《电工电子技术简明教程》课件-第8章

项目8集成功放及其应用8.1功率放大电路8.2集成功率放大器及其典型应用实训任务集成功率放大器的制作练习题

知识目标

(1)学习功率放大器的基本知识,掌握功率放大器的技术指标。

(2)熟悉集成功率放大器的特点。

(3)掌握不同功率集成功率放大器的典型应用。

技能目标

(1)会用万用表对集成功率放大器进行正确测量,并对其质量作出评价。

(2)会按照电路图连接集成功率放大器的应用电路。

(3)会对集成功率放大器的应用电路进行调试。

8.1功率放大电路

8.1.1功率放大电路的任务及功率晶体管的特点电压放大电路均属小信号放大电路,它们主要用于增强信号的电压或电流的幅度。实际上,很多电子设备的输出要带动一定的负载,如驱动扬声器,使之发出声音;驱动电表,使其指针偏转;控制电机工作等,这就要求放大电路要向负载提供足够大的信号功率。能输出信号功率足够大的电路就是功率放大电路,简称功放。

1.功率放大电路的任务

电子设备中的放大器一般由前置放大器和功率放大器组成,其组成框图如图8－1所示。前置放大器的主要任务是不失真地提高输入信号的电压或电流的幅度,而功率放大器的任务是在信号失真允许的范围内,尽可能输出足够大的信号功率,即:不但要输出大的信号电压,还要输出大的信号电流,以满足负载正常工作的要求。图8－1放大器组成方框图

2.功率放大电路的主要技术指标

(1)输出功率:功放电路根据负载要求向负载提供的有用信号功率。

一般对功率放大器都用最大输出功率来衡量它的放大能力。最大输出功率是指在输入信号为正弦波时,电路的输出波形不超过规定的非线性失真指标时,放大器的最大输出电压和最大输出电流有效值的乘积,即

(2)效率:放大电路提供给负载的功率是由直流电源提供的。放大电路的效率定义为放大电路输出给负载的功率与直流电源所提供的功率之比,即

当直流电源所提供的功率一定时,为了向负载提供尽可能大的信号功率,则必须减少功率放大电路自身的损耗。

(3)管耗:功放电路中直流电源提供的功率除了供给负载外,其他部分主要被功率管所消耗,这部分功率称为管耗:

(4)非线性失真:由于在功率放大电路中,三极管的工作点在大范围内变动,输出波形的非线性失真比小信号放大电路要严重得多。在实际的功率放大电路中,应根据负载的要求来规定允许的信号失真范围。

3.使用功率晶体管需要注意的问题

功率管的作用是把直流电源的能量按照输入信号的变化规律传送给负载。电路工作在大信号情况下,功率管的管耗较大,必须考虑其散热问题。又由于功率管处于大电流、高电压状态,故需考虑其安全和保护问题。

8.1.2功率放大电路的类型

1.按照功放管静态工作点分类

功率放大电路按照功放管静态工作点的不同,可分为甲类、乙类和甲乙类,在高频功放中还有丙类和丁类之分。

甲类功放的三极管其静态工作点在放大区的中间,所以在输入信号的整个周期内,管子中都有电流流过。

乙类功放的三极管其静态工作点在放大区与截止区的交线上,在输入信号的一个周期内,管子只在半个周期内有电流流过,显然,乙类放大电路需要两个管子分别对信号的正负半周进行放大,才能完成对信号的放大。

甲乙类功放的三极管其静态工作点在靠近截止线的放大区内,在信号的一个周期内,管子有半个多周期内有电流流过,显然,甲乙类放大电路也需要两个管子才能完成对信号的放大。这三种类型的功放其三极管的集电极电流如图8－2所示。图8－2三种类型的功放其三极管的集电极电流波形

甲类功放电路的优点是失真波形小,缺点是静态工作点电流大,管耗大,放大电路效率低,它主要用于小功率放大电路中。乙类和甲乙类放大电路的优点是管耗小,放大电路效率高,故在功率放大电路中得到广泛应用。在实际电路中,均采用两管轮流导通的推挽电路来减小失真和增大输出功率。

2.按功放电路中输出信号与负载的耦合方式分类

1)变压器耦合功率放大电路

传统的功率放大电路常常采用变压器耦合方式的功率放大电路。图8－3所示为一个典型的变压器耦合功率放大电路的原理图及工作波形图。图8－3变压器耦合(乙类推挽)功率放大电路

2)OCL互补对称式功率放大电路

图8－4(a)是一个OCL乙类互补对称功率放大电路,它采用正、负双电源供电,VT1、VT2为两个特性相同的异型三极管。图8－4OCL乙类互补对称功率放大电路

图8－5是一个OCL甲乙类互补对称功率放大电路。在图中的R、VD1、VD2加在VT1、VT2两管的基极之间,以供给VT1、VT2一定的偏压。在工程估算中,由于静态电流较小,所以这种电路仍可以用乙类互补对称电路的有关公式来估算电路的输出功率和效率等性能指标。图8－5OCL甲乙类互补对称功率放大电路

在OCL甲乙类互补对称功率放大电路中常用的偏置电路还有UBE扩大电路,如图8－6所示。只要调节电路中的电阻R1和R2的比值便可满足电路中对偏置电压的需要。图8－6UBE扩大电路

3)OTL互补对称式功率放大电路

图8－7为典型的OTL互补对称功率放大电路。

OTL(没有输出变压器)互补对称功率放大电路与变压器耦合功率放大电路及OCL功率放大电路相比,其主要特点是:

①没有输出变压器;

②只用一路直流电源VCC;

③用电容C代替了OCL电路中负电源的作用。

由于OTL互补对称功率放大电路的VT1、VT2两管实际工作电压仅为VCC/2,故其指标的估算与OCL不尽相同。OTL电路与OCL电路性能指标估算结果的比较如表8－1所示。

4)采用复合管的功放电路

如图8－8是由复合管组成的甲乙类互补对称功率放大电路。由于组成复合管的大功率管是同种类型的管子,但组成的复合管却是两种类型,所以由复合管组成的功放电路又称为“准互补对称电路”,这种电路解决了两种不同类型的大功率管不好配对的问题。图8－8由复合管组成的甲乙类互补对称功率放大电路

各元器件的作用如下:

(1)VT1、RB1、RB2、RE组成前置电压放大级,RB1接至E点,构成电压并联负反馈,并且是交、直流负反馈,既改善了电路的信念,又用来稳定电路的静态工作点;

(2)VT2、VT3两管组成NPN型复合管,VT4、VT5两管组成PNP型复合管。由于VT3、VT5为同一类型的大功率管,使电路有较好的对称性;

(3)R2、D1、D2、D3构成输出级的小正偏电路,用来消除交越失真;

(4)R3、R5是泄放电阻,给小功率管的穿透电流提供回路,以免使之流入大功率管,

可以提高复合管的温度稳定性;

(5)R4是VT2、VT4管的平衡电阻,可保证VT2、VT4管的输入电阻对称;

(6)R6、R7是阻值很小的电阻,具有负反馈作用,以提高电路的工作稳定性,同时还具有过流保护作用。

8.2集成功率放大器及其典型应用

集成功率放大器除具有一般集成电路的特点外,还具有温度稳定性好、电源利用率高、功耗低、非线性失真小等优点。有时还将各种保护电路如过流保护、过压保护、过热保护等电路集成在芯片内部,使集成功率放大器的使用更加安全可靠。

8.2.1小功率通用型集成功放———LM386

LM386是目前应用较广的一种小功率通用型集成功率放大电路,其特点是电源电压范围宽(4~16V)、功耗低(常温下是660mW)、频带宽(300kH)。此外,电路的外接元件少,

应用时不必加散热片,广泛应用于收音机、对讲机、双电源转换、方波和正弦波发生器等。图8－9(a)为LM386的内部电路图,图8－9(b)为其管脚排列图。此管采用8脚双列直插式塑料封装,管脚1和8之间外接阻容电路可改变集成功放的电压放大倍数(20~200),当1脚和8脚间开路时电压放大倍数为20,1和8脚间短路时,电压放大倍数为200。图8－9LM386集成功率放大电路

8.2.2中功率集成功率放大电路———TDA2616/Q

TDA2616/Q是PHILIPS公司生产的具有静噪功能的12W双声道高保真功率放大器,主要用于对音频信号的放大,多用在立体声录音机中。TDA2616/Q采用9脚单列直插式封装,各引脚功能见图8－10(a)所示。其中2脚为静音控制端,当该脚接低电平时,TDA2616/Q处于静音状态,输出端停止输出;2脚接高电平时,TDA2616/Q处于工作状态。

TDA2616/Q的最大输出功率为15W,失真度不大于0.2%。TDA2616/Q既可以采用单电源供电,也可采用双电源供电,这是它的一个特点,非常方便使用。采用单电源供电时

的应用电路如图8－10(b)所示,这时电路构成了OTL电路;采用双电源供电时的应用电路如图8－10(c)所示,这时电路构成了OCL电路。当然两种形式的电路其输出功率是不同的。

图8－10TDA2616/Q—中功率集成功放及其典型应用

8.2.3大功率集成功放———LM1875

LM1875的外形和引脚如图8－11所示。LM1875的额定输出功率为30W。图8－11LM1875的外形和引脚图

用LM1875集成功率放大器可以构成OTL电路,如图8－12所示。还可以构成OCL电路,如图8－13所示。图8－12用LM1875集成功放构成OTL电路图8－13用LM1875集成功放构成OCL电路

8.2.4“傻瓜”型集成功放模块

近几年来,市场上出现了一种号称为“傻瓜功放”的集成功放,这是一个功能电路模块,其内部电路与OTL或OCL电路大体相同。

图8－14(a)为1006型“傻瓜功放”的内部电路框图,可以看到,它也是由前置级、驱动级和互补推挽输出级组成,另外还包括了滤波、静噪和一些保护电路。这些电路的全部元器件都集成在一块基片上,然后加以封装,模块的外部只需接上音源、扬声器和电源,不需要进行复杂的调试就能令人满意地工作,是一种使用方便、性能良好的通用型集成功放模块。图8－141006型“傻瓜功放”模块及其典型应用

图8－15是“傻瓜”功放模块175的外形照片和典型应用。它采用±35V电源供电,最大输出功率为75W。这种功放模块的闭环增益为30dB,频率响应为10Hz~50kHz,失真度不大于0.7%。图8－15“傻瓜”功放模块175的外形照片及其典型应用电路

D类放大器与模拟功放相比有如下一些明显优势:

1.整个频段内无相对相移,声场定位准确

由于采用无负反馈的放大电路、数字滤波器等处理技术,可以将输出滤波器的截止频率设计得较高,从而保证在20Hz~20kHz内得到平坦的幅频特性和很好的相频特性。

2.瞬态相应好,即“动态特性”好

由于它不需传统功放的静态电流消耗,所有能量几乎都是为音频输出而储备,加之无模拟放大、无负反馈的牵制,故具有更好的“动力”特征。

3.无过零失真

传统功放由于对管配对不对称及各级调整不佳容易产生交越失真。

4.效率高、可靠性高、体积小

D类功放中的功率晶体管工作在开关状态,其效率高达80%~90%,使用时不需要对功率管加装散热器,或者只需要一只很小的散热器,特别适合用在汽车等场合。在D类功放中的开关管绝大多数采用的是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET管),它的开关导通电阻较小,一般远远小于1Ω,所以热损耗很小。

这里介绍一个用555电路制作的简易D类放大器,如图8－16所示。图8－16用555制作的D类放大器

实训任务24集成功率放大器的制作

一、看一看(1)看一看如图8－17所示的一些集成功率放大器的外形,认识这些功率集成电路的封装形式。集成功率放大器的封装材料有塑料、陶瓷及金属三种。封装外形最多的是圆筒形、扁平形、单列直插形和双列直插形。图8－17常用集成功率放大器的封装形式

圆筒形金属壳封装多为8脚、10脚及12脚,扁平形陶瓷封装多为12脚及14脚,单列直插式塑料封装多为9脚、10脚、12脚、14脚及16脚,双列直插式陶瓷封装多为8脚、

12脚、14脚、16脚及24脚,双列直插式塑料封装多为8脚、12脚、14脚、16脚、24脚、42脚及48脚。

集成功率放大器在使用时,一般都需要加装散热片,散热片的尺寸需要按照集成功率放大器的要求配备。

集成功率放大器的封装外形不同,其引脚排列顺序也不一样。对圆筒形金属壳封装的集成电路,识别引脚时应面向引脚(正视),由定位标记所对应的引脚开始,按顺时针方向依次数到底即可。常见的定位标记有突耳、圆孔及引脚不均匀排列等。

对单列直插式集成功放电路,识别其引脚时应使引脚向下,面对型号或定位标记,自定位标记对应一侧的头一只引脚数起,依次为①、②、③、…脚。这一类集成电路上常用的定位标记为色点、凹坑、小孔、线条、色带、缺角等。

对双列直插式集成电路,识别其引脚时,若引脚向下,即其型号、商标向上,定位标记在左边,则从左下角第1只引脚开始,按逆时针方向,依次为①、②、③、…脚;若引脚向上,即其型号、商标向下,定位标志位于左边,则应从左上角第1只引脚开始,按顺时针方向,依次为①、②、③、…脚。顺便指出,有个别型号集成电路的引脚,在其对应位置上有缺脚(即无此输出引脚)。

(2)集成功率放大器型号的认读。

对各种集成功率放大器进行实物认识,读出印刷在集成功率放大器上的字母和数字,填在表8－2中。

二、用万用表对集成功率放大器进行测量

操作步骤:

(1)将指针式万用表的挡位选择在R×100挡,对LM386集成功率放大器进行测量。按照表83中的要求,分别测量出集成功率放大器的各管脚对地间的正向电阻值和反向电阻值,将测量值填在表8－3中。

(2)将数字式万用表的挡位选择在测量二极管的挡位,对各种集成功率放大器的各管脚对地间进行测量,将测量值填在表8－3中。

三、用D2006制作集成功率放大器

D2006是一种单电源供电、额定输出功率达6W的集成功率电路。集成功放D2006的外形如图8－18所示,其各个引脚的作用见表8－4。图8－18集成功放D2006的外形图

(1)按照图8－19将电路装配好。

图8－19D2006组成的集成功率放大器电路图

(2)调节直流稳压电源,使之输出+12V电源。将+12V电源接到集成功放电路中。

(3)调节信号发生器,使之输出幅值为20mV、频率为1kHz的正弦波信号ui,接到电路的输入端,用毫伏表测量输出电压uo。

(4)在电路的输出端接上示波器,观察波形,读出幅值。