件情景四　任务二

任务二集成喊话器的制作与测试技能训练集成功放电路的输出功率测试知识学习集成功率放大器任务实施集成喊话器的制作与测试常识链接集成功放电路外围元件连接的一般规律小结习题项目训练功率放大器的制作与测试学习情境四

能力目标：

1.能熟练进行电路板的布局与焊接制作。

2.能熟练使用音频信号发生器调整所需波形，并用示波器测试波形。

3.能通过查找手册使用集成功放。

知识目标：

1.了解常用集成功率放大器的参数。

2.掌握常用集成功率放大器的基本应用。

技能训练集成功放电路的输出功率测试

1.实训目的

(1)了解TDA2030A的性能指标，认识TDA2030A的管脚排列，了解各管脚的功能。

(2)能分析集成功放的典型应用电路图。

(3)能对电路的功率参数进行测试。

2.实训仪器与材料

3.实训步骤与内容

(1)查集成电路手册，了解TDA2030A的性能指标，认识它的管脚排列，了解各管脚的功能。

(2)给集成功放块装上散热片，按图4.2.1(b)所示连接好电路，并认真检查，确认无误后，接上±15V电源，将R

P

调至最底端，测量整个电路的静态电流。

(3)保持电路处于静态，断开扬声器负载，用万用表测量TDA2030A输出端4脚的电压是否为0(等于0为正常，若不为0，则要重新检查并排除电路故障)。图4.2.1集成功放测试电路

(5)拆除功率电阻，接上8Ω/20W的扬声器负载，换用音乐信号源接输入端，调节RP至输出最大，体验该功率输出值的响应度。

4.分析与思考

(1)本实训电路中的TDA2030A与集成运放有什么不同?

(2)本实训电路中，

VD1

、VD2

的主要作用是什么?

知识学习集成功率放大器

集成功率放大器具有输出功率大、外围连接元件少、使用方便等优点，因此在收音机、电视机、收录机、开关功率电路、伺服放大电路中广泛采用各类专用集成功率放大器。集成功放是由集成运放发展而来的，在内部电路结构大多与集成运放相似，也包括前置级、中间级和功率输出级及辅助电路(如稳压电路、过流过压保护电路、静噪电路等)，因而电路原理也与集成运算放大器相似。

它与集成运放的主要差别就在于集成功放输出功率大、效率高。目前生产的20W以下的小功率集成功放主要是由单芯片组成的集成电路，20W以上的大功率输出的集成功放，则以厚膜集成电路为主。随着新技术的不断发展，集成功

放又出现了集成功率VMOS器件、DMOS器件和各种集成功率模块。性能更好的大功率器件也迅速发展起来。

按输出功率(由几百毫瓦到一百多瓦)，集成功率放大器可分为小、中、大功率放大器。如SHM2150Ⅱ集成音频功率放大器具有左右双路通道放大电路，其内部电路输出级采用VMOS复合管，输出功率可达2×150W。

下面简单介绍几种集成功率放大器件的性能、主要参数及其使用方法。

一、TDA2030集成功率放大器

1.TDA2030集成功放的性能及主要参数

TDA2030属于单芯片组成的20W以下的中小功率集成功放，内部有差分电路输入级、中间电压放大级、恒流源偏置电路及甲乙类准互补对称功率放大电路的输出级，此外还具有短路和过热保护电路。其外形及引脚如图4.2.1(a)所示，采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。引脚功能与集成运放相同，有同相和反相输入端，正、负电源输入端和输出端共5个引脚。

背面金属板上的圆孔用于安装散热器。具有体积小、引脚少，输出功率大、失真小等特点，并内含短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接(USmax

=12V)，以及负载泄放电压反冲等各种保护电路，因此工作安全可靠。其主要参数如下：

2.TDA2030A集成功放的典型应用电路

(1)双电源应用电路。

采用双电源时，其外围元件和连接方法如图4.2.1(b)所示。信号ui

经耦合电容C1

由同相端输入，

R1

、R2

、C2构成交流电压串联负反馈。

根据同相比例运算电路的结论，该电路的闭环放大倍数为

电路的最大输出功率为

R3的阻值与R1

相同，用作直流平衡电阻，使输入级偏置电流相等。R4

、C3为高频校正网络，用于抑制高频自激振荡。VD1

、VD2

作外接保护电路，用于泄放RL

自感应电压。C3

、C4

用于消除电源高频干扰。

图4.2.2TDA2030集成功放的单电源应用

其闭环电压放大倍数为

如果仍然用15V电源，则电路的最大输出功率为

二、SHM1150Ⅱ型集成功率放大器

图4.2.3(a)为SHM1150Ⅱ型集成功放内部电路图。

必须指出，此处介绍SHM1150Ⅱ型集成功放的内部电路，并不是要求对集成电路的内部电路有深入的研究，而是为了与前面的功放电路作比较，从而更好地掌握集成器件的外特性，其目的是为了用好集成功放。

由图4.2.3(a)可见，

SHM1150Ⅱ型集成功放与前面分析的甲乙类功放电路的不同之处在于：图4.2.3SHM1150Ⅱ型集成功放

(1)V4

和R8

构成电压跟随器，这样加在V5

基极与发射极之间的为差分双端输出信号，V5

的集电极以电流源I2

作为有源负载，构成高增益的中间放大级，将差分输入级V1和V2上的输出信号传递到后级。

(2)V7和V8

构成的互补对称电路用于驱动VMOS管VT9

和VT10

，作为最后的输出级。其中，

VMOS场效应管与前面介绍的载流子是横向从源极到漏极的小功率MOSFET不同，其内部结构有一个“V”形槽，如图4.2.4(a)所示。图4.2.4VMOS场效应管的结构与特性

由图4.2.4(a)可见，

VMOS管的漏区面积大，有利于利用散热片散去器件内部耗散的功率。而自由电子沿导电沟道由源极到漏极的运动是纵向的，沟道长度(当栅极加正电压时在V形槽下P型层部分形成)可以做得很短(例如1.5μm)，且沟道间又呈并联关系(根据需要可多个并联)，故允许流过的电流ID

可以做得很大。目前制成的VMOS产品，耐压能力达1000V以上，最大连续电流值高达200A。

如图4.2.4(b)所示为VMOS场效应管2N6657的输出特性。由图可以看出，其转移特性在iD

>0.2A时，

g

m=常数，因而其非线性失真也较小。

与双极型功率BJT相比，

VMOS器件有以下优点:

①由于VMOS是电压控制电流器件，输入电阻极高，所需驱动电流极小，功率增益高。

②因为漏源电阻为正温度系数，当器件温度上升时，电流受到限制，所以VMOS不可能有热击穿，因而也不会出现二次击穿，温度稳定性高。

③由于栅漏间距较大，极间电容小，加上无少子存储问题，所以工作频率很高(f

T

可达600MHz)。

④当iD

>0.2A时，

g

m

=常数，线性度高。

⑤导通电阻很小。

SHM1150Ⅱ型集成功率放大电路输出级采用了VMOS管，使输出功率得到了很大提高。该集成功率放大器应用十分方便，接上电源即可作为双电源功率电路直接使用，可在±12V~±50V电压下工作，且电路最大输出功可以达150W。如图4.2.3(b)所示为SHM1150Ⅱ型集成功放外部接线图。

三、4100系列集成功率放大器

4100系列集成功率放大器有4100、4101、4102三种型号，不同厂商标号有所区别。如日本三洋公司的产品为LA4100，国内生产的产品为SF4100，但其内部电路、技术指标、外封装、管脚排列均是一致的。它的外形为双列直插式14脚封装，带散热片，如图4.2.5(a)所示。图4.2.5400系列集成功率放大器

1.性能特点

该芯片是典型的低电压功放集成电路，既可以用单电源供电方式，也可以采用正负双电源供电方式(⑦脚接负电源)。其工作电压低、效率高、可靠性好、组装方便。推荐单电源电压为6V，使用的负载阻抗为4Ω时，输出功率为1W。

2.集成功放的典型应用

将LA4100集成功放接成OTL形式的电路，如图4.2.5(b)所示，由于充分考虑了使用于电池供电的低电压工作特性，故其外部引脚相对较多。外接各元件的作用如下:

(1)RF

、CF

与内部连接输出端的电阻组成交流负反馈支路，控制功放级的电压增益Auf

。

(2)CB

为相位补偿电容。CB

减小，带宽增加，可消除高频自激。CB一般取几十皮法至几百皮法。

(3)CC

为OTL电路的输出端电容，两端的充电电压等于UCC/2，一般取耐压值远大于UCC/2的几百微法的电容。

(4)CD

为反馈电容，用于消除自激振荡，

CD

一般取几百皮法。

(5)CH

为自举电容，可在100μF左右选取，使功率输出复合管的导通电流不随输出电压的升高而减小。

(6)C3

、C4

可滤除纹波，一般取几十微法至几百微法。

(7)C2

为电源退耦滤波，用于消除低频自激。

由两片LA4100接成的BTL功率放大电路如图4.2.6所示。图4.2.6LA4100组成的BTLG功率放大电路

输入信号ui经LA4100(1)放大后，获得同相输出电压uo1

，经外部电阻R1

、RF2

分压加到LA4l00(2)的6脚进行反相放大，如果R1

、RF2的分压使两个功率放大器的输入信号大小相等，则两个功放的输出电压uo1

与uo2

大小相等、方向相反，实现了BTL放大。图4.2.6中其他元件的参数与OTL电路的完全相同。

表征集成功放的主要参数有最大不失真输出功率、电源电压、负载匹配阻抗等。除此之外，为保证器件的安全运行，可以从功放管的散热、防止二次击穿、降低使用定额和保

护措施等来考虑。具体应用中可参考相关集成功放应用手册。

任务实施集成喊话器的制作与测试

一、实训目的

(1)进一步熟悉场效应管和集成功放TDA2030A的性能。

(2)掌握BTL电路的特点。

(3)熟练功率放大电路主要参数的测试方法。

二、实训仪器与材料

三、实训步骤与内容

(1)检查集成功放电路TDA2030A、场效应管等器件的好坏，分辨引脚排列。

(2)按图4.2.7所示电路对器件进行布局，画出装配图。

(3)按画好的装配图连接电路，并认真检查，确认无误后，接通电源，断开S，测量整个电路的静态电流。

(4)保持S断开，使电路处于静态，用万用表测量两块TDA2030A的4脚电压，并判断静态工作是否正常。

(5)合上开关S，对准拾音器BM喊话的同时，由小到大调节RP

主观测试喊话效果。

(6)断开S，用8Ω，

20W的功率电阻代替喇叭，

RP

调在最大位置上，将函数信号发生器的输出调整为1kHz的纯音信号，经100kΩ电位器调节接在R1

与开关S相接的端子上，再将示波器并入功率电阻两端测量输出波形，由0开始慢慢调大输入信号，读出开始出现输出信号失真时的输出最大值为

V，算出该集成喊话器的纯音最大功率输出为

。

(7)撰写实训报告。

四、实训评价

按附录一(A)“电路制作实训评分”表操作。

五、分析与思考

(1)本实训电路中R4

、R5的作用是什么?它们与共发射极放大电路中的上、下偏置电阻的作用有什么不同?

(2)分析本实训电路中TDA2030A(2)如何获得输入信号。

常识链接集成功放电路外围元件连接的一般规律

集成功放电路的品种非常多，应用时不一定能有功放电路和内部电路资料，可根据其外围元件连接电路进行分析判断。大多数芯片外围元件的连接有以下规律：

(1)因集成功放主要应用于音频(低频)信号放大，所以输入端有输入耦合电容，一般取1~10μF电解电容。

(2)集成功放需要直流偏置。对OCL电路，同相输入端通过一个电阻接地(使其直流电位为0)，电阻一般取几十千欧，太小将降低电路输入电阻，如图4.2.1(b)中的R3;对OTL电路，为了获得UCC/2的直流电位，需用电阻分压，如图4.2.2中R1

、R2

、R3

、C4

，电阻一般取100~200kΩ。OTL电路输出需接耦合电容，电容越大，低频特性越好，一般取几十至几千微法，视输出功率和频响要求而定。

(3)集成功放是一个开环增益很大的放大器，因此必须加负反馈，且为电压串联负反馈。为便于用户灵活应用，该网络全部或部分外接。LM386是部分外接，

TDA2030A是全部外接。该负反馈网络为交流负反馈，因此需串一个容量较大的电解电容隔直，一般取几十微法。至于两个电阻可用纯电阻，也可用RC网络，调节其参数可调节电路电压增益及频率响应特性。

(4)除上述电路元件外，其余元件(电路)均为辅助或改善性能电路，非必需电路。

①电源滤波，严格来说其不属于功放电路本身，属于电源电路。一般集成功放电路电源取自于整流滤波后的脉动成分较多的直流电压，因此需加强滤波。在集成功放电源输入端，再用一个大容量电解电容与一个无极性电容并联，大容量电解取100~200μF，无极性电容取0.01~0.1μF。要求不高时，可不接。

②输出端接与感性负载并联的RC网络，其主要是改善频率响应。加上该RC串联网络，声音就变得“醇厚和谐”一些(高音频成分少一些)。电路设计者一般根据其频率响应特性曲线和电路技术指标要求调节RC参数，更多的是根据经验和听觉感受调节RC参数。在负反馈网络中，用RC串联网络与负反馈电阻并联，改善电路频率响应特性更合理，效果更好。

③保护二极管的作用，由于负载(扬声器)为感性，在电流快速切变时，会产生较高的感性电压(反电势)，理论上有可能损坏集成功放。二极管的作用是给过高的反电势提供泄放通路(也可理解为钳位削峰)，这是为了增加电路的可靠性而设置的。一般来讲若电源电压不高，扬声器尺寸不大(电感量不大)，或已在输出端接有RC网络(也具有抑制尖峰电压作用)，可以不接保护二极管。

有些集成功放，如LA4100、4440等，外部引脚较多，除外接输出电容、电源滤波电容外，还外接去耦电容、自举电容、旁路电容、负反馈隔直电容等，其作用各不相同，初学者很难判别，一般可根据数值和连接方法分析判别：输出电容一般较大，几百至1000μF，且一端接扬声器；电源滤波电容、去耦电容、自举电容数值相当，一般为100~200μF。

电源滤波电容一端接电源输入端，一端接地：自举电容一端接输出端，一端接集成功放某一引脚：去耦电容一端接集成功放某一引脚，一端接地：旁路电容、负反馈隔直电容，一般较小，为几十微法：负反馈隔直电容接在负反馈支路中。还有无极性非电解电容，主要用于改善频响特性和防止高频自激，不再一一列举。

小结

集成功放的种类很多，其内部电路都包含有前置放大级、中间级、功率输出级以及偏置电路，有的还设有完善的保护电路，使集成功放电路有较高的可靠性，所以集成功放在使用时，只要按其典型应用电路接线无误即可以成功。

习题

1.集成功放TDA2030与集成运放MC4558有什么不同?

2.如何调节集成功放电路的电压增益?

3.已知电路如图4.2.8所示，

UCC=15V，

RL=8Ω，

Rf=300kΩ，

R1=50kΩ，功放管V1

、V2的UCES=1V，集成运放最大不失真输出电压幅值UoH=±13V，试求:

(1)最大输出功率和效率。

(2)电路电压增益Au

。

(3)若Ui=200mV，求Uo

。图4.2.8习题3图

4.已知某集成功放外围电路如图4.2.9所示，型号不详。

(1)试根据其电容量分析C1~C6

的作用。

(2)若UCC=24V，

RL=8Ω，估算输出功率的最大值。图4.2.9习题4图

5.用两片集成功放TDA2030A连接的电路如图4.2.10所示。

(1)试分析该电路为何种连接方式。

(2)如果电源电压UCC=±18V，

RL=4Ω，电路的最大输出功率可以达到多大?图4.2.10习题5图

项目训练功率放大器的制作与测试

一、实训目的

(1)能分析功放电路图，能较好地布局及熟练地焊接电路。

(2)能对功放电路的一些参数进行测试。

二、实训仪器与材料

三、实训步骤与内容

(1)根据图4.3.1的原理图先画装配图，再按装配图连接好电路，并认真检查，确认无误后，接通电源时，首先检查功率管是否发烫，如有发烫，则应重新检查，直至功率管不发烫为止。图4.3.1功放电路原理图

(2)进行静态测试和调整。

①输入端接地，断开负载(喇叭或音箱)，测量单边电路的静态总电流。

②保持负载断开，测量输出端中点电压是否为0(如果不为0，将很快会烧坏喇叭)。

③测量V4

、V5

两三极管基极之间的电压是否为1.3V左右(消除交越失真)，若此电压为0，说明VD1

、VD2

未导通;若此电压偏大或者偏小，可适当调整R8

的阻值。

(3)将函数信号发生器的输出调整为1kHz的纯音信号，经100kΩ电位器调节接在信号的输入端，再将双踪示波器并接入电路的输出与地两端测量输出波形，由0开始慢慢调大输入信号，读出开始出现输出信号时输入信号为

μV，算出电路的放大倍数为；进一步调大输入直至示波器中的输出波形出现失真，读示波器的输出最大值为mV

，算出输入、输出的信号幅度范围为

。功放电路的纯音最大功率输出为

。

(4)将信号源的输出幅度设置在一个合适的值，往下调整信号输出频率，在低频段找出使输出信号幅度为1000Hz输出的0.707倍时的频点为

，再往上调整信号输出频率，在高频段找出使输出信号幅度为1000Hz输出的0.707倍时的频点为

，算出本功率放大电路的通频带为

。

(5)音乐试听。

将CD唱机的输出接该功放电路的输入端，播放频带较宽的乐曲节目，再用大于30W的音箱接该功放电路的输出端监听。调节声音的大小，仔细聆听有无失真现象，并判断失真是否是因放大器性能不良而产生的，并提出改进方案。

(6)撰写实训报告

准确描述电路的功能，调试过程中的波形、数据分析等。

四、实训评价

按附录一(A)“电路制作实训评分表”操作。

五、分析与思考

(1)实训过程中，为什么要把V4、V5

两管基极之间的静态电压调整为1.3V?

(2)实训电路中把V4

和V6

接成什么形式?这样的连接有什么好处?

(3)实训电路中由哪些元件引入了反馈?引入了什么反馈?

常识链接电子设计制作过程中元器件的选用

选择元器件，只要清楚“需要什么”和“有什么”，问题就好办了。“需要”是根据电路的具体要求，确定每个元件应具有哪些功能和怎样的性能指标。“有什么”是指市场上有哪些元器件，性能如何，价格如何，体积多大等。把要求转化为指标便是前面所说的“需要”，然后在市场上已有的元器件产品中选取能尽可能满足这些需要的元器件。要做到这一点，就需要我们去了解元器件市场，关心市场的信息和新的动向，多查阅相关资料。

一、电源变压器的选择

电源是电子电路正常工作的动力，常通过变压器从市电网中获得所需功率和合适的电压，因而由副边电压U2

值和电路的功率来选择选变压器。例如我们制作的功放电源变压器，根据电路电压和功率要求，应从以下两个方面来作出选择。

(1)变压器副边输出电压的确定。

根据功放Ui=±26V的电压要求，此电压由变压器副边输出经全波整流、电容滤波后提供。全波整流时，

Uo=2×0.

45U2=0.9U2

，接入滤波电容后，不仅使输出电压变得平滑，同时输出电压的平均值也增大。获得良好的滤波效果后，输出电压平均值近似为

由此可以得到

考虑电网电压有5%~10%的波动，取U2

=24+2V。

(2)变压器输出功率的确定。

当输出电压幅度达到最大，即Uom≈UCC

，采用8Ω的喇叭单元时，电源供给的最大功率为

考虑变压器和整流电路的效率，并保留一定的余量，选择变压器的输出功率为60W。

除此之外，变压器铁芯的质量、屏蔽效果以及外观、品牌等因素也需要适当考虑。

二、电阻器的选择

对于电阻器，我们最为关注的是它的阻值，由于大多数电路中的电阻都工作在小电流、小信号场合，所以，很多电路原理图中仅有阻值标注。其实，电阻器的功率是一个不可

小视的重要指标，例如本实训电路中R10

、R11则明确标注了1W的功率要求。读者只要分析一下这几个电阻中的信号或者电流情况，便可知晓其中的缘由。除阻值和功耗等参数以外，还应从以下几个方面进行考虑。

(1)掌握电路对电阻器频率特性、过载能力、精度、温度系数等方面的特殊要求。

Rx型线绕电阻器的分布电容、电感较大，仅用于工作频率低于50kHz的电路中；RH型合成膜电阻器和RS型有机实心电阻器的工作频率在数十MHz左右；RT型碳膜电阻器的工作频率可达100MHz；RJ型金属膜电阻器和RY型氧化膜电阻器的工作频率可高达数百MHz。

在实际的电路中，有时需要选用正(或负)温度系数的电阻器作为温度补偿元件。这时必须按照电路对温度稳定性的要求，选择温度系数适应电路要求的电阻器。所选电阻器的额定功率必须大于实际承受功率的两倍。

(2)优先选用通用型电阻器，因为此类电阻器价格低、货源足。

(3)在高增益前置放大电路中，应选用噪声小的电阻器。RJ型、RY型电阻器以及RT型电阻器均具有较小的噪声。

三、电容器的选择

选择电容器除容量和耐压等主要参数外，还应从以下几个方面进行考虑。

(1)掌握电路对电容器精度的要求。

如音调控制电路中，对某些电容器的精度要求较高，应选用高精度的电容器。

(2)注意电路对电容器绝缘电阻和损耗角正切值tanδ的要求。

绝缘电阻小的电容器，漏电流则较大，漏电流产生的功率损耗将使电容器发热升温，从而导致漏电流进一步上升，轻则电路性能恶化，重则电容器失效甚至爆炸。

(3)注意对电容器高频特性的要求。

某些电容器用于高频时存在不可忽视的自身电感、引线电感和高频损耗，会使电容器的自身性能下降，导致电路不能正常工作。为了解决电容器自身分布电感的影响，常在自身等效电感较大的电容器的两端并接一个自身等效电感很小的小容量电容器。

四、电位器的选择

电位器的主要参数有标称阻值、精度、额定功率、电阻温度系数、阻值变化规律、噪声、分辨率、绝缘电阻、耐磨寿命、平滑性、零位电阻、起动力矩、耐潮性等。其制作材料、结构形式和调节方式繁多，选用时应根据设计电路