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1、实用模拟电子技术教程,主编：徐正惠,副主编：刘希真 张小冰,第三篇 模拟集成电路及其应用 本篇介绍集成电路和模拟集成电路的分类、命名方法、封装方式等基本常识。在此基础上重点介绍集成运算放大电路、集成稳压电路、集成信号测量电路、集成仪表放大电路、集成功率放大电路、集成信号发生电路等。通过介绍和讨论，要求掌握或了解相关集成电路常用的型号、外型、封装、功能、主要性能指标和典型应用电路。要求掌握常用模拟集成电路应用电路的设计方法。,第15章 集成功率放大电路,第三篇 模拟集成电路及其应用,学习要求：掌功率放大电路与电压放大电路的主要区别；掌握功率放大电路的分类；掌握变压器耦合功率放大电路、OTL电路、
2、OCL电路和BTL电路结构上的区别；掌握功放电路效率的定义；了解集成功率放大电路的组成和主要性能指标；读懂集成功率放大电路LM386、TDA1514、TDA2822M和TDA1552Q的典型应用电路。,15.1.1 什么是功率放大电路,15.1 功率放大电路概述,工程上经常要用到一类能带动一定的负载,例如驱动喇叭发声、继电器动作、使电机转动等，有较大输出功率的放大电路。这种以获得一定输出功率为目的的放大电路,称为功率放大电路，简称功放电路。,放大电路输出功率等于输出电流和输出电压的乘积，为了获得较大的输出功率，功放电路既要输出较大的电流，同时又要输出较大的电压。为了满足这一要求，功率放大电路在
3、结构、电源及元器件选择上就与小信号放大电路有明显的差别。,15.1.2 功率放大电路的特点,15.1 功率放大电路概述,和共射极放大电路等基本放大电路相比较，功率放大电路有以下三个特点：,1、与电压放大电路组合使用当所考察的信号十分微弱时，不可能经一级放大电路就形成较大的功率输出，因此，功率放大电路经常和电压放大电路组合起来使用，即共同组成多级放大电路。电压放大电路常处于前置级，其任务是将微弱的输入信号（mV级，甚至V级）识别出来并进行有效的放大。最后才接上功率放大电路，使整机有较大的功率输出，用来驱动喇叭、继电器或电机等。前面已经介绍过电压放大电路，因此，在下面讨论功率放大电路时，我们都认为
4、其输入电压都有几百毫伏或几伏的大小。,15.1.2 功率放大电路的特点,15.1 功率放大电路概述,2、提高输出功率和效率成为主要矛盾在输入为正弦波且输出基本不失真的条件下，功率放大电路的交流输出功率P0等于：,式中U0、I0为输出电压和电流的交流有效值。在电路参数确定的情况下，负载能获得的最大交流输出功率称为功率放大电路最大输出功率，用符号Pom表示。功率放大电路的效率等于最大输出功率和直流电源提供的功率的比值：,对于功率放大电路来说，获得较大的输出功率已成为主要目的，因此就需要分析如何提高输出功率；由于功率较大，还必须考虑提高效率以便减小电源能量的浪费。,15.1.2 功率放大电路的特点,
5、15.1 功率放大电路概述,3、如何减小非线性失真，也是功率放大电路需要解决的重要问题 电压放大电路中，三极管工作于小信号状态，因此可以看作为是线性器件。经过电压放大器放大后，功率放大电路的输出信号已足够大，放大电路已在大信号情况下工作，三极管接近于极限运用状态，这种情况下就会产生非线性失真，功率放大电路必须研究如何尽可能减小这种失真。,15.1.3 功率放大电路的分类,15.1 功率放大电路概述,常用的功率放大电路分为两大类：由分立元器件组成的功放电路和集成功放电路。根据结构和工原理上的不同，分立元器件组成的功放电路分为以下几类：,1、变压器耦合式功率放大器 这类放大器采用变压器耦合，存在体
6、积大、效率低、频率特性差、不便于集成化等缺点，已很少使用。,2、OTL功放电路 是无输出变压器功率放大电路的简称。这类功放电路取消了耦合变压器，保留大容量的耦合电容来实现放大器与负载之间的功率耦合。,3、OCL功放电路 是无输出电容功率放大电路的简称。这类功放电路进一 步取消了输出端耦合电容，但需要双电源供电。,15.1.3 功率放大电路的分类,15.1 功率放大电路概述,4、BTL功放电路 是桥式推挽功率放大电路的简称，其特点是在OCL电路不使用变压器和大电容的基础上进一步实现了单电源供电。,OTL、OCL和BTL型功率放大电路都已实现了集成化，被制成各种型号的集成功率放大电路。但集成功率放
7、大电路一般按功率和电压增益的不同进行分类。,15.2.1 变压器耦合功率放大电路,15.2 分立元件组成的功率放大电路,1、共射极电路不宜用作功率放大电路将共射极放大电路用于功率放大，其电路如图15-1(a)所示，其中RC为集电极电阻，Rb为基极偏置电阻，RL为负载电阻。忽略信号源内阻，其电压放大倍数等于：,电阻RC的阻值一般在几k的大小，如果负载电阻RL也有几k的数量级，则电压放大倍数较大。但将这种放大电路用于功率放大时就遇到问题，由于扬声器等负载电阻常常很小，通常只有几欧姆的大小，设RL=8，将其代入上式，容易看出，放大倍数将减小到1以下，于是，负载上所能得到的交流信号功率就很小。因此，共
8、射极电路不宜用作功率放大。,15.2.1 变压器耦合功率放大电路,15.2 分立元件组成的功率放大电路,2、单管变压器耦合功放电路为了解决负载电阻与共射极放大电路输出电阻之间的匹配，可采用变压器耦合，其电路如图所示。,其集电极以变压器为感性负载，适当选择初次级匝数比N1/N2，次级的负载电阻反射到初级成为高阻值的感抗。由于感性负载的阻值可以做得比较大，放大电路的放大倍数也就比较高，因此负载RL上就可以得到较高的输出功率。,15.2.1 变压器耦合功率放大电路,15.2 分立元件组成的功率放大电路,2、单管变压器耦合功放电路,单管变压器耦合功率放大电路的缺点是效率较低。这是因为静态情况下，必须维
9、持晶体管有较大的静态集电极电流。如果静态集电极电流ICQ很小，输入信号的负半周集电极电流趋于零，晶体管进入截止区，只有ICQ足够大，才能保证整个输入信号周期内晶体管都处于放大区，如下图所示。静态集电极电流ICQ大，静态情况下所消耗的功率就大，因此放大电路的效率就低。,ICQ过小 ICQ 足够大,15.2.1 变压器耦合功率放大电路,15.2 分立元件组成的功率放大电路,3、变压器耦合推挽功率放大电路,由两只晶体管组成的推挽放大电路如图所示，这种电路可以克服单管变压器耦合功率放大电路效率低下的缺点。,这种电路的优点是静态集电极电流为零，因此效率比较高。缺点是使用了输入、输出变压器，因此体积大、重
10、量重、也不宜集成化。,15.2.1 变压器耦合功率放大电路,15.2 分立元件组成的功率放大电路,3、变压器耦合推挽功率放大电路-工作原理,15.2.2 OTL功率放大电路,15.2 分立元件组成的功率放大电路,1、OTL电路结构,如图所示，VT1和VT2是两只类型不同特性对称的晶体管，这种电路没有使用变压器，因此被称为无输出变压器功率放大电路。OTL是英语“Output Transfomerless”的缩写,15.2.2 OTL功率放大电路,15.2 分立元件组成的功率放大电路,2、静态分析,由于晶体管特性的对称性，静态情况下，两管集电极电流相等，两个发射极连接点B的电压等于电源电压的一半，
11、UB=VCC/2。两只晶体管基极之间的电压决定于二极管VD1、VD2的压降，二极管正向压降约0.6V左右，两之二极管串联以后两端的电压降为1.2V，这1.2V静态电压在两只晶体管的发射结之间分配，由于对称性，每只管子分到0.6V，因此，静态情况下两之晶体管都处于临界导通状态，静态集电极电流趋于零。,输入端，两只二极管中点A的静态电压也等于电源电压的一半，UA=VCC/2。,15.2 分立元件组成的功率放大电路,3、动态分析,输入电压正半周，A点电压逐渐上升，VT1、VT2基极电压也随之上升，于是VT1导通，VT2截止，VT1发射极电流向电容C2充电，电流流动方向如图中实线所示，负载上形成正半波
12、输出；负半周，A点电压逐渐下降，VT1、VT2基极电压也随之下降，下降的结果，VT2导通，VT1截止，正半周时充好电的电容C2经过VT2放电，电流流动方向如图中虚线所示，负载上形成负半波输出。于是就在负载上得到正弦波输出。,15.2 分立元件组成的功率放大电路,4、优缺点,这种电路电路的优点是：静态是集电极电流趋于零，因此有较高的效率；省略了输出变压器，克服了变压器耦合推挽式功放电路体积大、重量重的弊病。缺点是耦合电容的电容量很大，使电路体积过大，且不宜集成。电路的低频特性决定于C2和RL的乘积，RL电阻值较低时，为了获得较好的低频特性，电容的容量高达几千微法。,15.2.3 OCL功率放大电
13、路,15.2 分立元件组成的功率放大电路,1、电路结构,OCL功放电路如图所示，和OTL电路相比，有以下两点改变：（1）将单电源供电改为VCC双电源供电；（2）负载电阻直接连接到电路输出端（两只晶体管发射极）。由于省去了输出端耦合电容，因此被称为无输出电容功率放大电路，OCL是英语“Output Capacitorless”的缩写。,15.2.3 OCL功率放大电路,15.2 分立元件组成的功率放大电路,2、静态分析,和OTL电路的情况类似，由于VT1、VT2管基极之间二极管VD1、VD2的钳位作用，静态情况下，两只晶体管都处于临界导通状态，集电极电流趋于零。同时，由于使用了VCC双电源供电，
14、两只晶体管发射极电压（即图中B点）等于零，负载上没有电流通过，静态时A点的电压也等于零。,15.2.3 OCL功率放大电路,15.2 分立元件组成的功率放大电路,3、动态分析,输入端加入正弦波输入电压时，由于二极管VD1、VD2的动态电阻很小，两只晶体管基极电压的交流成分近似相等，且都等于输入电压：,输入信号正半周，两管基极电压升高，VT1进一步导通，VT2截止，VT1集电极电流增加，这一电流从上向下流过负载电阻RL，在负载电阻上形成正半周输出，如图中实线箭头所示；输入信号负半周，两管基极电压降低，VT2进一步导通，VT1截止，VT2集电极电流增加，这一电流从下而上流过负载电阻RL，在负载电阻
15、上形成正负周输出，再经VT2流入负电源，如图中虚线箭头所示。于是就在负载上得到正弦波输出。,效率最高可以达到78.5%。,15.2.4 BTL功率放大电路,15.2 分立元件组成的功率放大电路,1、电路结构,简化的BTL功率放大电路如由图所示。四个晶体管组成电桥式结构，晶体管VT1和VT3的特性应完全对称，VT2和VT4应完全对称。负载电阻接在电桥式结构的对角线上。这种功率放大电路即称为桥式推挽功率放大电路，简称BTL电路。,15.2.4 BTL功率放大电路,15.2 分立元件组成的功率放大电路,2、工作原理,静态情况下，四只晶体管均处于截止状态，两组OCL功放电路的中点电压均为零，负载两端的
16、电位相等，没有电流流过负载RL。,15.2.4 BTL功率放大电路,15.2 分立元件组成的功率放大电路,2、工作原理,15.2.4 BTL功率放大电路,15.2 分立元件组成的功率放大电路,2、工作原理,同样的电源电压，负载上能得到的最大输出电压是单端输出OCL电路的二倍，输出功率则增大为为四倍。这就是BTL功率放大电路的主要优点。,15.3.1集成功率放大电路的组成,15.3 集成功率放大电路,为了使用上的方便，集成功率放大电路一般都将前置电压放大电路和功率放大电路做在一起。例如，图所示的是集成功率放大电路LM386的内部电原理框图。由图可以看出，这种集成功放由三级放大电路组成，差分电路为
17、输入级，经中间电压放大，最后是OTL功放电路。,15.3.2集成功率放大电路的主要性能指标,15.3 集成功率放大电路,集成功放电路的主要性能指标除了最大输出功率以外还包括电源电压范围、静态电流、电压增益、频带宽度、输入阻抗等。作为例子，下表给出了几种常用的集成功放电路的主要性能指标。,1、封装和引脚,15.4音频集成功放LM386,LM386是一种常用的OTL型集成功率放大电路，有8脚DIP和SOP两种封装，如图所示：,各引脚功能如下表所示：,2、主要性能指标,15.4音频集成功放LM386,型号中的后缀“N”表示DIP封装，“M”表示SOP封装。,电源电压：LM386N-1，-3，LM38
18、6M-1，LM386MM-1型 412V LM386N-4型 518V输出功率:LM386N-1，LM386M-1，LM386MM-1型 325mW LM386N-3型 700mW LM386N-4型 1000mW电压增益：26dB46dB可调 静态电流:4mA全谐波失真：0.2%输入偏置电流：250nA输入电阻：50k带宽：300kHz,3、典型应用电路,15.4音频集成功放LM386,典型应用电路如图所示。这一电路用于收录音机、电视机的放音电路。其中，1、8脚之间所接的电阻R1和电容C1用来设置电路的增益：R1=0，C1=10F时，电压放大倍数AV=200；R1=1.2k，C1=10F时，
19、电压放大倍数AV=50；R1和C1都不接时，电压放大倍数AV=20。,由于LM386的功放电路属OTL类型，因此，输出端“5脚”需经大容量的电容与扬声器相连接。,15.5高保真集成功放TDA1514,TDA1514是Philips公司专为数码音响设计的Hi-Fi集成功率放大电路，属OCL类型，Hi-Fi是英语“High fidelity”的缩写，高传真的意思，现在常被用来作为“实现原声场完美重放的高保真音响”的代名词，因此也可以将“Hi-Fi”理解为“高保真”。,1、封装和引脚功能 采用9脚单列结构封装，如图(1)所示：,图（1）,引脚功能如下表所示：,2、典型应用电路,15.5高保真集成功放
20、TDA1514,TDA1514典型应用电路如下图所示,15.5高保真集成功放TDA1514,应用TDA1514组成的功放电路，具有输出功率大、失真小、频带宽、性能稳定可靠等优点。总谐波失真小于0.003%，信噪比80dB，负载电阻RL=8时，使用27V电源，可以获得40W的输出；负载电阻RL=4时，使用23V电源，可以获得50W的输出。但TDA1514只含一个通道，构成立体声音响时应使用二片TDA1514。,15.6双通道低压集成功放TDA2822M,是一种专为随身听等便携式音响设备设计的低电压、双通道集成功放电路，按照所使用的电源电压的不同又分3V、6V、9V等多种型号，下面以TDA2822
21、M（3V）为例，介绍这类集成功放的特性和典型应用。TDA2822M属BTL类型，既可以按BTL方式连接，也可以按OTL方式接成二个通道，构成立体声输出。,1、封装和引脚 采用8脚封装，有DIP和SOP两种封装，如下图所示。,15.6双通道低压集成功放TDA2822M,引脚功能见下表：,2、主要性能指标,电源电压：1.8V5V静态电流：9mA闭环电压增益：40dB输出功率（VCC=3V，RL=4，总谐波失真10%时）：DIP封装 0.11W SOP封装 0.07W 总谐波失真：立体声接法，RL=8，输出0.20W时 0.5%BTL接法，RL=8，输出0.50W时，0.5%输入电阻：100k,15
22、.6双通道低压集成功放TDA2822M,3、典型应用电路,TDA2822M为双通道功放，两个通道分开使用时，左右声道个占一个通道，这种接法成为立体声接法，也可以将两个通道接成BTL电路。,15.6双通道低压集成功放TDA2822M,3、典型应用电路,（1）立体声接法-电路如下图所示,TDA2822中的两个相同的电路（图中A1和A2）分别被用作左右两个声道的功放电路。一个输入左声道信号，放大后驱动左边的耳机；另一个输入右声道信号，放大后驱动右边的耳机。,信号从同相端输入，10k为输入端偏置电阻；反相端经100F电容交流接地（单端输入方式）；使用3V单电源，输出端直流电平不等于零，因此经470F耦
23、合电容与负载电阻（耳机）相连接；输出端0.5F和4.7的电阻、电容串联支路用来改善音质；与2脚相连接的100F的电容用来消除经电源内阻耦合引起的振荡。TDA2822M明显的优点是SOP封装体积小；可以低电压下工作，在3V1.8V范围内均可正常工作；静态电流小；音质好，总谐波失真为0.5%。,15.6双通道低压集成功放TDA2822M,（2）BTL接法-电路如下图所示,TDA2822M电路的两个通道可以接成BTL组态来驱动耳机,耳机接在两个两个功放的输出端之间。A1、A2两个电路的反相输入端经10F的电容被连接在一起，输入信号加在A1的同相输入端，A2的同相输入端接地，输入信号经A1同相端、A1
24、反相端、A2反相端、A2反相端至地，形成回路，由于电路的对称性，A1、A2反相端的信号电压应等于Ui/2。,A1的差分输入电压等于Ui/2，“1脚”输出电压U01等于：,A2的差分输入电压等于Ui/2，“3”脚的输出电压U02等于：,耳机两端的电压U0等于“1”脚电压和“3”脚电压之差：,15.7 立体声汽音响功放电路TDA1552Q,TDA1552Q是一种为汽车音响研发的BTL类型的功率放大电路，也广泛用于Hi-Fi功放和家庭影院的音响设备。,1、封装和引脚功能 TDA1552Q采用13脚SIP（单列直插）封装，参见下图。13个引脚的功能如表所示。主要性能指标见表15-1。,15.7 立体声
25、汽音响功放电路TDA1552Q,1、封装和引脚功能,TDA1552Q内含两组相同的BTL型功放电路，每一组都有一个输入端，两个输出端，表中两组功放电路引脚位置和功能关系如右图所示。,15.7 立体声汽音响功放电路TDA1552Q,2、典型应用电路,TDA1552Q的典型应用电路如图15-16所示，每只喇叭上可一获得22W的功率输出。与“3”、“10”脚相连接的电容是电源的滤波电容，之所以用一个2200F的大容量电解电容和另一个0.1F的小容量非电解电容（例如瓷片电容）并联的方法滤波，是因为电解电容对于高频信号呈现较大的感性阻抗，并联小容量的非电解电容可以减小这一阻抗。,第15章讲授到此结束 谢谢大家！,
