模电最新版多媒体ppt课件第5章-功率放大电路.ppt
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1、5.1 功率放大电路概述,5.2 乙类互补对称功率放大电路,5.3 集成功率放大器,5.4 功率管和功率器件的安全使用,1.了解低频功率放大电路特点,理解交越失真产生的原因、消除方法。2.熟悉互补对称功率放大电路的组成、工作原理、特点及应用,了解OCL、OTL区别及应用,会估算输出功率,会估算功放管主要参数。3.理解复合管组成原则,会判别复合管的管型。4.了解常用集成功率放大器(LM386、TDA2030等)性能特点及使用方法,会估算集成功放电路闭环增益。5.选学BTL电路原理。6.了解功率放大管二次击穿和热致击穿现象、功率管及功率器件保护措施。,在我们平时使用的许多电子产品中如电视机、组合音
2、响、收音机以及手机等,里面都有功率放大电路。功率放大电路对信号进行功率放大,提高信号的驱动能力。功率放大电路一般可分为分立元件功放和集成功放两种。有源音箱是指带有功率放大器的音箱,如多媒体电脑音箱、有源超重低音箱,以及一些新型的家庭影院有源音箱等,是我们在日常生活中接触较多的一种电子产品。图5.0.1所示是漫步者R201T型2.1声道多媒体有源音箱,在配合计算机使用时,通过电缆线与计算机声卡的音频输出端相连,它对计算机声卡送来的音频信号进行功率放大,推动扬声器发出声音。取出箱内的功放电路板,如图5.0.2所示,可以发现其中的集成功率放大器芯片。,图5.0.1 有源音箱外观 图5.0.2 内部功
3、放电路板,5.1 功率放大电路概述,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(Power amplifier),简称功放。,5.1.1 功率放大电路特点和要求,一、功率放大电路的特点,从能量控制的观点来看,功率放大电路与电压放大电路都属于能量转换电路,均将电源的直流功率转换成被放大信号的交流功率。两种电路的比较如下表所示:,二、对功率放大电路的要求,1、应有足够大的输出功率。2、效率要尽可能的高。3、非线性失真要小。4、功率管要采取散热、过压、过流保护等保护措施。,5.1.2 功率放大电路的分类,1、按静态工作点分类:,图.1.1 各类功率放大电路的静态工作点及其波形(a)工作点位
4、置(b)甲类波形(c)甲乙类波形(d)乙类波形,2、按信号频率分类,(1)低频 本章讨论(2)高频 高频电路中讨论,5.1.3 低频功率放大电路的主要技术指标,Iom表示输出电流振幅,Uom表示输出电压振幅。,1最大输出功率Pom,输出功率Po等于输出电压与输出电流的有效值乘积,即,最大输出功率Pom是在电路参数确定的情况下,负载上可能获得的最大交流功率。,2效率,就是负载上得到的有用信号功率Po与电源供给的直流功率PV之比,即,3非线性失真系数THD,式中,Im1、Im2、Im3和Um1、Um2、Um3分别表示输出电流和输出电压中的基波分量和各次谐波分量的振幅。,THD用来衡量非线性失真的程
5、度,即:,1.乙类功放的效率比甲类功放高,为什么?2.由图5.1.1(d)可知,乙类功放管在一个周期中有半个周期截止,会造成很大的失真,实际应用中可以采取什么措施来减小失真?3.对功放电路有哪些要求?,5.2 乙类互补对称功率放大电路,功率放大器早期采用变压器耦合输出,可实现阻抗匹配,但体积大、传输损耗大,在实际中已使用不多。目前大量应用的是无变压器的乙类互补对称功率放大电路。按电源供给的不同,分为双电源互补对称功放电路和单电源互补对称功放电路。,5.2.1 OCL电路,一、基本电路及其工作原理,双电源互补对称电路又称无输出电容的功放电路,简称OCL电路,其原理电路如图5.2.1(a)所示。图
6、中V1、V2为导电类型互补(NPN、PNP)且性能参数完全相同的功放管。两管均接成射极输出电路以增强带负载能力。,为什么射极输出电路具有带负载能力强的特点?,5.2.1 OCL电路,图5.2.1 OCL基本原理电路(a)基本原理电路(b)输入信号波形(c)输出信号波形,1、静态分析,静态时两管零偏而截止,故静态电流为零,又由于两管特性对称,故两管输出端的静态电压为零。,2、动态工作情况,电路输入如图5.2.1(b)所示的正弦信号。(1)在ui正半周期间,V1发射结正偏而导通,V2发射结反偏而截止。(2)在ui负半周期间,V1发射结反偏截止,V2发射结正偏导通。V1、V2两管分别在正、负半周轮流
7、工作,使负载RL获得一个完整的正弦波信号电压,如图5.2.1(c)所示。,OCL电路的输出电压uo虽未被放大,但由于ioie(1)ib,因此具有功率放大作用。这种电路的优点是省去了输出耦合电容,使系统的低频响应更好;缺点是必须用双电源供电,增加了电源的复杂性。此外,电路连成射极输出器的形式,使放大器的输入电阻高,输出电阻很低,解决了负载电阻和放大电路输出电阻之间的配合问题。,二、电路性能参数计算,当输入信号足够大时,Ucem=VCCUCE(sat)VCC,则,1最大输出功率Pom,由图可见,IomIcm,UomUcem,得,2直流电源供给功率PV,根据富氏级数分解,周期性半波电流的平均值Iav
8、Icm/,因此正负电源供给的直流功率,3管耗PC,(2)输出最大功率时的管耗Pc1(UcemVcc)Pc1(Ucem)0.137Pom。(3)最大管耗当 Ucem=时出现最大管耗,且为Pcm10.2Pom。,(1)平均管耗,由于V1、V2各导通半个周期,且两管对称,故两管的管耗相同,每只管子的平均管耗为,4效率,当电路输出最大功率时,UcemVCC,,四、功放管的选择,功放管的极限参数有PCM、ICM、U(BR)CEO,应满足下列条件,1、功放管集电极的最大允许功耗,2、功放管的最大耐压U(BR)CEO,当一只管子饱和导通时,另一只管子承受的最大反向电压为2VCC。故,3、功放管的最大集电极电
9、流,为减小失真,在2只功放管配对选择的时候,对电流放大系数这个性能参数有什么要求?,例5.2.1 OCL电路的VCC Vcc20V,负载RL8,功放管如何选择?,解:(1)最大输出功率,(2),(3),五、交越失真与OCL实用电路,图 5.2.2 交越失真波形,乙类放大电路静态IC为零,效率高。但只有当信号电压大于导通电压时,管子才能导通。因此,当信号电压小于导通电压时,就没有电压输出。因此,信号在过零点附近,其波形会出现失真,称为交越失真,如图5.2.2所示。,图5.2.3 甲乙类互补对称功放电路,为了消除交越失真,应为两功放管提供一定的偏置,一般采用如图5.2.3所示电路。其中,V3组成电
10、压放大级,Rc为其集电极负载电阻,VD1、VD2正偏导通,和RP一起为V1、V2提供偏压,使V1、V2在静态时处于微导通状态,即处于甲乙类工作状态。此外,VD1、VD2还有温度补偿作用,使V1、V2管的静态电流基本不随温度的变化而变化。,电路装配注意事项,在图5.2.3的电路中,若RP、VD1、VD2中任一元件虚焊,则从+VCC经Rc,V1管发射结、V2管发射结、V3集电极-发射极、Re到Vcc形成一个通路,有较大的基极电流IB1和IB2流过,从而导致V1、V2管因功耗过大而损坏。故常在输出回路中串接熔断器以保护功放管和负载。,图5.2.3中,VD1、VD2的温度补偿作用是如何实现的?,例.5
11、.2.2 甲乙类互补对称功放电路如图5.2.3所示,VCC12V,RL35,两个管子的UCE(sat)2V,试求(1)最大不失真输出功率;(2)电源供给的功率;(3)最大输出功率时的效率。,解:,5.2.2 OTL电路,图5.2.4 OTL电路,1、OCL电路线路简单、效率高,但要采用双电源供电,给使用和维修带来不便。2、采用单电源供电的互补对称电路,称为无输出变压器(Output transformerless)的功放电路,简称OTL电路,如图5.2.4所示。其特点是在输出端负载支路中串接了一个大容量电容C2。,一、电路组成及工作原理,1电路组成,V3组成电压放大级,Rc1为其集电极负载,V
12、3的偏置由输出A点电压通过RP和R1提供,组成电压并联直流负反馈组态,稳定静态工作点。VD1、VD2为二极管偏置电路,为V1、V2提供偏置电压。V1、V2组成互补对称电路。,2 C2的作用,C2容量很大,满足RLC2T(信号周期),有信号输入时,电容两端电压基本不变,可视为一恒定值VCC/2。该电路就是利用大电容的储能作用,来充当另一组电源Vcc。此外,C2还有隔直作用。,3工作原理,该电路工作原理与OCL电路相似。(1)当ui0,V1正偏导通,V2反偏截止。经V1放大后的电流经C2送给负载RL,且对C2充电,RL上获得正半周电压。(2)当ui0,V1反偏截止,V2正偏导通,C2放电,经V2放
13、大的电流由该管集电极经RL和C2流回发射极,负载RL上获得负半周电压。(3)输出电压uo的最大幅值约为VCC/2。,二、电路性能参数计算,OTL电路与OCL电路相比,每个管子实际工作电源电压不是VCC,而是VCC/2,故计算OTL电路的主要性能指标时,将OCL电路计算公式中的参数VCC全部改为VCC/2即可。,二极管的基本特性是单向导电性。在图5.2.4中,负半周信号由V3倒相放大后从V3集电极送至V1的基极,经V1电流放大后输出,信号似乎是逆向通过VD1、VD2这两个二极管。如何理解这个过程?,OTL电路采用单电源供电,输出通过大容量的耦合电容与负载连接,结构简单,使用方便。但由于大电容的存
14、在,使其频率响应变差,并且不利于电路的集成化。,5.2.3 复合管在互补对称功率放大电路中的应用,一、复合管,输出功率较大的电路,应采用较大功率的功率管。但大功率管的电流放大系数往往较小,且选用特性一致的互补管也比较困难。故在实际应用中,用复合管(Darlington connection)来解决这两个问题。,复合管是指用两只或多只三极管按一定规律进行组合,等效成一只三极管,复合管又称达林顿管。复合管的组合方式如图5.2.5所示。,图5.2.5 复合管的组合方式(a)NPN管(b)PNP管(c)PNP管(d)NPN管,复合管具有如下特点:,(1)复合管的导电类型取决于前一只管子:即iB向管内流
15、者等效为NPN管,如图5.2.5中的a、d所示。iB向管外流者等效为PNP管,如图5.2.5 b、c所示。,(2)复合管的电流放大系数12。,(3)组成复合管的各管各极电流应满足电流一致性原则,即串接点处电流方向一致,并接点处保证总电流为两管输出电流之和。,采用复合管的OTL实用电路,图5.2.6 采用复合管组成的OTL电路,1电路组成,图5.2.6为采用复合管组成的OTL功率放大器,这种电路又称为准互补对称(Quasi complementary circuit)功率放大器。其中,V1组成激励级,它的基极偏压取自于中点电位VCC。RP1引入交直流电压并联负反馈。V2、V4复合成NPN管,V3
16、、V5复合成PNP管。,2放大原理,当V1集电极输出正半周信号电压时,V2、V4导通,V3、V5截止,被放大的正半周信号电流经C送到负载RL上,形成正半周输出电压,同时,C上被充上VCC/2的电压。当V1集电极输出负半周信号电压时,V2、V4截止,V3、V5导通,此时,电源VCC不供电,由C放电提供V3、V5工作所需直流功率,在负载上形成负半周输出电压。它与正半周输出电压合成一个完整的正弦波形。,3自举电路原理及作用,电路中的C2、R9组成具有升压功能的“自举电路”(Bootstrapping circuit)。不接C2时,信号越强,V2、V4导通越充分,K点电位上升越多,将使V2、V4的正偏
17、压UBE减小,输出电流也减小,限制了输出功率的提高。在电路中加入C2后,其两端被充上一定电压值。由于C2容量大,充放电时间常数大,其两端电压可视为基本不变。当正半周信号通过V2,V4使K点电位上升时,G点电位跟着升高,UG=UK+UC2,UG可高于VCC,使V2、V4基极电位升高,保证了V2,V4的大电流输出,提高了输出功率。R9为隔离电阻,防止输出信号经电容C2短路到地。这种因C2的作用使G点电位随K点电位升高而上升的方式叫“自举”。具有自举功能的电路叫自举电路。,C2、R9组成具有升压功能的“自举电路”的奥妙之处在于利用电容器上的电压不能突变的性能,抬高电位,从而改善电路性能。我们已见过多
18、处利用电容器特性来改善电路性能的例子,今后工作中可借鉴应用。,5.2.4 BTL电路,BTL(Balanced transformerless)电路又称为桥式功率放大器。基本电路如图5.2.7所示。,图5.2.7 BTL基本电路,BTL电路由两组对称的OTL或OCL电路组成,可用单电源或双电源供电,扬声器直接连接在两个功放对的输出端。BTL电路的优点有不用变压器和大电容,输出功率大;缺点是所用管子数量多,很难做到管子特性理想对称,且管子总损耗大。扬声器两端都不接地,也给检修工作带来不便。,为什么OTL电路输出电压uo的最大幅值约为VCC/2?2.采用复合管可以较好解决乙类功放管的配对问题,为什
19、么?,5.3 集成功率放大器,集成功率放大器是在集成运放基础上发展起来的,其内部电路与集成运放相似。但是,由于其安全、高效、大功率和低失真的要求,使得它与集成运放又有很大的不同。电路内部多施加深度负反馈。,集成功率放大器广泛应用于收录机、电视机、开关功率电路、伺服放大电路中,输出功率由几百毫瓦到几十瓦。,除单片集成功放电路外,还有集成功率驱动器,它与外配的大功率管及少量阻容元件构成大功率放大电路,有的集成电路本身包含两个功率放大器,称为双声道功放。,现以LM386、TDA2030等单片集成音频功率放大器为例,介绍其主要参数和典型应用电路。,5.3.1 LM386集成功率放大器及其应用,图5.3
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