模拟部分第二章-功率放大器设计.ppt
电子技术课程设计(模拟部分),梁 文 海EMAIL:四川师范大学物理与电子工程学院 2010年5月,第二章 音频功率放大器设计,第一节,第三节,第二节,各类放大电路,集成功率放大器,概述,第四节,功率放大器设计,例：扩音系统,功率放大器的作用：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。,2.1概 述,功率放大器的种类,目前，功率放大器已经有了很多种形式。（一）按耦合方式分，有两大类，1、变压器耦合功放：（1）变压器耦合单管甲类功放（2）变压器耦合乙类推挽功放2、无变压器耦合功放：（1）OTL功放（2）OCL功放（3）DC（直流）功放（4）超甲类功放（二）按工作状态分，有 1、甲类：在输入正弦波电压信号的整个周期中，管子都导通的一种工作状态。设正弦波周期为T，管子导通时间为t，则甲类工作时，tT。,功率放大器的种类,2、乙类：tT/2，管子只导通半个周期，另半个周期截止。3、甲乙类：T/2 tT，管子导通时间大于半个周期，截止时间小于半个周期。4、丙类：tT/2，管子的导通时间小于半个周期，大部分时间截止。5、丁类：又称开关型功放，管子工作于开关状态，即“饱和导通完全截止”两个极端状态。6、超甲类：是对甲乙类的改进，即甲乙类工作状态时有一小段截止状态，而在超甲类时，这一小段时间中管子仍维持小电流导通状态。,（2）晶体管在极限条件下工作:ICM、UCEM、PCM。,（1）输出功率Po尽可能大,功率放大电路的要求,(3)电流、电压信号比较大，注意减小波形失真,(4)注意提高电路的效率（）。,Pomax:负载上得到的交流信号功率。PE：电源提供的直流功率。,（5）功放管散热和保护问题,功放电路与普通放大电路的比较,1.共同点：都是能量转换电路，把直流能量转换为交变能量。2.不同点：(1)普通放大电路：要求负载得到不失真电压信号，不要求输出功率；电路工作在小信号状态，研究的问题是电压放大倍数、输入和输出电阻、带宽等。(2)功率放大电路：要求负载得到一定的不失真或失真较小的输出功率；电路工作在大信号状，研究的问题是提高输出功率和效率。,功放电路研究的主要问题,要求输出功率尽可能大：要求输出电流和电压都大，管子运行在极限状态。电路效率要高：效率是指负载得到的有用信号功率与电源供给的直流功率之比，比值越大效率越高。非线性失真尽可能小：功率与失真是一对矛盾，一般输出功率越大失真越严重。半导体的散热问题：功放电路中很大一部分功率被集电结消耗掉，使结温上升，为充分利用允许的管耗输出足够大的功率，散热非常重要。功放管的保护问题：为输出足够大的功率，管子承受的电压很高，通过的电流很大，管子较容易损坏。,二.甲类功率放大器分析,1.三极管的静态功耗：,若,电源提供的平均功耗：,则,2.动态功耗,（当输入信号Ui时）,输出功率:,要想PO大，就要使功率三角形的面积大，即必须使Vom 和Iom 都要大。,最大输出功率:,电源提供的功率,此电路的最高效率,甲类功率放大器存在的缺点：,输出功率小 静态功率大，效率低,三.BJT的几种工作状态,甲类：Q点适中，在正弦信号的整个周期内均有电流流过BJT。,甲乙类：介于两者之间，导通角大于180,动画演示,乙类：静态电流为0，BJT只在正弦信号的半个周期内均导通。,晶体管的三种工作状态：,要提高效率就要减小直流静态电流，让功率放大电路工作在乙类状态。,上页,下页,返回,翻页,第二章 音频功率放大器设计,第一节,第三节,第二节,集成功率放大器,概述,第四节,功率放大器设计,各类放大电路,2.2 互补对称电路,T1、T2：参数互补对称，称为互补对称电路。VI=0 时 VO=0。,T1和T2分别组成射极输出器,VI0 时 T1 导通T2截至的等效电路。,T1和T2分别组成射极输出器,VI0 时 T1 截至T2导通的等效电路,2.2 互补对称电路,2.2.1双电源互补对称电路（OCL),1.OCL电路,上页,下页,电路组成,返回,翻页,静态功率如何,功率计算,Uom 最大可达到 UCC，,上页,下页,返回,翻页,4.功率管选择：PCMAX0.2POM,OCL乙类功率放大电路,OCL甲乙类功率放大电路,利用二极管提供偏置电压,工作在乙类状态的放大电路，当输入信号很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不导电。因此在正、负半周交接处产生波形的非线性失真，称为交越失真。,可给三极管稍稍加一点偏置，使两管均处微导通状态，使之工作在甲乙类,OCL甲乙类功率放大电路,利用二极管提供偏置电压,利用三极管恒压源提供偏置,如图所示运算放大器电流扩展电路，可将输出电流扩展到安培级。若负载阻抗为8,依图结构设计电路，要求放大器输入电阻为1K，放大倍数为100，输出电流0.5A。,运放与单元组合电路的分析,集成运放驱动的OCL电路：,实用的OCL甲乙类功率放大电路,实际功放:,甲乙类准互补对称OCL电路,电路组成与工作原理,2.2.2单电源互补对称电路（OTL电路）,上页,下页,返回,翻页,静态直流偏置,OTL乙类功率放大电路,单电源互补功率放大电路如图所示。当电路对称时，输出端的静态电位等于VCC/2。为了使负载上仅获得交流信号，用一个电容器串联在负载与输出端之间。这种功率放大电路也称为OTL互补功率放大电路。,OTL甲乙类功率放大电路,1、基本原理,.单电源供电；,.输出加有大电容。,（1）静态偏置,甲乙类单电源互补对称电路,调整RW阻值的大小，可使,此时电容上电压,（2）动态分析,（电容起到了负电源的作用）,Ui负半周时，T1导通、T2截止；,Ui正半周时，T1截止、T2导通。,动画演示,（3）输出功率及效率,若忽略交越失真的影响。则：,此电路存在的问题：,输出电压正方向变化的幅度受到限制，达不到VCC/2。,2.带自举电路的单电源功放,静态时,C1充电后，其两端有一固定电压,动态时,由于C1很大，两端电压基本不变，使C1上端电位随输出电压升高而升高。保证输出幅度达到VCC/2。,C1、R7为自举电路,OTL功率放大器电路,实用电路,上页,下页,返回,翻页,总结：互补对称功放的类型,第二章 音频功率放大器设计,第一节,第三节,第二节,概述,第四节,功率放大器设计,各类放大电路,集成功率放大器,集成功率放大电路大多工作在音频范围，除具有可靠性高、使用方便、性能好、重量轻、造价低等集成电路的一般特点外，还具有功耗小、非线性失真小和温度稳定性好等优点。并且集成功率放大器内部的各种过流、过压、过热保护齐全，其中很多新型功率放大器具有通用模块化的特点，被称之为“傻瓜”型的集成功放，使用更加方便安全。集成功率放大器是模拟集成电路的一个重要组成部分，广泛应用于各种电子电气设备中。,3 集成功率放大器,上页,下页,返回,3 集成功率放大器,TDA2030集成音频功率放大器,翻页,集成功放应用简介 1SHM1150型集成功率放大器 SHM1150型集成功率放大器是由双极型三极管和单极型VMOS管组成的功率放大器，图6-13（a）为SHM1150型集成功率放大器的内部简化原理图。其中输出级采用的是功率VMOSFET管，可以提供较大的功率输出。和双极型功率管相比，功率VMOS管具有很多优点，比如耐压可高达1000 V以上，最大连续电流可达200 A。并且由于VMOS管的输入电阻极高，需要的驱动电流非常小，因此可以达到很高的功率放大倍数。,SHM1150型集成功率放大器（a）内部简化电路;（b）外部接线图,从图（a）可以看出，输入级由V1、V2组成带恒流源的差动输入级，为单入双出形式，第二级由PNP管V4、V5组成双入单出的差动电路。由于V4、V5的输入信号分别来自V1、V2的集电极信号uC1和uC2，是大小相等、方向相反的一对差模信号，所以V4、V5完成了将输入级的双端输出信号转换成单端输出信号的功能，并由V5集电极输出，提供给输出级。V5、V6及R9、R10构成了可调偏置电压电路，用来使功率输出管工作于甲乙类状态，消除交越失真。输出级为准互补对称功率输出级，V7和V9 组成复合NPN管，V8和V10组成复合PNP管。,由于输出管是功率VMOS管，因此使本电路的输出功率大大增强。负反馈支路由R4和R2 组成，构成级间的电压串联负反馈，起到稳定整个电路的静态工作点和放大倍数的作用。电容C为相位补偿电容，以消除自激。恒流源I1为输入级提供稳定的静态工作点，并增强了电路抑制漂移的能力，I2 是V4、V5的有源负载。SHM1150接上电源即可作为双电源互补对称电路直接使用，如图（b）所示。该电路可在（1250）V电源电压下工作，最大输出功率达150 W，使用十分方便。,集成OCL电路的应用,如图所示为TDA1521的基本用法。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。其内部引入了深度电压串联负反馈，闭环电压增益为30dB，并具有待、静噪功能以及短路和过热保护等。,25W X 2 LM1875功放电路图,第二章 音频功率放大器设计,第一节,第三节,第二节,概述,第四节,各类放大电路,集成功率放大器,功率放大器设计,设计要求,1、设计任务：设计一个音频功率放大器，准确地理解有关要求，独立完成系统设计，要求所设计的电路具有以下功能：（1）额定输出功率10W，负载阻抗8。（2）具有合适频响宽度、保真度要好、动态特性好，具有音调控制功能。（3）所设计的电路具有一定的抗干扰能力。2设计内容：（1）画出电路原理图；（2）确定元器件及元件参数；（3）进行电路模拟仿真；（4）SCH文件生成与打印输出。,设计方案,前置级,音调控制级,功率放大级,+15V,-15V,前置放大电路（A1）由A1组成的前置放大电路是一个同相输入比例放大器，电路的闭环特性如下：理想闭环电压增益 输入电阻rif=R1 输出电阻rof=0 扩音机电路的增益是很高的，所以扩音机的噪声主要取决于前置放大器的性能。为了减小前置级放大器的噪声，第一级要选用低噪声的运放。另外，如输入线的屏蔽情况，地线的安装等等都对噪声有很大影响。,音调控制级,音调控制原理,常用的音调控制电路有三种形式：一是衰减式RC音调控制电路，其调节范围宽，但容易产生失真；另一种是反馈型音调控制电路，其调节范围小一些，但失真小；第三种是混合式音调控制电路，其电路复杂，多用于高级收录机。为使电路简单而失真又小，本音调集成功率电路中采用了由阻容网络组成的RC型负反馈音调控制电路。它是通过不同的负反馈网络和输入网络造成放大器闭环放大倍数随信号频率不同而改变，从而达到音调控制的目的。,下图是这种音调控制电路的方框图，它实际上是一种电压并联型负反馈电路，图中Zf代表反馈回路总阻抗；Zi代表输入回路的总阻抗。电路的电压增益。,音调控制电路方框图,只要合适选择并调节输入回路和反馈回路的阻容网络，就能使放大器的闭环增益随信号频率改变，从而达到音调控制的目的。组成Zi和Zf的RC网络通常有下图所示四种形式。(a)低音提升,图(a),图(a)中若C1取值较大，只有在频率很低时才起作用，则当信号频率在低频区，随频率降低，增大，所以 提高，从而得到低音提升。,图(b)中，若C3取值较小只有高频区起作用，则当信号在高频区且随频率升高 减小，所以 提高，从而可得到高音提升。,(b)高音提升,图(b),(c)高音衰减(d)低音衰减,图(c),同理可以分析图134(c)(d)，分别可用作高、低音衰减。,图(d),如果将这四种电路形式组合起来，即可得到下图所示的反馈型音调控制电路。先假设 R1=R2=R3=R；C1=C2C3；RP1=RP29R,信号在低频区 在低频区，因为C3很小，所以C3、R4支路可视为开路，反馈网络主要由上半部分电路起作用。又因运放的开环增益很高，UEUE0（虚地），故R3的影响可忽略，当电位器RP2的活动端移至A点时，C1被短路，其等效电路如下图所示。可以得到低音最大提升量 按实际电路参数R1=R2=R3=20k，RP1=RP2=220k，C1=C2=0.022uF，可得(约18.6dB),转折频率：以同样方式可以说明在RP2滑动到B点时，低音地最大衰减量：按实际电路参数可得（约18.6dB）转折频率：,信号在高频区 在高频区，因为C1和C2较大，对高频可视为短路，而C3较小，故C3、R4支路已起作用，其等效电路可画成如下图所示(a)形式。,图(a),图(b),为了便于说明，将电路中接成Y形地R1、R2、R3电路变换成图(b)所示接成的形电路，这里Ra=Rb=Rc=3R(当R1=R2=R3=R时)。设前级输出电阻很小（如小于500），输出电压Uo通过Rc反馈到输入端的信号被前级输出电阻所旁路，故Rc的影响可忽略（视为开路）。因此当RP2滑动到C点或D点时，可分别画出如下图(a)和(b)所示的等效电路（因RP2的数值很大，为简单起见，可视为开路）。,图(a),图(b),上图(a)显然具有高音提升作用，其最大提升量按电路实际参数R=20k，R4=8.2k，C3=1000P，所以 AUC8.3(约18dB)上图(b)为高音衰减电路，其衰减量按电路实际参数 AUD0.12(约-18dB)高频转折频率,若将音调控制电路高低音提升和衰减曲线画在一起，可得到如下图所示幅频特性曲线。,由图可见，音调控制级的中频电压放大倍数Aum=1；当ffH2(19KHz)时高音控制范围也为18dB。,功率放大级,本实验电路的功率放大级由集成功率器件TDA2030A连成OCL电路输出形式。TDA2030A功率集成电路具有转换速率高，失真小，输出功率大，外围电路简单等特点，采用5脚塑料封装结构。其中1脚为同相输入端；2脚为反相输入端；3脚为负电源；4脚为输出端；5脚为正电源。,TDA2030A功率集成电路的内部电路包含由恒流源差动放大电路构成的输入级、中间电压放大级，复合互补对称式OCL电路构成的输出级；启动和偏置电路以及短路、过热保护电路等。其结构框图如图所示。,功率放大级,TDA2030A的电源电压为6V22V，静态电流为50mA（典型值）；1脚的输入阻抗为5M（典型值），当电压增益为26dB、RL=4时，输出功率Po=15W。频带宽为100KHz。源为14V、负载电阻为4时，输出功率达18W。为了提高电路稳定性，减小输出波形失真，功放级通过R10，R9，C9引入了深度交直流电压串联负反馈，由于接入C9，直流反馈系数F1。对于交流信号而言，因为C9足够大，在通频带内可视为短路，所以交流反馈系数,按电路的实际参数。因而该电路的电压增益。可见改变电阻R9、R10可以改变电路增益。电容C15、C16用作电源滤波。D1和D2为保护二极管。R11、C10为输出端校正网络以补偿电感性负载，避免自激和过电压。,功率放大级,TDA2030A技术参数,详细参数请下载参阅（TDA2030A技术资料.PDF文件）,TDA2030A技术参数,TDA2030A技术参数,TDA2030A技术参数,TDA2030A典型应用,TDA2030A典型应用,整机电路,扩音机的整机电路如下图所示，按其构成，可分为前置放大级，音调控制级和功率放大级三部分。,-15V 0V+15V,同轴连接器,信号参考,屏蔽线,信号输入,The End,第二章 音频功率放大器设计,
