1、第九章 功率放大电路,9.1 功率放大电路概述,9.2 互补功率放大电路,9.3 功率放大电路的安全运行,9.4 集成功率放大电路,9.1 概述,9.1.1、功率放大电路的特点,9.1.2、功率放大电路的组成,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，简称功放。,与小信号放大电路区别：功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。,功放电路的要求：,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,功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。是交流功率，表达式为PoIoUo。,最大输出功率是在电
2、路参数确定的情况下，负载上可能获得的最大交流功率,2.转换效率,功率放大电路的最大输出功率与电源提供的直流功率之比。直流功率等于电源输出电流平均值及电压之积。,二、功率放大电路中的晶体管,在功率放大电路中，为使输出功率尽可能大，要求晶体管工作在极限应用状态。,选择功放管时，要注意极限参数的选择，还要注意其散热条件，使用时必须安装合适的散热片和各种保护措施。,三、功率放大电路的分析方法,因大信号作用，故应采用图解法。,c-e反向击穿电压,四、放大电路常用的三种工作状态,3)乙类工作状态,2)甲乙类工作状态,1)甲类工作状态,乙类工作状态( = )失真大，静态电流为零 ，管耗小，效率高。,甲乙类工
3、作状态 ( 2 )失真大，静态电流小 ，管耗小，效率较高。,甲类工作状态( = 2 )失真小，静态电流大，管耗大，效率低。,乙类工作状态失真大，静态电流为零 ，管耗小，效率高。,Q,Q,Q,甲乙类工作状态失真大， 静态电流小 ，管耗小，效率较高。,甲类工作状态失真小，静态电流大，管耗大，效率低。,9.1.2 功率放大电路的组成,一、为什么共射放大电路不宜用作功率放大电路,图9.1.1 (a)共射放大电路,图9.1.1输出功率和效率的图解分析,直流电源提供的直流功率为ICQ VCC 即图中矩形ABCO的面积。,集电极电阻RC的功率损耗为ICQURC 即图中矩形QBCD的面积。,晶体管集电极耗散功
4、率为ICQ UCEQ 即图中矩形AQDO的面积。,1.无输入信号作用时,图9.1.1输出功率和效率的图解分析,2.在输入信号为正弦波时，若集电极电流也为正弦波,直流电源提供的直流功率不变,负载电阻RL上所获得的功率PO仅为P/Om的一部分。,R/L(=RC/RL)上获得的最大交流功率P/Om为,即图中三角形QDE的面积,共射放大电路输出功率小，效率低（25） ，不宜作功放。,二、变压器耦合功率放大电路,传统的功放为变压器耦合式电路,电源提供的功率为PVICQ VCC ，全部消耗在管子上。,则可作出交流负载线,RL等效到原边的电阻为,在理想变压器的情况下，最大输出功率为,即三角形QAB的面积,在
5、输入信号为正弦波时，若集电极电流也为正弦波,直流电源提供的功率不变,电路的最大效率为: Pom / PV =50 ,实用的变压器功率放大电路,希望输入信号为零时，电源不提供功率，输入信号愈大，负载获得的功率也愈大，电源提供的功率也随之增大，从而提高效率。,变压器耦合乙类推挽功率放大电路,图9.13(a)变压器耦合乙类推挽功率放大电路,同类型管子在电路中交替导通的方式称为“推挽”工作方式。,无输入信号，二管截止,有输入信号，二管交替导通,乙类推挽电路,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 ”。设 为常量，则负载上可获得正弦波。输入信号越大，电源
6、提供的功率也越大。,三、无输出变压器的功率电路Output Transformerless （OTL电路）,用一个大容量电容取代了变压器(电容：几百几千微法的电解电容器）,图9.1.4 OTL电路,静态时：前级电路应使基极电位为VCC/2，发射结电位为VCC/2 ，故电容上的电压也VCC/2。,单电源供电。T1和T2特性对称,工作时： T1和T2轮流导通，电路为射极跟随状态。,OTL工作在乙类工作状态， 会出现交越失真。,如何消除？,动画avi17-4.avi,2. OTL 电路,输入电压的正半周：VCCT1CRL地 C 充电。,输入电压的负半周：C 的 “”T2地RL C “ ” C 放电。
7、,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。,因变压器耦合功放笨重、自身损耗大，故选用OTL电路。,四、无输出电容的功率放大电路 Output Capacitorless（OCL电路）,双电源供电,T1和T2特性对称,图9.1.5 OCL电路,静态时: T1和T2均截止，输出电压为零。,工作时: T1和T2交替工作，正、负电源交替供电，输出与输入之间双向跟随。,不同类型的二只晶体管交替工作，且均组成射极输出形式的电路称为“互补”电路；二只管子的这种交替工作方式称为“互补”工作方式。,3. OCL电路,输入电压的正半周：VCCT1RL地,输入电压的负半周：地RL T2
8、VCC,两只管子交替导通，两路电源交替供电，双向跟随。,静态时，UEQ UBQ0。,五、桥式推挽功率放大电路 Balanced Transformerless（BTL电路）,图9.1.6 BTL电路,单电源供电，四只管子特性对称,静态时，四只晶体管均截止，输出电压为零。,当 ui0时 ，T1和T4导通， T2和T3 截止，负载上获得正半周电压；,当 ui0时 ，T2和T3导通， T1和T4 截止，负载上获得负半周电压。,因而负载上获得交流功率,工作时，,4. BTL 电路,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
9、信号、负载电阻均无接地点。 管子多，损耗大，使效率低。,几种电路的比较,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。,9.2.1 OCL电路的组成及工作原理,一、电路组成,ui 0 T1 导通 T2 截止,iC1,io = iE1 = iC1, uO = iC1RL,ui 0 T2 导通 T1 截止,iC1,io = iE2 = iC2, uO = iC2RL,ui = 0 T1 、 T2 截止,9.2 互补功率放大电路,目前使用最广泛的功放
10、是OTL电路和OCL电路,若考虑三极管的开启电压，输出波形将产生交越失真。,动画avi17-3.avi,二、消除交越失真的OCL电路的工作原理,消除交越失真思路：,ui = 0，给 T1、T2 提供静态电压,UB1、B2UD1UD2UR2,UB1、B2略大于T1管发射结和T2管发射结开启电压之和，两管均处于微导通状态，即都有一个微小的基极电流，分别为IB1和IB2 。静态时应调节R1 ，使UE为0,即u0为0。,动画avi17-2.avi,当 ui = 0 时，T1、T2 微导通。,当 ui 0 ( 至 )，T1 微导通 充分导通 微导通；,T2 微导通 截止 微导通。,当 ui 0 ( 至
11、)，T2 微导通 充分导通 微导通；,T1 微导通 截止 微导通。,当输入信号为正弦交流电时,图9.2.3 T1和T2 管在ui作用下输入特性中的图解分析,二管导通的时间都比输入信号的半个周期更长，功放电路工作在甲乙类状态。,9.2.2 OCL电路的输出功率及效率,当输入电压足够大，且又不产生饱和失真的图解分析,图9.2.4 OCL电路的图解分析,图中I区为T1管的输出特性，II区为T2管的输出特性；,二只管子的静态电流很小，可认为Q点在横轴上。,Uop = VCC UCES,最大输出电压幅值,最大不失真输出电压的有效值,动画avi17-1.avi,最大输出功率,电源VCC提供的电流,电源在负
12、载获得最大交流功率时所消耗的平均功率等于其平均电流与电源电压之积。,转换效率,理想情况下， UCES可忽略；但大功率管UCES较大，不能忽略,复习：,1.功放电路的性能指标：最大输出电压、最大输出功率和效率,2.功放电路的分类：甲类、乙类、甲乙类、丙类和丁类变压器耦合、OTL、OCL和BTL,3.OCL功放的性能指标：,Uop = VCC UCES,9.2.3 OCL电路中晶体管的选择,一、最大管压降,UCEmax=2VCC,二、集电极最大电流,三、集电极最大功耗,如何求PT的最大功率？,晶体管集电极最大功耗仅为最大输出功率的五分之一。,在查阅手册选择晶体管时，应使极限参数,BUCEO2VCC
13、ICMVCC/RL PCM0.2Pom,例9.2.1 在图9.2.2所示电路中已知VCC 15V，输入电压为正弦波，晶体管的饱和管压降UCES 3V，电压放大倍数约为1，负载电阻RL 4欧，,（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。,解（1）,（2）因为UOUi，所以UOm8V。最大输出功率,9.4 集成功率放大电路,OTL、OCL和BTL电路均有各种不同电压增益多种型号的集成电路。只需外接少量元件，就可成为实用电路。,9.4.1 集成功率放大电路分析,LM386是一种音频集成功放，具有功耗小，电压增益可调节，电源电压范围大
14、，外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。,掌握集成功放的电路组成，工作原理、主要性能指标和典型运用。,一、LM386内部电路,图9.4.1 LM386内部电路原理图,第一级差分放大电路（双入单出）,第二级共射放大电路（恒流源作有源负载）,第三级OTL功放电路,输出端应外接输出电容后再接负载。,电阻R7从输出端连接到T2的发射极形成反馈通道，并与R5和R6构成反馈网络，引入深度电压串联负反馈。,二、LM386的电压放大倍数,1.当引脚1和8之间开路时,2.当引脚1和8之间外接电阻R时,3.当引脚1和8之间对交流信号相当于短路时,4.在引脚1和5之间外接电阻，也可改变电路的
15、电压放大倍数,电压放大倍数可以调节， 调节范围为20200。,三、LM386引脚图,图9.4.2 LM386的外形和引脚,9.4.2 集成功率放大电路的主要性能指标（略）,9.4.3 集成功率放大电路的应用,一、集成OTL电路的应用,1.LM386外接元件最少的用法,静态时输出电容上电压为,VCC /2,最大不失真输出电压的峰峰值为电源电压VCC,最大输出功率为,输入电压有效值,2.LM386电压增益最大的用法,3.LM386的一般用法,图9.4.4 LM386电压增益最大的用法,图9.4.5 LM386的一般用法,引脚1和引脚8接10uF电解电容器，1和8之间交流短路。,引脚1和引脚5接电阻
16、，也可改变电压放大倍数。,二、集成OCL电路的应用,TDA1521的基本接法,TDA1521为2通道OCL电路，可作为立体声扩音机左、右两个声道的功放。,最大输出功率 Pom12W 最大不失真输出电压 Uom 9.8V,三、集成BTL电路的应用,TDA1556为2通道BTL电路。可作为立体声扩音机左，右两个声道的功放。,TDA1556的基本接法,9.2 互补输出级的分析计算,一、输出功率,二、效率,三、晶体管的极限参数,然后求出电源的平均功率，,效率,在已知RL的情况下，先求出Uom，则,求解输出功率和效率的方法,一、输出功率,大功率管的UCES常为23V。,二、效率,3. 晶体管的极限参数,
17、PT对UOM求导，并令其为0，可得,在输出功率最大时，因管压降最小，故管子损耗不大；输出功率最小时，因集电极电流最小，故管子损耗也不大。,管子功耗与输出电压峰值的关系为,因此，选择晶体管时，其极限参数,将UOM代入PT的表达式，可得,讨论一,3. 最大输出功率和效率的表达式；,1. 指出图中放大电路部分；,2. 说明电路中是否引入了级间反馈，是直流反馈还是交流反馈，若为交流负反馈则说明其反馈组态；,4. 说明如何估算在输出最大功率时输入电压的有效值；,5. 说明D1D3和RW的作用，C1C4的作用；,6. 说明哪些元件构成过流保护电路及其原理。,讨论二：图示各电路属于哪种功放？,清华大学 华成英 ,讨论三：出现下列故障时，将产生什么现象?,1. R2短路； 2. R2断路； 3. D1短路； 4. D1断路； 5. T1集电极开路。,T2、T5的极限参数： PCM1.5W，ICM600mA，UBR（CEO）40V。,故障分析的问题，答案具有多样性，需多方面思考！,功放的故障问题，特别需要考虑故障的产生是否影响功放管的安全工作！,
