路模电子教案7.3

7.3功率放大电路功率放大电路在多级放大电路中处于最后一级，又称输出级。其主要作用是输出足够大的功率去驱动负载，如扬声器、伺服电机、指示表头、记录器等。功率放大电路要求：输出电压和输出电流的幅度都比较大；效率高。因此，三极管工作在大电压、大电流状态，管子的损耗功率大，发热严重，必须选用大功率三极管，且要加装符合规定要求的散热装置。由于三极管处于大信号运用状态，不能采用微变等效电路分析法，一般采用图解分析法。1.OCL互补对称功率放大电路OCL互补对称功率放大电路全称为无输出电容的互补对称功率放大电路，简称为OCL电路，电路如图7.36所示。图7.36OCL功率放大电路7.3.1互补对称功率放大电路(1)静态分析当ui=0时，因电路上下对称，静态发射极电位UE=0，负载电阻RL中无电流通过，uo=0。因三极管处于微导通状态，所以两管的IB≈0、IC≈0、∣UCE∣=∣UCC∣，基本无静态功耗。(2)动态分析为便于分析，将图7.36简化为图7.37(a)所示的原理电路，且暂不考虑管子的饱和管压降UCES和b、e极间导通电压UBE。(a)电路原理电路图（b）输入波形（c）输出波形图7.37简化OCL功率放大电路在ui正半周，V2导通、V3截止，+UCC通过V2向RL供电，在RL上获得跟随ui的正半周信号电压uo，即（uo≈ui）；在ui负半周，V2截止，V3导通，-UCC通过V3向RL供电，在RL上获得跟随ui的负半周信号电压uo。负载RL上输出如图7.37(c)所示。由上分析可知：输出电压uo虽未被放大，但由于iL=ie=（1+β）ib，具有电流放大作用，因此具有功率放大作用。图7.38OCL电路图解分析波形图从图中可知，uCE1=UCC-uo、uCE2=-UCC-uo，其中uo在任一个半周期内为导通三极管的uce，即uo=-uce=ui。通常要求功率放大电路工作在最大输出状态，输出电压幅值为uom(max)=UCC-UCES≈UCC，此时，截止管承受的最大电压为2UCC。当功率放大电路工作在非最大输出状态时，输出电压幅值为Uom=IomRL=Ucem=Uim，其大小随输入信号幅度而变。这些参数间的关系是计算输出功率和管耗的重要依据。(3)参数计算①最大输出功率Pom最大的输出功率为：Pom=IomUom==当功率放大器工作在非最大输出状态时，输出功能率为：Po=IomUom==LomRU2LCCRU221LomRU2LimRU22121212121②直流电源供给的功率PU在一个周期内电源向两个功放管提供的直流功率PU为：PU=当功率放大器工作在最大输出状态时，两个直流电源供给的总功率为:PUm=2CCLomURULCCRU22③效率ηη=当功率放大电路工作在最大输出状态时，效率为:η==78.5%实用中三极管UCES，UBE等是客观存在的，因此，功率放大电路实际效率约60%。UoPP42222LCCLCCUmomRURUPP④三极管管耗PV直流电源供给的功率与输出功率的差值，即为两只三极管上的管耗，所以每只管子的管耗为PV=(PU–Po)功率放大电路工作在最大输出状态时的管耗，并不是最大管耗，每只三极管的最大管耗约为0.2Pom。21[例8]在图7.36所示电路中，UCC1=UCC2=UCC=24V；RL=8Ω，试求：10当输入信号Ui=12V(有效值)时，电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率及效率。20输入信号增大至使管子在基本不失真情况下输出最大功率时，互补对称电路的输出功率、管耗、电源供给的功率及效率。30晶体管的极限参数。解：10在Ui=12V有效值时的幅值为：Uim=Ui≈17V，即Uom≈Ui=17V。故Po===18.1WPU＝=×=32.5WPV=PU–Po=32.5–18.1=14.4Wη＝==55.7%221LomRU28172122CCLomURU224817UoPP5.321.1820在最大输出功率时，最大输出电压为24V。Pom==×=36WPUm===45.8WPV=PU–Po=45.8-36=9.8W(此时两管的功耗并不是最大功耗)η==78.5%21LCCRU2LCCRU22824228.4536UmomPP21824230晶体管的极限参数PCM≥0.2Pom=0.2×36=7.2W(每一管)U(BR)CEO≥2UCC=2×24=48VICM≥=3A824LCCRU（4）交越失真交越失真的波形如图7.39所示。图7.39交越失真波形解决交越失真的办法是为三极管V2、V3提一个合适的静态工作点，使三极管处于微导通状态，如图7.36中的V4、V5。2．OTL互补对称功率放大电路OTL互补对称功率放大电路全称为无输出变压器的功率放大电路，简称为OTL电路，如图7.40所示。图7.40OTL功率放大电路(1)各元件作用V1为功放管提供推动电压；RP1、RB1、RB2为V1提供静态工作点，同时还可使UK=1/2UCC；V2V3、V4V5为两只复合三极管，分别等效为NPN和PNP型。V6、V7、RP2为V2V3、V4V5提供合适的静态工作点，调节RP2可以改变静态工作点；Co为输出耦合电容，一方面将放大后的交流信号耦合给负载RL，另一方面作为V4、V5导通时的直流电源，因此要求容量大，稳定性高。C1、R1为自举电路。(2)工作原理ui为负半周时，V1集电极信号为正半周，V2、V3导通，V4、V5截止。在信号电流流向负载RL形成正半周输出的同时向Co充电，使UCo=1/2UCC。ui正半周时，V1集电极信号为负半周，V2、V3截止，V4、V5导通。此时，Co上的1/2UCC与V4、V5形成放电回路，若时间常数RLC远大于输入信号的半周期，则电容上电压基本不变，而流过管子和负载的电流仍由基极控制，这样在负载上获得负半周输出信号，于是负载上获得完整的正弦信号输出。(3)参数计算OTL电路与OCL电路相比，每个功放管实际工作电源电压为1/2UCC，因此将（7.37）～（7.43）中UCC用1/2UCC替换即得相应的参数计算公式。[例9]在图7.41所示电路中，已知：RB1=22kΩ、RB2=47kΩ、RE1=24Ω、RE2=RE3=0.5Ω、R1=240Ω、RP=470Ω、RL=8Ω，V2为3DD01A、V3为3CD10A，V4、V5为2CP。试求：10最大输出功率20若负载RL上的电流为iL=0.8sinωt（A）时的输出功率和输出电压幅值。图7.41[例9]的电路图解：10最大输出功率Pom==9W20输出功率Po==2.56W输出电压幅值Uom=0.8×8=6.4V81221)21(2122LCCRU88.02127.3.2集成功率放大器1.音频集成功率放大器(1)SL4112SL4112的外形及管脚如图7.42所示。该集成功放有14只引脚，内部设有静噪抑制电路，因而接通电源时爆破噪声很小。它具有电源电压范围宽，降压特性良好等优点，适用于各种收录机。主要参数为：电源9V、输出功率2.3W、输入阻抗20kΩ、电压增益68dB、谐波失真2%。图7.42SL4112引脚图图7.43SL4112应用电路(2)TDA2030TDA2030的外形及引脚如图7.44(a)所示。该集成功放只有5只引脚，它接线简单，既可以接成OCL电路，又可以接成OTL电路，广泛应用于音响设备中。其内部设有短路保护电路，具有过热保护能力。主要参数为：电源6~18V、输出功率9W、输入阻抗5MΩ、电压增益30dB、谐波失真0.2%。TDA2030的典型应用电路如图7.44(b)所示。(a)(b)图7.44TDA2030应用电路2.双音频集成功率放大器(1)BTL电路BTL功率放大器，其主要特点是在同样电源电压和负载电阻条件下，它可得到比OCL或OTL电路大几倍的输出功率，其工作原理图如图7.45所示。图7.45BTL原理电路静态时，电桥平衡，负载RL中无直流电流。动态时，桥臂对管轮流导通。在ui正半周，上正下负，V1、V4导通，V2、V3截止，流过负载RL的电流如图中实线所示；在ui负半周，上负下止，V1、V4截止，V2、V3导通，流过负载RL的电流如图中虚线所示。忽略饱和压降，则两个半周合成，在负载上可得到幅度为UCC的输出信号电压。(2)LM378LM378的外形及管脚如图7.46所示。主要参数为：电源10~35V、输出功率4W/信道、输入电阻3kΩ、电压增益34dB、带宽50kHz。图7.46LM378引脚图①反相立体声放大器反相立体声放大电路如图7.47所示。图7.47简单反相立体声放大器②桥式结构单放大器桥式结构单放大电路如图7.48所示。图7.48BTL电路(3)TDA1519TDA1519的外形及管脚如图7.49所示。内部设有多种保护电路(负载开路、AC及DC对地短路等)，并有静噪控制及电源等待状态等功能。它在双声道工作时只要外接4只元件，BTL工作时只要外接1只元件，无需调整就能满意地工作。主要参数为：电源6~18V、输出功率5.5W(单声道，RL=4Ω)~22W(BTL，RL=4Ω)、电压增益40dB(立体声)~46dB(BTL)、谐波失真10%。TDA1519典型应用电路如图7.50所示。图7.49TDA1519引脚图(a)立体声电路(b)BTL电路图7.50TDA1519典型应用3.场输出集成功率放大器场输出集成功率放大器是用于显示器、电视机场扫描电路的专用功率放大器，内部采用泵电源型OTL电路形式，封装一般为单列直插式。(1)泵电源电路图7.51所示为IX0640CE和外围元件组成的场输出电路。图中V4、V5、V6、V7及外接元件V8、C构成泵电源电路。图51IX0640CE组成的场输电路在场输出锯齿波正程期内，电源通过V8及V6对C充电，C两端电压很快充到UCC，极性为上正下负。在场输出锯齿波逆程期间，电源电压UCC与电容C上的电压串联供电，场输出级电源电压上升为2UCC，实现了泵电源供电，即在场扫描正程期间采用低电压供电，而在逆程期间采用高电压供电。(2)应用电路IX0640CE的外形及引脚如图7.52所示。图7.52IX0640CE引脚图图7.53(b)为TDA8172的应用电路，场锯齿波信号经RP1、R2从P1脚进入集成功放，调节RP1可以改变场幅；RP2、C2组成微分电路，由于C2和C3的存在对锯齿波中的高频分量分流作用大，对低频分量分流作用小，因此它们构成预失真，以使场偏转线圈中锯齿波电流线性良好；R3、R4构成直流反馈，可稳定工作点，C3用来滤除反馈信号中的交流成分；R5、R6为交流电流负反馈，改善锯齿波电流线性；V1、C1同内部电路构成逆程泵电源，实现自举升压；放大后的锯齿波信号从P5脚输出，送场偏转线圈，C4是输出耦合电容。IX0640CE的应用电路如图7.51所示。场锯齿波信号从P4进入集成功放后首先加在V1的基极，经过V1放大后推动V2、V3组成的互补推挽场输出电路，再从P2脚输出送场偏转线圈，实现功率放大。TDA8172的外形及引脚如图7.53(a)所示。图7.53(a)TDA8172引脚图图7.53(b)TDA8172组成的场输出电路本章小结一、放大电路中“放大”的实质，是通过三极管（或场效应管）的作用进行能量转换，即将直流电源的能量转换为负载获得的能量。放大电路的组成原则是必须有电源，核心元件是三极管（或场效应管），要有合适的静态工作点，并保证放大电路在放大信号的整个周期，三极管（或场效应管）都工作在特性曲线的线性放大区。放大电路工作时，电路中各电压、电流值是直流量和交流量叠加的结果。电路分析由静态分析和动态分析两部分组成。静态分析借助直流通路，用估算法或图解法确定静态工作点。动态分析借助交流通路，用图解法或微变等效电路法确定电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态性能指标。常用的稳定工作点电路有射极偏置电路(基极分压式偏置电路)、集基耦合电路和温度补偿电路。二、共集电极电路由于输入电阻高，输出电阻低，并具有电压跟随特性，广泛应用于输出级