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1、功率放大电路,第 六章,第二节互补对称功率放大电路,第三节集成功率放大器及其应用,第一节功率放大电路概述,课题：第一节功率放大电路概述（1学时）第二节互补对称功率放大电路（3学时）目的要求：1、掌握理想运放的特点；2、掌握比例、加减、积分运算电路的运算关系；重点、难点和突破方法：写出各种运算电路的输出与输入电压的函数关系，根据需要选择运算电路 复习提问：什么是集成运算？作业：见课件。,第一节功率放大电路概述,一、对功率放大电路的要求,1.功率放大电路的特点,功率放大电路是一种能够向负载提供足够大的功率的放大电路。因此，要求同时输出较大的电压和电流。管子工作在接近极限状态。一般直接驱动负载，带载
2、能力要强。,2、要解决的问题,（1）提高转换效率：在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的输出功率；,（2）减小失真：工作于大信号状态容易产生非线性失真。在不同场合下，对非线性失真的要求不同，例如，在测量系统和电声设备中，这个问题显得重要，而在工业控制系统等场合中，则以输出功率为主要目的，对非线性失真的要求就降为次要问题了。,（3）功放管的保护：管子工作在接近极限状态。耗散功率最大接近PCM，所以功放管的散热性要好。,无本质的区别，都是能量的控制与转换。不同之处在于，各自追求的指标不同：电压放大电路追求不失真的电压放大倍数；功率放大电路追求尽可能大的不失真输出功率和转换效率。,3、主要技术指标,
3、（1）最大输出功率Pom：在电路参数确定的情况下负载可能获得的最大交流功率。,4、分析方法,工作于大信号状态，功放管的非线性不可忽略，宜采用图解分析法。,Back,Next,Home,（2）转换效率：最大输出功率与电源提供的功率之比，即,思考题：功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别吗？,关于“功率放大电路与电压放大电路的比较”功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。它一般直接驱动负载，要求带负载能力要强。具体来说，有以下方面的区别：A).本质相同电压放大电路或电流放大电路：主要用于增强电压幅度或电流幅度。功率放大电路:主要输出较大的功率。但无论哪种放大电路，在负载上都同
4、时存在输出电压、电流和功率，从能量控制的观点来看，放大电路实质上都是能量转换电路。因此，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。区别只不过是强调的输出量不同而已。,B).任务不同电压放大电路：主要任务是使负载得到不失真的电压信号。输出的功率并不一定大。在小信号状态下工作.功率放大电路：主要任务是使负载得到不失真（或失真较小）的输出功率。在大信号状态下工作。C).指标不同电压放大电路：主要指标是电压增益、输入和输出阻抗.功率放大电路：主要指标是功率、效率、非线性失真。D).研究方法不同电压放大电路：图解法、等效电路法功率放大电路：图解法,Back,Next,Home,三极管根据正弦信号整个周期
5、内的导通情况，可分为几个工作状态：,乙类：=180,甲类：=360,甲乙类：180 360,丙类：180,思考题：功率放大电路中电源的功率除了提供给负载外，其余的消耗在什么地方？,思考题：功放中的功放管采用哪种工作状态最合适？,提高功放效率的根本途径是减小功放管的功耗。,二.晶体管的工作状态,采用甲乙类工作状态最合适，因为甲类效率太低，丙类失真太大，乙类会产生交越失真。,Q（交流负载介于甲与乙之间）,Q（交流负载线中点附近）,Q（交流负载线截止点）,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，
6、效率低。,一、乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL)(OCL Output Capacitorless),1、电路的结构特点,iC1,iC1,第二节互补对称功率放大电路,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。,2、电路工作原理,ui 0 V1 导通 V2 截止,iC1,io=iE1=iC1,uO=iC1RL,ui 0 V2 导通 V1 截止,iC1,io=iE2=iC2,uO=iC2RL,ui=0 V1、V2 截止,乙类放大的输入输出波形关系:,死区电压,交越失真：输入信号 ui在零点前后，输出信号出现的失真为交越失真
7、。,问题：当输入电压小于死区电压时，三极管截止，引起 交越失真。,交越失真,输入信号幅度越小失真越明显。,(1)静态电流 ICQ、IBQ等于零；(2)每管导通时间等于半个周期；(3)存在交越失真。,乙类放大的特点：,令,则：,时管耗最大，即：,每只管子最大管耗为 0.2Pom,5.选管原则,PCM 0.2 Pom,U(BR)CEO 2VCC,ICM VCC/RL,4.管耗,例 8.1.1 已知：VCC=VEE=24 V，RL=8，忽略 UCE(sat)求 Pom 以及此时的 PDC、PC1，并选管。,解,PDC=2V2CC/RL,=2 242/(8)=45.9(W),=0.5(45.9 36)
8、=4.9(W),U(BR)CEO 48 V,ICM 24/8=3(A),可选：,U(BR)CEO=60 100 V,ICM=5 A,PCM=10 15 W,二、甲乙类互补对称功率放大电路,1、甲乙类双电源互补对称功率放大电路,克服交越失真思路：,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。,克服交越失真的措施：,+USC,-USC,UL,ui,iL,RL,T1,T2,动态时 设 ui 加入正弦信号。正半周，T1 截止，T2 基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；负半周，T2截止，T1 基极电位进一步提高，进入良好的导通状态。从而克
9、服死区电压的影响，去掉交越失真。,当 ui=0 时，V1、V2 微导通。,当 ui 0(至)，V1 微导通 充分导通 微导通；,V2 微导通 截止 微导通。,当 ui 0(至)，V2 微导通 充分导通 微导通；,V1 微导通 截止 微导通。,克服交越失真的电路,实际电路,二、功率和效率,1.输出功率,最大不失真输出电压、电流幅度：,最大输出功率,最大输出功率,2.电源功率,PDC=IC1VCC+IC2VEE,=2IC1VCC,=2VCCUom/RL,最大输出功率时：,PDC=2V 2CC/RL,PDC=2V 2CC/RL,3.效率,PDC=2VCCIcm/,实际约为 60%,最大输出功率时：,
10、三、甲乙类单电源互补对称放大电路,OTL电路(Output Transformerless),E,电容 C 的作用：,1)充当 VCC/2 电源,2)耦合交流信号,K,当 ui=0 时:,当 ui 0 时：,V2 导通，C 放电，,V2 的等效电源电压 0.5VCC。,当 ui 0 时：,V1导通，C 充电，,V1 的等效电源电压+0.5VCC。,应用 OCL 电路有关公式时，要用 VCC/2 取代 VCC。,2自举电路,单电源互补对称电路存在的问题 单电源互补对称电路解决了工作点的偏置和稳定问题。但输出电压幅值达不到Vom=VCC/2。,RL,RB,D4,+VCC,D5,V1,V2,CE,R
11、E,RB1,RB2,+uo,+ui,+,+,+,C,D,V3,K,（2）实际情况当ui为负半周时，T1导电，因而iB1增加，由于R3上的压降和vBE1的存在，当K点电位向+VCC接近时，T1的基流将受限制而不能增加很多，因而也就限制了T1输向负载的电流，使RL两端得不到足够的电压变化量，致使Vom明显小于VCC/2。,K,解决上述矛盾方法是如果把图1中D点电位升高，使VD+VCC，例如将图中D点与+VCC的连线切断，VD由另一电源供给，则问题即可以得到解决。通常的办法是在电路中引入R3、C3等元件组成的所谓自举电路，如图所示。,（2）工作原理,在图中，当vi=0时，vD=VCC-Ic3 R3，
12、而vK=VCC/2，因此电容T1两端电压被充电到VC3=VCC/2-Ic3 R3。当时间常数R3C3足够大时，vC3（电容C3两端电压）将基本为常数（vC3VC3），不随vi而改变。,这样，当vi为负时，T1导电，vK将由VCC/2向正方向变化，考虑到vD=vC3+vK，显然，随着K点电位升高，D点电位vD也自动升高。因而，即使输出电压幅度升得很高，也有足够的电流iB1，使T1充分导电。这种工作方式称为自举，意思是电路本身把vD提高,OCL 电路和 OTL 电路的比较,8.2集成功率放大器及其应用,引言,8.2.2 DG810 集成功放及其应用,8.2.3 TD2040 集成功放及其应用,8.
13、2.1 LM386 集成功放及其应用,组成：,前置级、中间级、输出级、偏置电路,特点：,输出功率大、效率高,有过流、过压、过热保护,引言,8.2.1 LM386 集成功放及其应用,1.典型应用参数：,直流电源：,4 12 V,额定功率：,660 mW,带 宽：,300 kHz,输入阻抗：,50 k,1234,8765,引脚图,2.内部电路,1.8 开路时，Au=20(负反馈最强),1.8 交流短路 Au=200(负反馈最弱),电压串联负反馈,V1、V6：,V3、V5：,V2、V4：,射级跟随器，高 Ri,双端输入单端输出差分电路,恒流源负载,V7 V12：,功率放大电路,V7 为驱动级(I0
14、为恒流源负载),V11、V12 用于消除交越失真,V8、V10 构成 PNP 准互补对称,3.典型应用电路,输出电容(OTL),频率补偿，抵消电 感高频的不良影响防止自激等,调节电压放大倍数,8.2.2 DG810 集成功放及其应用,标准音频功率放大,功率大、噪声小、频带宽、工作电源范围宽、有保护电路,输出电容,输入偏置,交流负反馈,频率补偿，防自激等,自举电容,频率补偿防自激等,+VCC,ui,C9,R1,R4,C2,DG810,1,12,9,4,7,8,5,C1,C8,C7,C4,C5,C6,5 F,100 k,.01 F,100 F,1000 pF,0.1 F,4,56,4 700 pF
15、,10,100 F,100 F,100,R3,R2,1000 F,100 F,C10,1,电源滤波,8.2.3 TD2040 集成功放及其应用,特点：,输出短路保护、自动限制功耗、有过热关机保护,参数：,直流电源：2.5 20 V,开环增益：80 dB,功率带宽：100 kHz,输入阻抗：50 k,输出功率：22 W(RL=4),双电源(OTL)应用,大电容滤除低频成分,小电容滤除高频成分,单电源(OTL)应用：,交流电压串联负反馈,使 U1=0.5VCC,30 dB,1.功率管的工作类型,2.OCL 和 OTL 功放电路的特性,结构简单，效率高，频率响应好，易集成,结构简单，效率高，频率响应
16、好，易集成，单电源,双电源，电源利用率不高,输出需大电容，电源利用率不高,最大输出功率,直流电源消耗功率,效率,最大管耗,TDA2030简介：TDA 2030 是一块性能十分优良的功率放大集成电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，在目前流行的数十种功率放大集成电路中，规定瞬态互调失真指标的仅有包括TDA 2030 在内的几种。我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，该集成功放的一个重要优点。TDA2030 集成电路的另一特点是输出功率大，而保护性能以较完善。根据掌握的资料，在各国生产的单片集成电路中，输出功率最大的不过20W，而TDA 2030的输出功率却能达18W，若使用两
17、块电路组成BTL电路，输出功率可增至35W。另一方面，大功率集成块由于所用电源电压高、输出电流大，在使用中稍有不慎往往致使损坏。然而在TDA 2030集成电路中，设计了较为完善的保护电路，一旦输出电流过大或管壳过热，集成块能自动地减流或截止，使自己得到保护（当然这保护是有条件的，我们决不能因为有保护功能而不适当地进行使用）。,TDA2030 集成电路的第三个特点是外围电路简单，使用方便。在现有的各种功率集成电路中，它的管脚属于最少的一类，总共才5端，外型如同塑封大功率管，这就给使用带来不少方便。TDA2030 在电源电压14V，负载电阻为4时输出14瓦功率（失真度05）；在电源电压 16V，负
18、载电阻为4时输出18瓦功率（失真度05）。该电路由于价廉质优，使用方便，并正在越来越广泛地应用于各种款式收录机和高保真立体声设备中。该电路可供低频课程设计选用。,工作原理:用两块TDA2030 组成如图1所示的BTL功放电路，TDA 2030（1）为同相放大器，输入信号Vin通过交流耦合电容C1馈入同相输入端脚，交流闭环增益为KVC1R3/R2R3/R230dB。R3 同时又使电路构成直流全闭环组态，确保电路直流工作点稳定。TAD 2030（2）为反相放大器，它的输入信号是由TDA 2030（1）输出端的U01 经R5、R7分压器衰减后取得的，并经电容C6 后馈给反相输入端脚，它的交流闭环增益KVCR9/R7/R5R9/R730dB。由R9R5，所以TDA 2030（1）与TDA 2030（2）的两个输出信号U01 和U02 应该是幅度相等相位相反的，即：U01UinR3/R2 U02U01R9/R5 R9R5 U02 U01,TL 功放电路能把单路功放的输出功率（PMONO）扩展4倍，但实际上却受到集成电路本身功耗和最大输出电流的限制，该电路若在VS14V工作时，PO28W。若在VS16V或18V（TDA 2030A）工作时，输出功率会增加，但调试中应密切注视两块电路输出端（脚）的直流电平，它们对地的电平都近似为零，为 图 1 BTL 功放电路,
