路模電子教案7.3

1、7.3功率放大電路功率放大電路 功率放大電路在多級(jí)放大電路中處于最后一級(jí)，又稱輸出級(jí)。其主要作用是輸出足夠大的功率去驅(qū)動(dòng)負(fù)載，如揚(yáng)聲器、伺服電機(jī)、指示表頭、記錄器等。功率放大電路要求：輸出電壓和輸出電流的幅度都比較大；效率高。因此，三極管工作在大電壓、大電流狀態(tài)，管子的損耗功率大，發(fā)熱嚴(yán)重，必須選用大功率三極管，且要加裝符合規(guī)定要求的散熱裝置。由于三極管處于大信號(hào)運(yùn)用狀態(tài)，不能采用微變等效電路分析法，一般采用圖解分析法。 1. OCL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路 OCL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路全稱為無(wú)輸出電容的互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，簡(jiǎn)稱為OCL電路，電路如圖7.36所示。 圖7.36 OCL功率放大電路

2、7.3.1互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路 (1) 靜態(tài)分析 當(dāng)ui=0時(shí)，因電路上下對(duì)稱，靜態(tài)發(fā)射極電位UE=0，負(fù)載電阻RL中無(wú)電流通過(guò)，u o=0。因三極管處于 微 導(dǎo) 通 狀 態(tài) ， 所 以 兩 管 的 IB 0 、 IC 0 、 UCE = UCC ，基本無(wú)靜態(tài)功耗。 (2) 動(dòng)態(tài)分析 為便于分析，將圖7.36簡(jiǎn)化為圖7.37(a) 所示的原理電路，且暫不考慮管子的飽和管壓降UCES和b、e極間導(dǎo)通電壓UBE 。 (a) 電路原理電路圖 （b）輸入波形 （c）輸出波形 圖7.37 簡(jiǎn)化OCL功率放大電路 在ui正半周，V2導(dǎo)通、V3截止，+UCC通過(guò)V2向RL供電，在RL上獲

3、得跟隨ui的正半周信號(hào)電壓uo，即（uou i）； 在ui負(fù)半周，V2截止，V3導(dǎo)通，-UCC通過(guò)V3向RL供電，在RL上獲得跟隨ui的負(fù)半周信號(hào)電壓uo 。 負(fù)載RL上輸出如圖7.37(c) 所示。由上分析可知：輸出電壓uo雖未被放大，但 由于iL= ie=（1+）ib，具有電流放大作用，因此具有功率放大作用。圖7.38 OCL 電路圖解分析波形圖 從圖中可知，uCE1=UCC-uo、 uCE2= -UCC-uo ，其中uo在任一個(gè)半周期內(nèi)為導(dǎo)通三極管的uce，即uo= - uce=ui。通常要求功率放大電路工作在最大輸出狀態(tài)，輸出電壓幅值為uom(max)=UCC-UCESUCC，此時(shí)，截

4、止管承受的最大電壓為2UCC。當(dāng)功率放大電路工作在非最大輸出狀態(tài)時(shí)，輸出電壓幅值為Uom=IomRL=Ucem=Uim，其大小隨輸入信號(hào)幅度而變。這些參數(shù)間的關(guān)系是計(jì)算輸出功率和管耗的重要依據(jù)。 (3) 參數(shù)計(jì)算 最大輸出功率Pom 最大的輸出功率為：Pom= IomUom= = 當(dāng)功率放大器工作在非最大輸出狀態(tài)時(shí)，輸出功能率為： Po = IomUom= = LomRU2LCCRU221LomRU2LimRU22121212121 直流電源供給的功率PU 在一個(gè)周期內(nèi)電源向兩個(gè)功放管提供的直流功率PU為： PU = 當(dāng)功率放大器工作在最大輸出狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)直流電源供給的總功率為: PUm= 2

5、CCLomURULCCRU22 效率 = 當(dāng)功率放大電路工作在最大輸出狀態(tài)時(shí)，效率為: = = 78.5% 實(shí)用中三極管UCES，UBE等是客觀存在的，因此，功率放大電路實(shí)際效率約60% 。 UoPP42222LCCLCCUmomRURUPP 三極管管耗PV 直流電源供給的功率與輸出功率的差值，即為兩只三極管上的管耗，所以每只管子的管耗為 PV =(PU Po) 功率放大電路工作在最大輸出狀態(tài)時(shí)的管耗，并不是最大管耗，每只三極管的最大管耗約為0.2Pom。21 例8 在圖7.36所示電路中，UCC1= UCC2= UCC=24V；RL=8，試求： 10 當(dāng)輸入信號(hào)Ui=12V(有效值)時(shí)，電路

6、的輸出功率、管耗、直流電源供給的功率及效率。 20 輸入信號(hào)增大至使管子在基本不失真情況下輸出最大功率時(shí)，互補(bǔ)對(duì)稱電路的輸出功率、管耗、電源供給的功率及效率。 30 晶體管的極限參數(shù)。 解：10 在Ui=12V有效值時(shí)的幅值為：Uim=Ui17V，即UomUi=17V。故Po= =18.1WPU=32.5WPV = PU Po = 32.5 18.1 = 14.4W =55.7%221LomRU28172122CCLomURU224817UoPP5 .321 .18 20 在最大輸出功率時(shí)，最大輸出電壓為24V。Pom= = =36W PUm= = =45.8W PV = PU Po= 45.

7、8 - 36 = 9.8W (此時(shí)兩管的功耗并不是最大功耗) = = 78.5% 21LCCRU2LCCRU22824228 .4536UmomPP21824230 晶體管的極限參數(shù) PCM0.2Pom=0.236=7.2W(每一管) U(BR)CEO2UCC=224 = 48V ICM = 3A824LCCRU（4）交越失真 交越失真的波形如圖7.39所示 。圖7.39 交越失真波形 解決交越失真的辦法是為三極管V2、V3提一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使三極管處于微導(dǎo)通狀態(tài)，如圖7.36中的V4、V5。 2OTL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路 OTL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路全稱為無(wú)輸出變壓器的功率放大電路，簡(jiǎn)稱

8、為OTL電路，如圖7.40所示。 圖 7.40 OTL功率放大電路 (1) 各元件作用 V1為功放管提供推動(dòng)電壓；RP1、RB1、R B2為V1提供靜態(tài)工作點(diǎn)，同時(shí)還可使UK=1/2UCC；V2 V3、V4V5為兩只復(fù)合三極管，分別等效為NPN和PNP 型。V6、V7、RP2為V2V3、V4V5提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，調(diào)節(jié)RP2可以改變靜態(tài)工作點(diǎn)；Co為輸出耦合電容，一方面將放大后的交流信號(hào)耦合給負(fù)載RL，另一方面作為V4、V5導(dǎo)通時(shí)的直流電源，因此要求容量大，穩(wěn)定性高。C1、R1為自舉電路。 (2)工作原理 ui為負(fù)半周時(shí)，V1集電極信號(hào)為正半周，V2、V3導(dǎo)通，V4、V5截止。在信號(hào)電流流向

9、負(fù)載RL形成正半周輸出的同時(shí)向Co充電，使UCo=1/2UCC。ui正半周時(shí)，V1集電極信號(hào)為負(fù)半周，V2、V3截止，V4、V5導(dǎo)通。此時(shí)，Co上的1/2UCC與V4、V5形成放電回路，若時(shí)間常數(shù)RLC遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)的半周期，則電容上電壓基本不變，而流過(guò)管子和負(fù)載的電流仍由基極控制，這樣在負(fù)載上獲得負(fù)半周輸出信號(hào)，于是負(fù)載上獲得完整的正弦信號(hào)輸出。 (3) 參數(shù)計(jì)算 OTL 電路與OCL電路相比，每個(gè)功放管實(shí)際工作電源電壓為1/2UCC，因此將（7.37）（7.43）中UCC用1/2UCC替換即得相應(yīng)的參數(shù)計(jì)算公式。 例9在圖7.41所示電路中，已知：RB1=22k 、RB2=47k、RE1=

10、24 、RE2= RE3=0.5、 R1=240、RP=470、RL=8，V2為3DD01A、V3為3CD10A，V4、V5為2CP。試求： 10 最大輸出功率 20 若負(fù)載RL上的電流為iL=0.8sint（A）時(shí)的輸出功率和輸出電壓幅值。 圖7.41 例9的電路圖 解：10 最大輸出功率 Pom= =9W 20 輸出功率 Po= =2.56W 輸出電壓幅值 U om=0.8 8=6.4V81221)21(2122LCCRU88 .02127.3.2集成功率放大器 1. 音頻集成功率放大器 (1) SL 4112 SL 4112的外形及管腳如圖7.42所示。該集成功放有14只引腳，內(nèi)部設(shè)有靜

11、噪抑制電路，因而接通電源時(shí)爆破噪聲很小。它具有電源電壓范圍寬，降壓特性良好等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種收錄機(jī)。主要參數(shù)為：電源9V、輸出功率2.3W、輸入阻抗20k、電壓增益68dB、諧波失真2% 。 圖7.42 SL 4112引腳圖 圖 7.43 SL 4112應(yīng)用電路 (2) TDA 2030 TDA 2030的外形及引腳如圖7.44(a)所示。該集成功放只有5只引腳，它接線簡(jiǎn)單，既可以接成OCL電路，又可以接成OTL電路，廣泛應(yīng)用于音響設(shè)備中。其內(nèi)部設(shè)有短路保護(hù)電路，具有過(guò)熱保護(hù)能力。主要參數(shù)為：電源618V、輸出功率9W、輸入阻抗5M、電壓增益30dB、諧波失真0.2% 。TDA 2030的典型

12、應(yīng)用電路如圖7.44(b)所示。 (a) (b) 圖 7.44 TDA 2030 應(yīng)用電路 2. 雙音頻集成功率放大器 (1) BTL電路 BTL功率放大器，其主要特點(diǎn)是在同樣電源電壓和負(fù)載電阻條件下，它可得到比OCL或OTL電路大幾倍的輸出功率，其工作原理圖如圖7.45所示。 圖 7.45 BTL原理電路 靜態(tài)時(shí)，電橋平衡，負(fù)載RL中無(wú)直流電流。動(dòng)態(tài)時(shí)，橋臂對(duì)管輪流導(dǎo)通。在ui正半周，上正下負(fù)，V1、V4導(dǎo)通，V2、V3截止，流過(guò)負(fù)載RL的電流如圖中實(shí)線所示；在ui負(fù)半周，上負(fù)下止，V1、V4截止，V2、V3導(dǎo)通，流過(guò)負(fù)載RL的電流如圖中虛線所示。忽略飽和壓降，則兩個(gè)半周合成，在負(fù)載上可得到

13、幅度為UCC的輸出信號(hào)電壓。 (2) LM378 LM378的外形及管腳如圖7.46所示。主要參數(shù)為：電源1035V、輸出功率4W/信道、輸入電阻3k、電壓增益34dB、帶寬50kHz。 圖7.46 LM378引腳圖 反相立體聲放大器 反相立體聲放大電路如圖7.47所示。 圖7.47 簡(jiǎn)單反相立體聲放大器 橋式結(jié)構(gòu)單放大器橋式結(jié)構(gòu)單放大電路如圖7.48所示。 圖7.48 BTL電路 (3) TDA 1519 TDA 1519的外形及管腳如圖7.49所示。內(nèi)部設(shè)有多種保護(hù)電路(負(fù)載開(kāi)路、AC及DC對(duì)地短路等)，并有靜噪控制及電源等待狀態(tài)等功能。它在雙聲道工作時(shí)只要外接4只元件，BTL工作時(shí)只要外

14、接1只元件，無(wú)需調(diào)整就能滿意地工作。主要參數(shù)為：電源618V、輸出功率5.5W(單聲道，RL=4) 22W(BTL，RL=4)、電壓增益40dB(立體聲) 46dB(BTL)、諧波失真10% 。TDA1519典型應(yīng)用電路如圖7.50所示。 圖7.49 TDA1519引腳圖 (a) 立體聲電路 (b)BTL電路 圖7.50 TDA1519典型應(yīng)用 3.場(chǎng)輸出集成功率放大器 場(chǎng)輸出集成功率放大器是用于顯示器、電視機(jī)場(chǎng)掃描電路的專用功率放大器，內(nèi)部采用泵電源型OTL電路形式，封裝一般為單列直插式。 (1) 泵電源電路 圖7.51所示為IX0640CE和外圍元件組成的場(chǎng)輸出電路。圖中V4、V5、V6、

15、V7及外接元件V8、C構(gòu)成泵電源電路。 圖51 IX0640CE組成的場(chǎng)輸電路 在場(chǎng)輸出鋸齒波正程期內(nèi)，電源通過(guò)V8及V6對(duì)C充電，C兩端電壓很快充到UCC，極性為上正下負(fù)。 在場(chǎng)輸出鋸齒波逆程期間，電源電壓UCC與電容C上的電壓串聯(lián)供電，場(chǎng)輸出級(jí)電源電壓上升為2UCC，實(shí)現(xiàn)了泵電源供電，即在場(chǎng)掃描正程期間采用低電壓供電，而在逆程期間采用高電壓供電。(2) 應(yīng)用電路IX0640CE的外形及引腳如圖7.52所示。 圖 7.52 IX0640CE引腳圖 圖7.53(b)為TDA8172的應(yīng)用電路，場(chǎng)鋸齒波信號(hào)經(jīng)RP1、R2從P1腳進(jìn)入集成功放，調(diào)節(jié)RP1可以改變場(chǎng)幅；RP2、C2組成微分電路，由于

16、C2和C3的存在對(duì)鋸齒波中的高頻分量分流作用大，對(duì)低頻分量分流作用小，因此它們構(gòu)成預(yù)失真，以使場(chǎng)偏轉(zhuǎn)線圈中鋸齒波電流線性良好；R3、R4構(gòu)成直流反饋，可穩(wěn)定工作點(diǎn)，C3用來(lái)濾除反饋信號(hào)中的交流成分；R5、R6為交流電流負(fù)反饋，改善鋸齒波電流線性；V1、C1同內(nèi)部電路構(gòu)成逆程泵電源，實(shí)現(xiàn)自舉升壓；放大后的鋸齒波信號(hào)從P5腳輸出，送場(chǎng)偏轉(zhuǎn)線圈，C4是輸出耦合電容。 IX0640CE的應(yīng)用電路如圖7.51所示。場(chǎng)鋸齒波信號(hào)從P4進(jìn)入集成功放后首先加在V1的基極，經(jīng)過(guò)V1放大后推動(dòng)V2、V3組成的互補(bǔ)推挽場(chǎng)輸出電路，再?gòu)腜2腳輸出送場(chǎng)偏轉(zhuǎn)線圈，實(shí)現(xiàn)功率放大。 TDA8172的外形及引腳如圖7.53(a

17、)所示。 圖7.53(a) TDA8172引腳圖 圖7.53(b) TDA8172組成的場(chǎng)輸出電路 本章小結(jié)本章小結(jié) 一、一、放大電路中“放大”的實(shí)質(zhì)，是通過(guò)三極管（或場(chǎng)效應(yīng)管）的作用進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，即將直流電源的能量轉(zhuǎn)換為負(fù)載獲得的能量。放大電路的組成原則是必須有電源，核心元件是三極管（或場(chǎng)效應(yīng)管），要有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，并保證放大電路在放大信號(hào)的整個(gè)周期，三極管（或場(chǎng)效應(yīng)管）都工作在特性曲線的線性放大區(qū)。放大電路工作時(shí)，電路中各電壓、電流值是直流量和交流量疊加的結(jié)果。電路分析由靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析兩部分組成。靜態(tài)分析借助直流通路，用估算法或圖解法確定靜態(tài)工作點(diǎn)。動(dòng)態(tài)分析借助交流通路，用圖解法或微變等效電路法確定電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。常用的穩(wěn)定工作點(diǎn)電路有射極偏置電路(基極分壓式偏置電路)、集基耦合電路和溫度補(bǔ)償電路。 二、共集電極電路由于輸入電阻高，輸出電阻低，并具有電壓跟隨特性，廣泛應(yīng)用于輸出級(jí)或隔離級(jí)。共基極電路由于頻率特性好，常用于高頻放大。阻容耦合多級(jí)放大電路，由于各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)互不影響，調(diào)試方便，常被用來(lái)進(jìn)一步提高放大倍數(shù)，但計(jì)算每級(jí)放大倍數(shù)時(shí)應(yīng)考慮前、后級(jí)之間的相互影響。場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的分析方法和步驟與三極管放大電路類似，各種類型的放大電路與相應(yīng)的三極管放大電路具