《電工電子技術(shù)簡明教程》課件-第8章

項(xiàng)目8集成功放及其應(yīng)用8.1功率放大電路8.2集成功率放大器及其典型應(yīng)用實(shí)訓(xùn)任務(wù)集成功率放大器的制作練習(xí)題

知識(shí)目標(biāo)

(1)學(xué)習(xí)功率放大器的基本知識(shí),掌握功率放大器的技術(shù)指標(biāo)。

(2)熟悉集成功率放大器的特點(diǎn)。

(3)掌握不同功率集成功率放大器的典型應(yīng)用。

技能目標(biāo)

(1)會(huì)用萬用表對集成功率放大器進(jìn)行正確測量,并對其質(zhì)量作出評價(jià)。

(2)會(huì)按照電路圖連接集成功率放大器的應(yīng)用電路。

(3)會(huì)對集成功率放大器的應(yīng)用電路進(jìn)行調(diào)試。

8.1功率放大電路

8.1.1功率放大電路的任務(wù)及功率晶體管的特點(diǎn)電壓放大電路均屬小信號(hào)放大電路,它們主要用于增強(qiáng)信號(hào)的電壓或電流的幅度。實(shí)際上,很多電子設(shè)備的輸出要帶動(dòng)一定的負(fù)載,如驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器,使之發(fā)出聲音;驅(qū)動(dòng)電表,使其指針偏轉(zhuǎn);控制電機(jī)工作等,這就要求放大電路要向負(fù)載提供足夠大的信號(hào)功率。能輸出信號(hào)功率足夠大的電路就是功率放大電路,簡稱功放。

1.功率放大電路的任務(wù)

電子設(shè)備中的放大器一般由前置放大器和功率放大器組成,其組成框圖如圖8－1所示。前置放大器的主要任務(wù)是不失真地提高輸入信號(hào)的電壓或電流的幅度,而功率放大器的任務(wù)是在信號(hào)失真允許的范圍內(nèi),盡可能輸出足夠大的信號(hào)功率,即:不但要輸出大的信號(hào)電壓,還要輸出大的信號(hào)電流,以滿足負(fù)載正常工作的要求。圖8－1放大器組成方框圖

2.功率放大電路的主要技術(shù)指標(biāo)

(1)輸出功率:功放電路根據(jù)負(fù)載要求向負(fù)載提供的有用信號(hào)功率。

一般對功率放大器都用最大輸出功率來衡量它的放大能力。最大輸出功率是指在輸入信號(hào)為正弦波時(shí),電路的輸出波形不超過規(guī)定的非線性失真指標(biāo)時(shí),放大器的最大輸出電壓和最大輸出電流有效值的乘積,即

(2)效率:放大電路提供給負(fù)載的功率是由直流電源提供的。放大電路的效率定義為放大電路輸出給負(fù)載的功率與直流電源所提供的功率之比,即

當(dāng)直流電源所提供的功率一定時(shí),為了向負(fù)載提供盡可能大的信號(hào)功率,則必須減少功率放大電路自身的損耗。

(3)管耗:功放電路中直流電源提供的功率除了供給負(fù)載外,其他部分主要被功率管所消耗,這部分功率稱為管耗:

(4)非線性失真:由于在功率放大電路中,三極管的工作點(diǎn)在大范圍內(nèi)變動(dòng),輸出波形的非線性失真比小信號(hào)放大電路要嚴(yán)重得多。在實(shí)際的功率放大電路中,應(yīng)根據(jù)負(fù)載的要求來規(guī)定允許的信號(hào)失真范圍。

3.使用功率晶體管需要注意的問題

功率管的作用是把直流電源的能量按照輸入信號(hào)的變化規(guī)律傳送給負(fù)載。電路工作在大信號(hào)情況下,功率管的管耗較大,必須考慮其散熱問題。又由于功率管處于大電流、高電壓狀態(tài),故需考慮其安全和保護(hù)問題。

8.1.2功率放大電路的類型

1.按照功放管靜態(tài)工作點(diǎn)分類

功率放大電路按照功放管靜態(tài)工作點(diǎn)的不同,可分為甲類、乙類和甲乙類,在高頻功放中還有丙類和丁類之分。

甲類功放的三極管其靜態(tài)工作點(diǎn)在放大區(qū)的中間,所以在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi),管子中都有電流流過。

乙類功放的三極管其靜態(tài)工作點(diǎn)在放大區(qū)與截止區(qū)的交線上,在輸入信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi),管子只在半個(gè)周期內(nèi)有電流流過,顯然,乙類放大電路需要兩個(gè)管子分別對信號(hào)的正負(fù)半周進(jìn)行放大,才能完成對信號(hào)的放大。

甲乙類功放的三極管其靜態(tài)工作點(diǎn)在靠近截止線的放大區(qū)內(nèi),在信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi),管子有半個(gè)多周期內(nèi)有電流流過,顯然,甲乙類放大電路也需要兩個(gè)管子才能完成對信號(hào)的放大。這三種類型的功放其三極管的集電極電流如圖8－2所示。圖8－2三種類型的功放其三極管的集電極電流波形

甲類功放電路的優(yōu)點(diǎn)是失真波形小,缺點(diǎn)是靜態(tài)工作點(diǎn)電流大,管耗大,放大電路效率低,它主要用于小功率放大電路中。乙類和甲乙類放大電路的優(yōu)點(diǎn)是管耗小,放大電路效率高,故在功率放大電路中得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際電路中,均采用兩管輪流導(dǎo)通的推挽電路來減小失真和增大輸出功率。

2.按功放電路中輸出信號(hào)與負(fù)載的耦合方式分類

1)變壓器耦合功率放大電路

傳統(tǒng)的功率放大電路常常采用變壓器耦合方式的功率放大電路。圖8－3所示為一個(gè)典型的變壓器耦合功率放大電路的原理圖及工作波形圖。圖8－3變壓器耦合(乙類推挽)功率放大電路

2)OCL互補(bǔ)對稱式功率放大電路

圖8－4(a)是一個(gè)OCL乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路,它采用正、負(fù)雙電源供電,VT1、VT2為兩個(gè)特性相同的異型三極管。圖8－4OCL乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路

圖8－5是一個(gè)OCL甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路。在圖中的R、VD1、VD2加在VT1、VT2兩管的基極之間,以供給VT1、VT2一定的偏壓。在工程估算中,由于靜態(tài)電流較小,所以這種電路仍可以用乙類互補(bǔ)對稱電路的有關(guān)公式來估算電路的輸出功率和效率等性能指標(biāo)。圖8－5OCL甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路

在OCL甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路中常用的偏置電路還有UBE擴(kuò)大電路,如圖8－6所示。只要調(diào)節(jié)電路中的電阻R1和R2的比值便可滿足電路中對偏置電壓的需要。圖8－6UBE擴(kuò)大電路

3)OTL互補(bǔ)對稱式功率放大電路

圖8－7為典型的OTL互補(bǔ)對稱功率放大電路。

OTL(沒有輸出變壓器)互補(bǔ)對稱功率放大電路與變壓器耦合功率放大電路及OCL功率放大電路相比,其主要特點(diǎn)是:

①?zèng)]有輸出變壓器;

②只用一路直流電源VCC;

③用電容C代替了OCL電路中負(fù)電源的作用。

由于OTL互補(bǔ)對稱功率放大電路的VT1、VT2兩管實(shí)際工作電壓僅為VCC/2,故其指標(biāo)的估算與OCL不盡相同。OTL電路與OCL電路性能指標(biāo)估算結(jié)果的比較如表8－1所示。

4)采用復(fù)合管的功放電路

如圖8－8是由復(fù)合管組成的甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路。由于組成復(fù)合管的大功率管是同種類型的管子,但組成的復(fù)合管卻是兩種類型,所以由復(fù)合管組成的功放電路又稱為“準(zhǔn)互補(bǔ)對稱電路”,這種電路解決了兩種不同類型的大功率管不好配對的問題。圖8－8由復(fù)合管組成的甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路

各元器件的作用如下:

(1)VT1、RB1、RB2、RE組成前置電壓放大級,RB1接至E點(diǎn),構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋,并且是交、直流負(fù)反饋,既改善了電路的信念,又用來穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點(diǎn);

(2)VT2、VT3兩管組成NPN型復(fù)合管,VT4、VT5兩管組成PNP型復(fù)合管。由于VT3、VT5為同一類型的大功率管,使電路有較好的對稱性;

(3)R2、D1、D2、D3構(gòu)成輸出級的小正偏電路,用來消除交越失真;

(4)R3、R5是泄放電阻,給小功率管的穿透電流提供回路,以免使之流入大功率管,

可以提高復(fù)合管的溫度穩(wěn)定性;

(5)R4是VT2、VT4管的平衡電阻,可保證VT2、VT4管的輸入電阻對稱;

(6)R6、R7是阻值很小的電阻,具有負(fù)反饋?zhàn)饔?以提高電路的工作穩(wěn)定性,同時(shí)還具有過流保護(hù)作用。

8.2集成功率放大器及其典型應(yīng)用

集成功率放大器除具有一般集成電路的特點(diǎn)外,還具有溫度穩(wěn)定性好、電源利用率高、功耗低、非線性失真小等優(yōu)點(diǎn)。有時(shí)還將各種保護(hù)電路如過流保護(hù)、過壓保護(hù)、過熱保護(hù)等電路集成在芯片內(nèi)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是目前應(yīng)用較廣的一種小功率通用型集成功率放大電路,其特點(diǎn)是電源電壓范圍寬(4~16V)、功耗低(常溫下是660mW)、頻帶寬(300kH)。此外,電路的外接元件少,

應(yīng)用時(shí)不必加散熱片,廣泛應(yīng)用于收音機(jī)、對講機(jī)、雙電源轉(zhuǎn)換、方波和正弦波發(fā)生器等。圖8－9(a)為LM386的內(nèi)部電路圖,圖8－9(b)為其管腳排列圖。此管采用8腳雙列直插式塑料封裝,管腳1和8之間外接阻容電路可改變集成功放的電壓放大倍數(shù)(20~200),當(dāng)1腳和8腳間開路時(shí)電壓放大倍數(shù)為20,1和8腳間短路時(shí),電壓放大倍數(shù)為200。圖8－9LM386集成功率放大電路

8.2.2中功率集成功率放大電路———TDA2616/Q

TDA2616/Q是PHILIPS公司生產(chǎn)的具有靜噪功能的12W雙聲道高保真功率放大器,主要用于對音頻信號(hào)的放大,多用在立體聲錄音機(jī)中。TDA2616/Q采用9腳單列直插式封裝,各引腳功能見圖8－10(a)所示。其中2腳為靜音控制端,當(dāng)該腳接低電平時(shí),TDA2616/Q處于靜音狀態(tài),輸出端停止輸出;2腳接高電平時(shí),TDA2616/Q處于工作狀態(tài)。

TDA2616/Q的最大輸出功率為15W,失真度不大于0.2%。TDA2616/Q既可以采用單電源供電,也可采用雙電源供電,這是它的一個(gè)特點(diǎn),非常方便使用。采用單電源供電時(shí)

的應(yīng)用電路如圖8－10(b)所示,這時(shí)電路構(gòu)成了OTL電路;采用雙電源供電時(shí)的應(yīng)用電路如圖8－10(c)所示,這時(shí)電路構(gòu)成了OCL電路。當(dāng)然兩種形式的電路其輸出功率是不同的。

圖8－10TDA2616/Q—中功率集成功放及其典型應(yīng)用

8.2.3大功率集成功放———LM1875

LM1875的外形和引腳如圖8－11所示。LM1875的額定輸出功率為30W。圖8－11LM1875的外形和引腳圖

用LM1875集成功率放大器可以構(gòu)成OTL電路,如圖8－12所示。還可以構(gòu)成OCL電路,如圖8－13所示。圖8－12用LM1875集成功放構(gòu)成OTL電路圖8－13用LM1875集成功放構(gòu)成OCL電路

8.2.4“傻瓜”型集成功放模塊

近幾年來,市場上出現(xiàn)了一種號(hào)稱為“傻瓜功放”的集成功放,這是一個(gè)功能電路模塊,其內(nèi)部電路與OTL或OCL電路大體相同。

圖8－14(a)為1006型“傻瓜功放”的內(nèi)部電路框圖,可以看到,它也是由前置級、驅(qū)動(dòng)級和互補(bǔ)推挽輸出級組成,另外還包括了濾波、靜噪和一些保護(hù)電路。這些電路的全部元器件都集成在一塊基片上,然后加以封裝,模塊的外部只需接上音源、揚(yáng)聲器和電源,不需要進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)試就能令人滿意地工作,是一種使用方便、性能良好的通用型集成功放模塊。圖8－141006型“傻瓜功放”模塊及其典型應(yīng)用

圖8－15是“傻瓜”功放模塊175的外形照片和典型應(yīng)用。它采用±35V電源供電,最大輸出功率為75W。這種功放模塊的閉環(huán)增益為30dB,頻率響應(yīng)為10Hz~50kHz,失真度不大于0.7%。圖8－15“傻瓜”功放模塊175的外形照片及其典型應(yīng)用電路

D類放大器與模擬功放相比有如下一些明顯優(yōu)勢:

1.整個(gè)頻段內(nèi)無相對相移,聲場定位準(zhǔn)確

由于采用無負(fù)反饋的放大電路、數(shù)字濾波器等處理技術(shù),可以將輸出濾波器的截止頻率設(shè)計(jì)得較高,從而保證在20Hz~20kHz內(nèi)得到平坦的幅頻特性和很好的相頻特性。

2.瞬態(tài)相應(yīng)好,即“動(dòng)態(tài)特性”好

由于它不需傳統(tǒng)功放的靜態(tài)電流消耗,所有能量幾乎都是為音頻輸出而儲(chǔ)備,加之無模擬放大、無負(fù)反饋的牽制,故具有更好的“動(dòng)力”特征。

3.無過零失真

傳統(tǒng)功放由于對管配對不對稱及各級調(diào)整不佳容易產(chǎn)生交越失真。

4.效率高、可靠性高、體積小

D類功放中的功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài),其效率高達(dá)80%~90%,使用時(shí)不需要對功率管加裝散熱器,或者只需要一只很小的散熱器,特別適合用在汽車等場合。在D類功放中的開關(guān)管絕大多數(shù)采用的是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET管),它的開關(guān)導(dǎo)通電阻較小,一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1Ω,所以熱損耗很小。

這里介紹一個(gè)用555電路制作的簡易D類放大器,如圖8－16所示。圖8－16用555制作的D類放大器

實(shí)訓(xùn)任務(wù)24集成功率放大器的制作

一、看一看(1)看一看如圖8－17所示的一些集成功率放大器的外形,認(rèn)識(shí)這些功率集成電路的封裝形式。集成功率放大器的封裝材料有塑料、陶瓷及金屬三種。封裝外形最多的是圓筒形、扁平形、單列直插形和雙列直插形。圖8－17常用集成功率放大器的封裝形式

圓筒形金屬殼封裝多為8腳、10腳及12腳,扁平形陶瓷封裝多為12腳及14腳,單列直插式塑料封裝多為9腳、10腳、12腳、14腳及16腳,雙列直插式陶瓷封裝多為8腳、

12腳、14腳、16腳及24腳,雙列直插式塑料封裝多為8腳、12腳、14腳、16腳、24腳、42腳及48腳。

集成功率放大器在使用時(shí),一般都需要加裝散熱片,散熱片的尺寸需要按照集成功率放大器的要求配備。

集成功率放大器的封裝外形不同,其引腳排列順序也不一樣。對圓筒形金屬殼封裝的集成電路,識(shí)別引腳時(shí)應(yīng)面向引腳(正視),由定位標(biāo)記所對應(yīng)的引腳開始,按順時(shí)針方向依次數(shù)到底即可。常見的定位標(biāo)記有突耳、圓孔及引腳不均勻排列等。

對單列直插式集成功放電路,識(shí)別其引腳時(shí)應(yīng)使引腳向下,面對型號(hào)或定位標(biāo)記,自定位標(biāo)記對應(yīng)一側(cè)的頭一只引腳數(shù)起,依次為①、②、③、…腳。這一類集成電路上常用的定位標(biāo)記為色點(diǎn)、凹坑、小孔、線條、色帶、缺角等。

對雙列直插式集成電路,識(shí)別其引腳時(shí),若引腳向下,即其型號(hào)、商標(biāo)向上,定位標(biāo)記在左邊,則從左下角第1只引腳開始,按逆時(shí)針方向,依次為①、②、③、…腳;若引腳向上,即其型號(hào)、商標(biāo)向下,定位標(biāo)志位于左邊,則應(yīng)從左上角第1只引腳開始,按順時(shí)針方向,依次為①、②、③、…腳。順便指出,有個(gè)別型號(hào)集成電路的引腳,在其對應(yīng)位置上有缺腳(即無此輸出引腳)。

(2)集成功率放大器型號(hào)的認(rèn)讀。

對各種集成功率放大器進(jìn)行實(shí)物認(rèn)識(shí),讀出印刷在集成功率放大器上的字母和數(shù)字,填在表8－2中。

二、用萬用表對集成功率放大器進(jìn)行測量

操作步驟:

(1)將指針式萬用表的擋位選擇在R×100擋,對LM386集成功率放大器進(jìn)行測量。按照表83中的要求,分別測量出集成功率放大器的各管腳對地間的正向電阻值和反向電阻值,將測量值填在表8－3中。

(2)將數(shù)字式萬用表的擋位選擇在測量二極管的擋位,對各種集成功率放大器的各管腳對地間進(jìn)行測量,將測量值填在表8－3中。

三、用D2006制作集成功率放大器

D2006是一種單電源供電、額定輸出功率達(dá)6W的集成功率電路。集成功放D2006的外形如圖8－18所示,其各個(gè)引腳的作用見表8－4。圖8－18集成功放D2006的外形圖

(1)按照圖8－19將電路裝配好。

圖8－19D2006組成的集成功率放大器電路圖

(2)調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源,使之輸出+12V電源。將+12V電源接到集成功放電路中。

(3)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器,使之輸出幅值為20mV、頻率為1kHz的正弦波信號(hào)ui,接到電路的輸入端,用毫伏表測量輸出電壓uo。

(4)在電路的輸出端接上示波器,觀察波形,讀出幅值。