《电子电路分析与实践》课件学习情境四

学习情境四功率放大器的制作与测试任务一分立喊话器的仿真与测试任务二集成喊话器的制作与测试项目实施功率放大器的制作与测试任务一分立喊话器的仿真与测试

技能训练基本互补对称电路的仿真测试

一、实训目的

(1)能利用PROTEUS仿真软件查找相关元件,并能合理设定各元器件参数。

(2)能根据电路图应用仿真软件正确连接线路。

(3)能利用软件对电路进行仿真并实现其功能。二、实训仪器与材料

实训应用PROTEUS软件仿真,具体应用到的虚拟仪器及元件库元件名称如下:

虚拟示波器:INSTRUMENTSOSCILLOSCOPE

电流探针:CurrentPROBEMODE

电压探针:VOLTAGEPROBEMODE

电源端子:POWER

虚拟信号发生器:GENERATORSSINE

三极管:S2073(NPN)、A940(PNP)

电阻:Res三、实训内容与步骤

(1)按图4.1.1画好仿真电路,设置元件参数。

(2)输入端接地,使ui=0,测量两管集电极静态工作电流并记录,算出互补对称电路的静态功耗。

(3)接入ui,使fi=1kHz,Uim=10.5V,用虚拟示波器同时观察ui、uo的波形,并记录波形。

结论:互补对称电路的输出波形是_____________。

(4)保持步骤(3)的输入,用示波器(DC输入端)同时观察V1的c、e之间和V2的c、e之间的波形,并比较它们之间的相位关系。

结论:晶体管V1基本工作在___；晶体管V2基本工作在___。图4.1.1基本互补对称电路

(5)读出uo的幅值Uom,计算输出功率:

。

(6)用电流探针测量电源提供的平均直流电流Io值,计算电源提供功率PU、管耗PV和效率η:Io=_____；PU=2UCCIo=

_____；PV=PU－Po=______；η=(Po/PU)=_____%。四、分析与思考

(1)实训电路中,为什么要使用NPN、PNP两种结构的三极管？

(2)互补对称电路的输出波形是否理想？造成这种不理想的原因是什么？知识链接功率放大器

功率放大电路以有效获得足够的信号功率输出为主要目的,根据P=UI,通常是在末级功率放大之前通过电压驱动级把信号电压放大到足够的数值后再进行电流放大。担任电流放大的末级功放管工作于大信号状态,本身也消耗功率,因此,功放电路在保证足够大的功率输出的同时,减小管耗和非线性失真是功率放大电路要解决的主要问题。

根据三极管静态工作点Q在交流负载线的位置不同,功率放大电路可分为甲类、乙类、甲乙类等,如图4.1.2所示。图4.1.2功率放大电路的三种工作状态一、双电源互补对称功率放大电路(OCL)

1.电路的结构及工作原理

1)电路组成

双电源互补对称功率放大电路又称无输出电容的功放电路(简称OCL),其原理电路如图4.1.3(b)所示。该电路中,特性对称一致的V1(NPN型)和V2(PNP型)两管的基极相连作为输入端,两管发射极相连共用RL作为负载射极输出,两管的集电极分别接上一组正电源和一组负电源。图4.1.3乙类双电源功率放大电路

2)静态分析

从电路可知,每个管子组成共集组态的射极电压跟随放大电路,输出电阻小,能与低阻抗负载较好地匹配。由于电路无偏置电压,故两管的静态工作点参数UBEQ、IBQ和ICQ均为零,属于乙类工作状态。

3)动态分析

为分析信号波形方便起见,将V2管的输出特性相对于V1管特性旋转180°布置。如图4.1.4所示。设输入信号为正弦电压ui,在0～π期间,V1发射结承受正向电压,V2发射结承受反向电压,故V1导通,V2截止。从V1发射极跟随输出,在RL上获得正半周信号电压,uo≈ui；在π～2π(负半周)期间,V1发射结承受反向电压而截止,V2发射结承受正向电压而导通,V2发射极输出为负半周信号,uo≈ui。输出的信号电流被放大为io=iE=(1+β)iB。两管在信号的两个半周期内轮流导通工作,在负载RL上获得完整的正弦波信号电压。图4.1.4中显示了两管信号电流iC1和iC2波形及合成后的uCE波形。图4.1.4互补对称功率放大电路图解分析的波形图

4)电路的参数计算

参见图4.1.3(b),为分析方便起见,设三极管是理想的,两管完全对称,其导通电压UBE=0,饱和压降UCES=0。则放大器的最大输出电压振幅为UCC,最大输出电流振幅为UCC/RL,且在输出不失真时始终有ui=uo。

(1)输出功率Po。

设输出电压的幅值为Uom,有效值为Uo；输出电流的幅值为Iom,有效值为Io,则当输入信号足够大,使Uom=Uim=UCC－UCES≈UCC时,可得最大输出功率为

(2)管耗PV。由于V1和V2在一个信号周期内均为半个周期导通,因此有两管管耗为

(3)直流电源供给的功率PU。直流电源供给的功率包括负载得到的功率和两放大管的损耗功率两部分,即当ui=0,即无信号输入时,得

Uom=0,Po=PV=PU=0当输出电压幅度达到最大,即Uom=UCC时,电源供给的最大功率为

(4)效率η:

当Uom≈UCC时,得由于Uom≈UCC忽略了管子的饱和压降UCES,实际效率比这个数值要低一些。

2.实际应用中需要解决的问题

1)乙类互补对称功率放大电路的交越失真

由于乙类互补对称功率放大电路是两管推挽工作,完成对输入信号的放大,因此,它的一个显著缺点就是当输入信号幅度较小时,容易产生交越失真。交越失真是指当输入信号电压幅度较小,不足以克服V1和V2的死区电压,因而在这段区域内的输出仍然为0,使输出信号产生失真的现象,如图4.1.5所示。图4.1.5乙类互补对称功率放大电路的交越失真现象

2)交越失真的消除

为了消除交越失真,必须在两管的基极之间加偏置电压UBQ1、UBQ2。在具体电路中,一般采用如图4.1.6所示偏置电路来消除交越失真。

(1)利用二极管和电位器上压降产生偏置电压,电路如图4.1.6(a)所示。由V3组成的前置激励电压放大级的集电极静态电流ICQ3,流经VD1、VD2和RP形成直流压降UBQ1、UBQ2,其值约为两管的阈值电压之和。静态时,两管处于微导通的甲乙类工作状态,产生静态工作电流IBQ1=－IBQ2,这时虽有静态电流IEQ1=－IEQ2流过负载RL,但互为等值反向,不产生输出信号。而在正弦信号作用下,输出为一个完整不失真的正弦波信号。图4.1.6消除交越失真的偏置电路

3)功放管的复合

互补对称电路要求两只功放管的特性一致,输出信号的正、负半周才能对称,但是大功率异型管很难配对。采用复合管可以解决这一问题,还能提高电流放大倍数。如图4.1.7(a)和(b)是前一只V1管采用不同管型的小功率管,后一只V2管采用相同管型的大功率管复合而成的不同管型功率对管。图4.1.7复合管连接方法和等效管型

3.实用的OCL电路

图4.1.8所示为双电源甲乙类功率放大电路的实用电路,由两大部分组成:

一是由V1管与集电极直流负载电阻RC1组成共射放大电路,作为前置放大级(或称驱动级),其作用是将输入信号电压放大到足够大的幅度驱动功放级。

二是由两组特性一致的V2、V4和V3、V5复合管组成的功放级。图4.1.8双电源甲乙类准互补对称功率放大电路

【例4.1.1】

依据图4.1.8所示双电源甲乙类准互补对称功率放大电路中的参数,不计V1、V2和V3管组成电路的影响。

(1)若考虑输出回路中R7、R8电阻影响,V4、V5的饱和压降UCES=3V时,在负载RL上可获得最大输出功率为多大?负载上电压幅值及电流有效值为多大?

(2)在上述情况下,试计算电源消耗的功率、功率管的管耗和效率。

解

(1)考虑了功率管UCES的影响,在RL和R7或R8上总的最大功率为负载RL上获得的最大功率为

负载上电压幅值和电流有效值为

(2)电源消耗功率、功率管管耗和效率:二、单电源互补对称功率放大器(OTL)

1.电路的组成

OTL(无输出变压器)功率放大器的基本结构如图4.1.9所示。V1和V2配对管同样接成射极输出形式,两管的集电极分别接在一组电源的正极和负极。电容C用作输出信号耦合的同时还充当V2回路等效电源,电容容量常选用几千微法的电解电容。图4.1.9OTL功放电路原理图

2.电路分析

静态时,前级电路应使基极电位UB为UCC/2,由于V1和V2的特性对称,所以也称UA为中点电压。

输入信号ui为正半周时,V1导通,V2截止,电源UCC通过V1、RL向电容C充电,电流如图4.1.9中实线所示。

输入信号ui为负半周时,V2导通,V1截止,电容C(代替电源)通过V2、RL放电,电流如图4.1.9中虚线所示。

功放管V1和V2交替工作,在负载上获得正、负半周完整的输出波形。每只功放管的实际工作电压为电源电压的一半,所以负载可获得的最大功率为。

3.实用的OTL电路

图4.1.10是由激励放大级和功率放大输出级组成的OTL功放电路。图4.1.10实用的OTL功放电路

1)激励放大级

由三极管V1组成工作点稳定的分压式偏置放大器工作于甲类状态。输入信号ui经放大后由集电极输出,加到V2、V3的基极。RP1引入电压并联负反馈,可以稳定静态工作点和提高输出信号电压的稳定度。

2)功率放大输出级

三极管V1、V2组成互补对称功放电路,RP2和二极管VD1为V2、V3提供适当的发射结电压,使两管在静态时处于微导通状态,以消除交越失真。调节RP2(配合RP1)可调整输出管静态工作点。二极管VD1的正向压降随温度升高而降低,因此对功放管还能起到一定的温度补偿作用。

设输入信号ui为负半周,经V1放大并反相后,加到V2和V3基极的是正半周信号,功放管V2导通,V3截止。负载RL上可获得正半周信号。当输入波形为正半周时,RL获得负半周信号。如此两管轮流工作,在负载RL上可得到完整的信号波形。如果V2和V3在导通时都能接近饱和状态,则输出信号的最大幅度Uom可接近UCC/2。但是,当输出为正半周时,如果Uom接近UCC/2,UA将会接近UCC,而V2管会因基极电流增大使R3上压降增大,基极电压比UCC低,从而限制了电流的继续增大,导致输出信号正半周幅度也无法接近UCC/2,出现平顶失真。为了解决这个问题,电路中接入了R4、C4组成的自举电路。静态时自举电容C4已充有约为UCC/2上正下负的电压,当UA接近UCC时,UE可升高到接近UCC+UCC/2,这样V2管便可接近饱和导通,从而解决顶部失真问题。图4.1.10中R4称隔离电阻,它将电源UCC与电容C4隔开,使E点可获得高于UCC的自举电压。三、桥式功率放大器(BTL)

OCL和OTL两种功放电路的效率很高,但是它们的缺点是电源的利用率都不高,其主要原因是在输入正弦信号时,在每半个信号周期中,电路只有一个晶体管和一个电源在工作。为了提高电源的利用率,也就是在较低电源电压的作用下,使负载获得较大的输出功率,一般采用平衡式(桥式)无输出变压器电路,又称为BTL电路,如图4.1.11所示。

在输入信号ui正半周时,V1、V4导通,V2、V3截止,负载电流由UCC经V1、RL、V4流到虚地端,如图4.1.11中的实线所示。在输入信号ui负半周时,V1、V4截止,V2、V3导通,负载电流由UCC经V2、RL、V3流到虚地端,如图4.1.11中虚线所示。图4.1.11分立元件BTL电路四、变压器耦合功率放大器

图4.1.12所示为甲类单管变压器耦合功率放大器,图中T2为输出变压器。图4.1.12甲类单管变压器耦合功率放大器在输出端设置输出变压器,一方面实现了信号隔直耦合,使功放电路静态直流工作点独立,负载(喇叭)中无直流电流；另一方面具有阻抗变换作用,通常负载RL的阻抗小于功放管集电极所需最佳阻抗RL′。经变压器T2变换后,有

RL′=n2RL

式中,n=N1/N2,是变压器的匝数比。合理选择匝数比n,可实现阻抗匹配,使负载RL获得最大的功率输出。五、功率放大管的散热和安全使用

1.功率放大管的散热

功率放大管中流过的信号电流较大,管子又存在一定压降,因此消耗在功率放大管上的功率较大,其中大多被处于较高反偏电压的集电结承受并转化为热量,使集电结温度升高。当温度超过最高允许结温时,将使管子损坏。如果采用散热措施,将集电结产生的热量及时散出去,可有效提高管子的允许最大管耗,使功率放大电路有较大功率输出而不损坏管子。如大功率管3AD50,手册规定TJM=90℃,不加散热器时,极限功耗PCM=1W,如果采用手册中规定尺寸为

120mm×120mm×4mm的散热板进行散热,极限功耗可提高到PCM=10W。为了在相同散热面积下减小散热器所占空间,可采用如图4.1.13(a)～(c)所示的几种常用散热器形状,分别为齿轮形、指状形和板条形,所加散热器面积大小的要求,可参考功率放大管产品手册上规定的尺寸。图4.1.13功放管散热板的外形

2.功放管的保护

(1)限制输入、输出幅度。功放管的输入、输出并联二极管或稳压管,如图4.1.14所示。VD3、VD4可限制输入信号幅度,VD5～VD8可限制输出信号幅度。

(2)对感性负载进行相应补偿。为了防止由于接入感性负载而使功放管出现过电压或过电流现象,可在感性负载(扬声器)两端并接RC串联电路,这称为相位补偿网络,它由小电阻R和大电容构成。这样,一旦功放管的输出信号发生突变,感性负载产生的感应电动势加到补偿网络两端,起到了缓解作用,避免了对功放管的冲击。图4.1.14功放管的保护

3.功放管的选择

选择功放管的主要依据是功率放大器的最大输出功率

Pomax和电源电压UCC,并且与各功率放大器的类型有关。为确保功放管安全工作,选管时对极限参数应留有充分的裕量。互补管应选用特性基本相同的配对管,尽可能做到材料相同,电流放大倍数相近,极限参数差异不大。通常选用序号相同的管子作为配对管,必要时还可采用复合管解决配对问题。任务实施分立喊话器的仿真测试

一、实训目的

(1)能利用PROTEUS仿真软件查找相关元件,并能合理设定各元器件参数。

(2)能根据电路图应用仿真软件正确连接线路。

(3)能利用软件对电路进行仿真并实现其功能。二、实训仪器与材料

实训应用PROTEUS软件仿真,具体应用到的虚拟仪器及元件库元件名称如下:

虚拟信号发生器:GENERATORSSINE

虚拟示波器:INSTRUMENTSOSCILLOSCOPE

直流电压表:INSTRUMENTSDCVOLTAGE

电源端子:POWER(+12V)

地端子:TERMINALSGROUND

电阻:RES

电容:CAP

电解电容:Capelec

电位器:Potlin

三极管:NPN、PNP

扬声器:SOUNDER

二极管:diode三、实训内容与步骤

(1)按图4.1.15画好仿真电路。图4.1.15分立元件喊话器

(2)在软件中找到直流电压表,选择合适量程监测K点电压。调节RP1,观察K点电压是否有变化,如何变化,而后调节RP1使UK=UCC/2=6V。

(3)在软件中找到信号发生器代替BM,给系统输入音频信号。用示波器观察输出端BL两端的波形是否存在交越失真,调节RP2,使输出端恰好消除交越失真。

(4)去掉输入信号,用直流电压表再次测量K点电压。若有变化,再调节RP1使UK=UCC/2=6V。

(5)再次接入输入信号,用示波器观察输出端BL两端的波形是否存在交越失真,调节RP2,使输出端恰好消除交越失真。

(6)重复步骤(4)、(5),直至恰好消除交越失真时UK仍然为

6V为止。四、分析与思考

(1)为什么调整好的中点电压在调节RP2后又要重新调整？

(2)调试过程中,为什么要强调“恰好消除交越失真”？

五、实训评价

按附录一中的“电路仿真实训评分表”操作执行。任务二集成喊话器的制作与测试

技能训练集成喊话器的制作与测试

一、实训目的

(1)了解TDA2030A的性能指标,认识其排列,了解各管脚的功能。

(2)能分析电路图。

(3)能对电路的一些参数进行测试。二、实训仪器与材料

稳压电源:HG63303

示波器:UT2062C

万用表:DT9205A

焊接工具:常规

集成功放:TDA2030A

场效应管:2N6660

二极管:1N4001

音箱:常规

电阻:见图4.2.1

电容:见图4.2.1

拾音器:常规三、实训步骤与内容

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

(2)按图4.2.1连接好电路,并认真检查,确认无误后接通电源。短接BM,测量整个电路的静态电流。

(3)保持短接BM,使电路处于静态,用万用表测量TDA2030A的4脚电压。

(4)去掉BM两端的短接线,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。

(5)撰写实训报告。图4.2.1集成喊话器四、分析与思考

(1)本项目实训电路中R7、R8的作用是什么？它们与共发射极放大电路中的上、下偏置电阻有什么不同？

(2)本实训电路中,VD2、VD3的主要作用是什么？

五、实训评价

按附录一中的“电路制作实训评分表”操作执行。知识链接集成功率放大器

一、TDA2030A集成功率放大器

一般集成功率放大器内部电路原理与集成运算放大器相似,TDA2030A集成功率放大器也不例外,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。

TDA2030A的主要参数如下:

输入阻抗:>500kΩ

开环电压增益:75dB(5623倍)

电源电压:±3～±18V

最大输出功率:30W(UCC=±18V,RL=4Ω,OCL连接)

静态电流:<60mA

频带宽:15kHz

集成功放TDA2030A的外形如图4.2.2(a)所示。引脚功能与集成运放相同,具有同相输入端、反相输入端、正电源输入端、负电源输入端和输出端共5个引脚。背面金属板上圆孔用以安装散热器。图4.2.2TDA2030集成功放的典型应用二、TDA2030A集成功放的典型应用

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4.2.2(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。因此闭环放大倍数为Auf=1+R1/R2≈33.4。

R3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、C5为高频校正网络,其作用是抑制高频自激振荡。VD1、VD2用作外接保护电路,泄放RL自感应电压。C3、C4用以消除电源高频干扰。

2.单电源应用电路

对仅有一组电源的中、小型音响电路,可采用单电源连接方法,其电路如图4.2.2(c)所示。由于采用单电源,故用R1、R2和R3使输入端为(1/2)UCC的中点电位,向输入级提供直流偏置。C1和C2分别用以消除电源的低频和高频干扰。其他元件与双电源电路中的作用相同。其闭环电压放大倍数为三、集成功放电路外围元件连接的一般规律

集成功放电路类型非常多,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分析判断。大多数芯片外围元件连接有以下规律:

(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4.2.2(b)中R3；对OTL电路,为取得UCC/2直流电位,需用电阻分压,如图4.2.2(c)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。小结

主要用于向负载提供功率的放大电路称为功率放大电路。在功率放大电路中提高效率是十分重要的,这不仅可以减小电源的能量消耗,同时对降低功率管管耗,提高功率放大电路工作的可靠性是十分有效的。因此,低频功率放大电路常采用乙类(或甲乙类)工作状态来降低管耗,以提高输出功率和效率。

甲乙类互补对称功率放大电路由于其电路简单、输出功率大、效率高、频率特性好和适于集成化等优点而被广泛应用。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