第九章功率放大电路 9 1功率放大电路概述 作用 用作放大电路的输出级 以驱动执行机构 如使扬声器发声 继电器动作 仪表指针偏转等 定义 能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路 功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路 为了获得大的输出功率 必须使 输出信号电压大 输出信号电流大 放大电路的输出电阻与负载匹配 9 1功率放大电路概述 9 1 1功率放大电路的特点 一 主要技术指标 1 最大输出功率Pom 最大输出功率Pom是在电路参数确定的情况下负载上可能获得的最大交流功率 功率管处于大信号范围工作 小信号等效电路分析法就不准确了 所以在功率放大电路中一般采用图解分析法进行分析 2 转换效率 功率放大电路的最大输出功率Pom与电源所提供的直流功率PV之比称为转换效率 一 主要技术指标 9 1 1功率放大电路的特点 在输出功率一定条件下 减小直流电源的功耗 可以提高电路的效率 设直流电源提供的直流功率为PE 交流输出功率为Po 集电极损耗功率为PC 则PE Po PC 二 功率放大电路中的晶体管 9 1 1功率放大电路的特点 1 晶体管集电极电流最大时接近ICM 最大集电极电流 2 管压降最大时接近U BR CEO c e间能承受的最大管压降 3 耗散功率最大时接近PCM 集电极最大耗散功率 在功率放大电路中 为使输出功率尽可能大 要求晶体管工作在尽限应用状态 为保证管子安全工作 在选择功放管时 要注意极限参数的选择 三 功率放大电路的分析方法 9 1 1功率放大电路的特点 功率放大电路的输出电压和输出电流幅值均很大 功放管特性的非线性不可忽略 在分析功放电路时 不能采用仅使用于小信号的交流等效电路法 而应采用图解法 由于功放的输入信号较大 输出波形容易产生非线性失真 电路中应采用适当方法改善输出波形 如引入交流负反馈 1 电压放大电路 任务 使负载上获得尽可能大的不失真的电压信号 三极管工作状态 小信号分析方法 微变等效电路 2 功率放大电路 任务 在允许的失真限度内尽可能地向负载提供足够大的功率 三极管工作状态 大信号分析方法 图解法 四 功率功率放大电路与电压放大电路的比较 9 1 2功率放大电路的组成 一 对功率放大电路的要求 1 输出功率尽可能大 即在电源电压一定的情况下 最大不失真输出电压最大 2 效率尽可能高 即电路损耗的直流功率尽可能小 静态时功放管的集电极电流近似为0 9 1 2功率放大电路的组成 二 为什么共射放大电路不宜用作功率放大电路 二 为什么共射放大电路不宜用作功率放大电路 输出功率和效率的图解分析 RL越小 交流负载线效率越陡 输出功率越小 效率越低 不易用作功率放大电路 如何解决效率低的问题 办法 去掉Rc 降低Q点 既降低Q点又不会引起截止失真的办法 采用推挽输出电路 或互补对称射极输出器 缺点 但又会引起截止失真 输出功率和效率的图解分析 9 1 2功率放大电路的组成 甲类方式 晶体管在信号的整个周期内均处于导通状态管子的导通角为360o管耗大 效率低 不会产生交越失真 2 乙类方式 晶体管仅在信号的半个周期处于导通状态管子的导通角为180o管耗小 效率高 容易产生交越失真 3 甲乙类方式 晶体管在信号的多半个周期处于导通状态管子导通角为180o 360o之间 提高效率还解决了交越失真问题 三 晶体管的工作方式 1 变压器耦合功率放大电路 单管甲类电路 四 功率放大电路的种类 变压器原边线圈电阻忽略不计 所以直流负载线是垂直于横轴且过 Vcc 0 的直线 从变压器原边向负载看的交流等效电阻为 1 变压器耦合功率放大电路 如图 在理想变压器的情况下 最大输出交流功率为 由于电源提供的功率不变 输入电压愈大 ic幅值愈大 负载获得的功率就愈大 管子的损耗就愈小 因而转换效率也就愈高 2 变压器耦合乙类推挽功率放大电路 图9 1 3乙类推挽功率放大电路 通常希望输入信号为零时 电源不提供功率 输入信号愈大 负载获得的功率愈大 电源提供的功率也随之增大 从而提高效率 设计思想 输入信号为零时 应使管子处于截止状态 为使负载上能够获得正弦波 采用两只管子 在信号的正负半周交替导通 2 变压器耦合乙类推挽功率放大电路 信号的正半周T1导通 T2截止 负半周T2导通 T1截止 两只管子交替工作 称为 推挽 负载上可获得正弦波 从而获得交流功率 3 无输出变压器的功率放大电路 OTL 因变压器耦合功放的缺点 体积庞大 笨重 故选用无输出变压器的功率放大电路 简称OTL电路 用一个大容量电容取代了变压器 T1为NPN型管 T2为PNP型管 它们的特性对称 图9 1 4OTL电路 3 无输出变压器的功率放大电路 图9 1 4OTL电路 输入电压的正半周 VCC T1 C RL 地C充电 uo ui 输入电压的负半周 C的 T2 地 RL C的 C放电 uo ui C足够大 才能认为其对交流信号相当于短路 OTL电路低频特性差 4 无输出电容的功率放大电路 OCL 电路的结构特点 1 由NPN型 PNP型三极管构成两个对称的射极输出器对接而成 2 双电源供电 3 输入输出端不加隔直电容 图9 1 5OCL电路 输入电压的正半周 VCC T1 RL 地 输入电压的负半周 地 RL T2 VCC 两只管子交替导通 两路电源交替供电 双向跟随 这种工作方式称为 互补 工作方式 静态时 UEQ UBQ 0 4 无输出电容的功率放大电路 OCL 5 桥式推挽功率放大电路 BTL 图9 1 6BTL电路 为了实现单电源供电 且不用变压器和大电容 可采用桥式推挽功率放大电路 简称BTL电路 四只管子特性对称 静态时 均处于截止状态 负载上电压为零 输入电压的正半周 VCC T1 RL T4 地 输入电压的负半周 VCC T2 RL T3 地 是双端输入 双端输出形式 输入信号 负载电阻均无接地点 管子多 损耗大 使效率低 几种功率放大电路的比较 变压器耦合乙类推挽 单电源供电 笨重 效率低 低频特性差 OTL电路 单电源供电 低频特性差 OCL电路 双电源供电 效率高 低频特性好 BTL电路 单电源供电 低频特性好 双端输入双端输出 9 2互补功率放大电路 互补对称 电路中采用两支晶体管 NPN PNP各一支 两管特性一致 9 2 1OCL电路的组成及工作原理 一 电路组成 设ui为正弦波 图9 1 5OCL电路 动态分析 因此 不需要隔直电容 静态分析 ui 0V T1 T2均不导通uo 0V T1 T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方式 称为乙类放大 提高了效率 但产生了交越失真 9 2 1OCL电路的组成及工作原理 图9 1 5OCL电路 消除失真的方法 设置合适的静态工作点 信号在零附近两只管子均截止 对于负载能否得到一个完整的正弦波 开启电压 9 2 1OCL电路的组成及工作原理 二 工作原理 图9 2 1消除交越失真的OCL电路 静态时 T1 T2两管发射结电位分别为二极管D1 D2的正向导通压降 致使两管均处于微弱导通状态 甲乙类工作状态 电路中增加R1 R2 D1 D2 R3支路 动态时 设ui加入正弦信号 D1 D2 R3的动态电阻均忽略 正半周UBE1 0 7v使T1进入导通状态UBE2 0 7v使T2截止负半周T1截止 T2进入导通状态 即使ui很小 总能保证至少有一只管子导通 因而消除了交越失真 图9 2 2T1和T2管在ui作用下的输入特性的图解分析 9 2 1OCL电路的组成及工作原理 三 图解分析 正半周 主要是T1发射极驱动负载负半周 主要是T2发射极驱动负载两管的导通时间都比输入信号的半个周期长即在信号电压很小时 两只管子同时导通因而它们工作在甲乙类状态 消除了交越失真 9 2 2OCL电路的输出功率及效率 功率放大电路最重要的技术指标是电路的最大输出功率POM及效率 在已知RL的情况下 先求出Uom 则 当输入电压足够大 且又不产生饱和失真时 可求Uom 9 2 2OCL电路的输出功率及效率 电源的平均功率 最大输出功率 电源VCC提供的电流 转换效率 大功率管的UCES常为2 3V 9 2 3OCL电路中晶体管的选择 在功率放大器中 应根据晶体管所承受的最大管压降 集电极最大电流和最大功耗来选择晶体管 设输入信号正半周 T1导通 T2截止当ui从0逐渐增大时 T1和T2的发射结电位uE从0增大到VCC UCES1 此时T2管压降为 同理 输入信号负半周时 T1管承受最大管压降为 考虑留有一定的余量 管子所承受的最大管压降 一 最大管压降 二 集电极最大电流 9 2 3OCL电路中晶体管的选择 从电路最大输出功率的分析可知 晶体管的发射极电流等于负载电流 负载电阻上的最大电压为VCC UCES1 故集电极电流的最大值 考虑留有一定的余量 三 集电极最大功耗 9 2 3OCL电路中晶体管的选择 在功率放大电路中 电源提供的功率 除了转换成输出功率外 其余部分主要消耗在晶体管上 可以认为晶体管所消耗的功率 当输入电压为0 输出功率最小时 因集电极电流最小 故管子功耗很小 当输入电压最大 输出功率最大时 因管压降最小 故管子损耗也很小 PT对UOM求导 令dPT dUOM 0 可得 管子功耗与输出电压峰值的关系为 三 集电极最大功耗 管压降和集电极电流瞬时值的表达式分别为 将UOM代入PT的表达式 可得 9 2 3OCL电路中晶体管的选择 选择晶体管时 其极限参数 优点 电路省掉大电容 改善了低频响应 又有利于实现集成化 缺点 三极管发射极直接连到负载电阻上 若静态工作点失调或电路内元器件损坏 将造成一个较大的电流长时间流过负载 造成电路损坏 实际使用的电路中常常在负载回路接入熔断丝作为保护措施 OCL电路的优缺点 例9 2 1 在所式的电路中 已知VCC 15v 输入电压为正弦波 晶体管的饱和管压降 VCES 3v 电压放大倍数约为1 负电阻RL 4 1 求解负载上可能获得的最大功率和效率 2 若输入电压最大有效值为8V 则负载上能够获得的最大功率为多少 3 若T1管集电极和发射极短路 则将产生什么现象 解 1 最大输出功率 转换效率 例9 2 1 在所式的电路中 已知VCC 15v 输入电压为正弦波 晶体管的饱和管压降 VCES 3v 电压放大倍数约为1 负电阻RL 4 1 求解负载上可能获得的最大功率和效率 2 若输入电压最大有效值为8V 则负载上能够获得的最大功率为多少 3 若T1管集电极和发射极短路 则将产生什么现象 3 T2管静态管压降为2VCC iC过大 使管子因功耗过大而损坏 功率放大电路的最大输出功率除了决定于功放自身的参数外 还于输入电压是否足够大有关 例9 2 2 如图 负载电阻为8 设晶体管饱和管降压 UCES 2V 试问 1 若负载所需最大功率为16W 电源电压至少应取多少伏 2 若电源电压取20V 则晶体管的最大集电极电流 最大管降压和集电极最大功耗各为多少 解 1 根据最大输出功率 可求出电源电压 例9 2 2 如图 负载电阻为8 设晶体管饱和管降压 UCES 2V 试问 1 若负载所需最大功率为16W 电源电压至少应取多少伏 2 若电源电压取20V 则晶体管的最大集电极电流 最大管降压和集电极最大功耗各为多少 解 2 互补功率放大电路 小结 无输出电容形式 OCL电路 优点 1 电路省掉大电容 改善了低频响应 又有利于实现集成化 2 两只管子互补工作方式 属于甲乙类功放 消除了交越失真 参数计算 最大输出功率 效率 最大集电极电流 最大管降压和集电极最大功耗 9 3功率放大电路的安全运行 在功率放大电路中 功放管既要流过大电流 又要承受高电压 只有功放管的工作状态不超过其极限值 电路才能正常工作 所谓功率放大电路的安全运行 实际上就是要保证功放管的安全工作 在实用电路中 常加保护措施 本节简单介绍 功放管的二次击穿和散热问题 9 3 1功放管的二次击穿 图9 3 1晶体管的击穿现象 一次击穿 当c e之间电压增大到一定数值时 晶体管将产生击穿现象 IB愈大 击穿电压愈低 二次击穿 晶体管在一次击穿后 集电极电流会骤然增大 此时电流猛增 而管降压却减小 管子性能下降 易造成永久损坏 二次击穿临界点曲线 9 3 1功放管的二次击穿 图9 3 1晶体管的击穿现象 避免二次击穿措施 防止晶体管的一次击穿 并限制其集电极电流 在功放管的c e间加稳压管 就可防止其一次击穿 9 3 2功放管的散热问题 电源供给的功率 一部分转换为负载的有用功率 另一部分则消耗在功率管的集电结上 变为热能而使管芯的结温上升 如果晶体管管芯的温度超过管芯材料的最大允许结温Tj iC将急剧增加 晶体管将永久损坏 耗散功率等于结温在允许值时集电极电流与管压降之积 管子的功耗愈大 结温愈高 改善功放管的散热条件 散热条件越好 热量散发越快 管芯的结温上升将越小 允许的最大耗散功率将增大 从而提高输出功率 9 3 2功放管的散热问题 定义 热的传导路径称为热路 描述热传导阻力大小的物理量称为热阻RT RT的量纲为 W 它表示每消耗1W功率结温上升的度数 一 热阻的概念 比例系数RT称为热阻 同样功耗下 热阻越大 结温升越大 结温 环境温度 集电结功耗 二 热阻的估算 散热的途径有两条 管芯到外壳 再经外壳到环境 J C A管芯到外壳 再经散热片到环境 J C S A 热传导阻力等效通路 二 热阻的估算 1 在小功率放大电路中 放大管一般不加散热器 故晶体管的等效热阻为RT Rjc Rca 2 在大功率放大电路中 功放管一般均加散热器 由于Rcs Rsa Rca 故RT Rjc Rcs Rsa 不同型号的管子Rjc不同 如3AD30的Rjc为1 C W而3DG7的Rjc却大于150 C W 可见其差别很大 Rca与外壳所用材料和几何尺寸有关 三 功放管的散热器 图9 3 3两种散热器 经验表明 当散热器垂直或水平放置时 有利于通风 故散热效果好 散热器表面钝化涂黑 有利于热辐射 从而可以减小热阻 9 4集成功率放大电路 特点 工作可靠 使用方便 只需在器件外部外接电容或适当连线 即可向负载提供一定的功率 集成功放LM386 生产厂家 美国半导体器件公司 电路特点 具有功耗低 电压增益可调整 电源电压范围大 外接元件少和总谐波失真小等优点 封装形式 塑封8引脚双列直插式和贴片式 应用领域 广泛应用于录音机 收音机 对讲机 方波发生器和正弦波振荡器等低电压消费类产品中 电路形式 OTL 一 LM386内部结构 图9 4 1LM386内部电路原理图 一 LM386内部结构 第一级为差分放大电路 T1和T3 T2和T4分别构成复合管 作为差分放大电路的放大管 T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载 电路为双端输入单端输出差分放大电路 一 LM386内部结构 第二级为共射放大电路 T7为放大管 恒流源作有源负载 以增大放大倍数 一 LM386内部结构 第三级中的T8和T9管复合成PNP型管 与NPN型管T10构成准互补输出级 二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压 可以消除交越失真 电阻R7从输出端连接到T2的发射极 形成反馈通路 并与R5和R6构成反馈网络 从而引入了深度电压串联负反馈 二 LM386的引脚图 图9 4 2LM386的外形和引脚的排列 引脚2为反相输入端引脚3为同相输入端 电路由单电源供电 为OTL电路 引脚6和4分别为电源和地 引脚5 输出端应外接隔直 耦合 电容后再接负载 引脚1和8为电压增益设定端 引脚7和地之间接旁路电容 三 集成OTL电路应用 图9 4 3LM386外接元件最少的用法 LM386的一种基本用法 外接元件最少 引脚1和8为悬空状态 此时电压增益内置为20 若要调节电压增益 可在1和8引脚之间增加外接电阻和电容 LM386静态功耗低 这使得它适用于电池供电的场合 本章小结 1 功率放大电路的定义 作用 分类 2 互补功率放大电路 电路中采用NPN PNP两支晶体管 使两只管子工作在微导通状态 甲乙类工作状态 消除了交越失真 提高了电源的效率 OCL电路 3 集成功放LM386 。