1、在实际电路中，往往要求放大电路末级（即输出级）输出一定的功率以驱动负载。能够向负载提供足够功率的放大电路称为功率放大器，简称功放。功率放大器的应用十分广泛，如驱动扬声器、计算机显示器和电机等。功率放大器以获得输出功率为直接目的。它的一个基本问题就是在电源一定的条件下能输出多大的信号功率。功率放大器既要有较大的输出功率，也要求电源供给更大的注入功率。因此，功放的另一基本问题是工作效率问题，即有多少注入功率能转换成信号功率。另外，功放在大信号下的失真，大功率运行时的热稳定性等问题也是需要研究和解决的。6.1 低频功率放大器的特点和分类低频功率放大器的特点和分类6.1.1 功率放大器的特点功率放大器
2、的特点功率放大器作为放大器的输出级具有以下特点：（1）功率放大器的主要任务是在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。（2）功率放大器的输入信号和输出信号都较大，工作在大信号状态，工作动态范围大。（3）由于输出信号幅度较大，使三极管工作在饱和区与截止区的边沿，因此输出信号存在一定程度的失真。（4）功率放大器在输出功率的同时，三极管也会消耗一定的能量，因此就必须考虑在降低管耗的同时如何提高功率放大器的效率。否则，不仅会造成能源浪费，还会造成功率管工作不安全。总之，对功率放大器的要求是：在效率高、非线性失真小、安全工作的前提下，向负载提供足够大的功率。6.1.2 低频功率放大器的分类低频功率放大
3、器的分类根据静态工作点Q在三极管输出特性曲线上的位置不同，可将低频功率放大器分为甲类、乙类、甲乙类三种。Q点放大区中间位置的称为甲类功放，在输入信号的整个周期内，三极管都处于放大状态，输出的是完整信号，如图6.1.1(a)所示。Q点在截止区即IBQ=0处的为乙类功放，输入信号的整个周期内，三极管是半个周期在放大区工作，另半个周期在截止区，放大器只有半波输出，如图6.1.1(b)所示。甲乙类功放是介于甲类和乙类之间的一类功率放大器，其Q点在放大区，但又靠近截止区，在输入信号的一个周期里，工作时间大于半周，小于一周，如图6.1.1(c)所示。图6.1.1 功放电路的三种工作状态（a）甲类放大；（b
4、）甲乙类放大；（c）乙类放大 6.2 集成功放核心电路及其工作原理集成功放核心电路及其工作原理功率放大器有多种形式，实际应用中的功率放大器，大多数已做成了集成电路，称为集成功率放大器。这里主要介绍几种常见功率放大器的内部核心电路及其工作原理。6.2.1 OCL电路电路1.电路构成及工作原理电路构成及工作原理图6.2.1所示是双电源乙类互补功率放大器的原理电路。图中VT1和VT2是特性参数完全相同的PNP型和NPN型三极管，由于它们的特性相近，故称为互补对称管。静态时，两只三极管均截止，IBQ=0，ICQ=0，K点的电位UK=0 V，输出电压uo=0，电路不消耗功率；交流信号输入时，两管轮流导通
5、工作，相互补充，既避免了输出波形的严重失真，又提高了电路的效率。由于两管互补对方的不足，工作性能对称，因此这种电路通常被称为互补对称电路。详细的工作过程分析如下：当ui0时，VT1管导通，VT2管截止，+VCC供电，电路为共集电极形式，VT1管发射极电流iE1从上至下流过RL，电流如图6.2.1中实线所示，形成正半周输出电压，且uoui；当ui0时，VT1管截止，VT2管导通，VCC供电，电路也为共集电极形式，VT2管发射极电流iE2从下至上流过RL，电流如图中虚线所示，形成负半周输出电压，且uoui。可见，在输入信号ui的一个周期内，VT1、VT2管交替工作，正、负电源交替供电，流过负载的电
6、流方向相反，从而形成完整的正弦波，实现了输出与输入之间双向跟随。由于不同类型的两只三极管（VT1和VT2）交替工作，即一个“推”，一个“挽”，且均组成射极输出器，互相补充，故这类电路又称为互补对称推挽电路。图6.2.1 双电源乙类互补对称功率放大电路2.主要参数计算主要参数计算1）输出功率Po在输入正弦信号作用下，功率放大器的输出功率为负载上得到的电压有效值Uo与电流有效值Io的乘积。如果不考虑电路失真，在负载RL两端获得的电压和电流均为正弦信号。由于图6.2.1中的VT1、VT2可以看成工作在共集电极电路状态，Au1，故输入正弦电压的振幅Uim就等于输出正弦电压的振幅Uom，即Uim=Uom
7、，这样可以得到电路的输出功率Po：由式(6.2.1)可见，输入信号Uim越大，输出电压Uom越大，输出功率Po越高，当三极管进入饱和区时，输出电压Uom最大，为Uomax=VCCUCES若忽略UCES，则UomaxVCC可得电路最大不失真输出功率为2）直流电源供给的功率PE在OCL电路中，总电源的供给功率为两个电源供给功率之和。由于每个电源仅在信号的一个半周提供电流，另一个半周电流为0，故流过每个电源的电流如图6.2.2所示。图6.2.2 集电极电流波形图这样，每个电源提供的平均电流为因此总电源供给的功率为显然，当UomaxVCC时，PE达到最大(6.2.4)(6.2.3)(6.2.4)3）集
8、电极效率C集电极效率C定义为输出功率Po与电源供给功率PE的比，即式中，=Uom/VCC，称为电压利用系数。由式(6.2.5)可知，OCL电路的集电极效率与电压利用系数成正比。理想条件下，VCC=Uom，1时，效率最高，即(6.2.5)(6.2.6)而在实际应用中，考虑到管子的饱和压降，值不可能达到1，因此集电极效率C小于78.5。4）管耗PC管耗是指每个管子集电极消耗的功率。因电源供给的功率PE扣除输出功率Po为两只三极管消耗的功率，故管耗为PC=(PEPo)(6.2.7)由此可以推导出每只管子消耗功率的最大值为 PCmax=Pomax0.2Pomax(6.2.8)6.2.2 OTL电路电路
9、1 电路构成及工作原理电路构成及工作原理图6.2.3所示为一个OTL电路，VT1和VT2组成互补对称电路输出级。静态时，只要给VT1和VT2提供一个合适的偏置，就能使K点电位UK=VCC/2。图6.2.3 OTL电路当加上信号ui时，在信号的正半周，VT1导通VT2截止，信号正半周电流回路如图中实线所示，有电流通过负载RL，同时向C充电；在信号的负半周，VT2导通，则已充电的电容C起着图6.2.2中电源VCC的作用，通过负载RL放电。只要选择时间常数RLC足够大(比信号的最长周期还大得多)，就可以认为用电容C可代替原来VCC电源的作用。VT2导通时信号负半周电流回路如图中虚线所示。OTL电路的
10、输出功率、效率、功耗等的计算与OCL功放基本相同，只需用VCC/2取代公式中的VCC即可，即2 电路特点电路特点OTL电路具备以下特点：（1）静态时RL上无电流。（2）仅需使用单电源，但增加了电容器C，C的选择要满足=RLC足够大（比ui的最大周期还要大得多）。（3）静态时uK=VCC/2。6.2.3 功放的其他问题功放的其他问题1.交越失真及其解决办法交越失真及其解决办法乙类互补电路具有电路简单，效率高等特点。但由于三极管的ICQ=0，因此在输入信号幅度较小时，不可避免地要产生非线性失真交越失真，如图6.2.4所示。图6.2.4 交越失真产生交越失真的原因是功率三极管处于零偏置状态，即UBE
11、1+UBE2=0。为消除交越失真，可以给每个三极管一个很小的静态电流，这样既能减少交越失真，又不致使功率和效率有太大影响。也就是说，电路在甲乙类状态下工作，如图6.2.5所示。图6.2.5 消除交越失真的OTL电路2.平衡式功放电路介绍平衡式功放电路介绍为了获得足够大的输出功率，OTL或者OCL电路就需要较高的直流电压供电。对于便携式设备来说，这就需要携带较多的电池，增加了重量。为此人们研究出了低电源电压条件下输出大功率的电路平衡式无变压器电路(Balanced Transformer Less)，又称BTL电路，如图6.2.6所示。图6.2.6 BTL功放原理电路BTL电路由两个互补电路组成
12、，静态时，K和K电位相同，即uK=uK=VCC/2这样没有直流电流流过负载RL。如果在放大器的两个输入端分别加一对大小相等，相位相反的信号，当ui1为正半周期，ui2为负半周期时，VT1、VT4管导通，若忽略管子的饱和管压降，则负载RL上输出电压的最大幅度为VCC；当ui1为负半周期，ui2为正半周期时，VT2、VT3管导通，RL上得到负半周信号，RL上输出电压的最大幅度同样为VCC。可见，在相同的负载和电源电压的条件下，BTL电路的输出功率可达OTL电路的4倍。BTL电路虽为单电源供电，却不需要输出耦合电容，输出端和负载可直接连接，它具备OTL和OCL电路的所有优点。6.3 常用集成功放及其
13、应用常用集成功放及其应用自1967年研制成功第一块音频功率放大器集成电路以来，在短短的几十年的时间内，其发展速度和应用是惊人的。目前约95%以上的音响设备上的音频功率放大器都采用了集成电路，且音频功率放大器集成电路的产品品种已达到几百种。从输出功率容量来看，已从不到1 W的小功率放大器，发展到几百瓦的大功率集成功率放大器；从电路的功能来看，已从单声道的单路输出集成功率放大器发展到多声道、多路输出且带有数字音量控制、静音控制等全功能音频功率放大器；从电路的结构来看，已从一般的OCL、OTL功率放大器集成电路发展到功耗更低的开关功率放大器（俗称数字功放）等多种功率放大器。集成功率放大器具有体积小、
14、工作稳定、易于安装和调试的优点，了解其外特性和外部线路的连接方法，就能组成实用电路，因此得到了广泛的应用。常见的音频集成功放主要有三家公司的产品：美国国家半导体公司(NS)，代表产品有LM1875、LM1876、LM3876、LM3886等；荷兰飞利浦公司(PHILIPS)，代表产品是TDA15XX系列，比较著名的是TDA1514及TDA1521；意法微电子公司(SGS)，比较著名的是TDA20XX系列及DMOS管的TDA7294、TDA7295、TDA7296。6.3.1 单通道集成功率放大器单通道集成功率放大器TDA20301 TDA2030简介简介TDA2030的外引线如图6.3.1所示
15、。1脚为同相输入端，2脚为反相输入端，4脚为输出端，3脚接负电源，5脚接正电源。其特点是引脚和外接元件少。TDA2030的外特性：电源电压范围为618 V，静态电流小于60 A；频响为10 Hz140 kHz，谐波失真小于0.5%；在VCC=14 V，RL=4 时，输出功率为14 W。图6.3.1 TDA2030的外引线2.TDA2030应用电路应用电路 TDA2030除了正、负电源引脚外，只有三个引脚：同相输入、反相输入和输出，可见，这种功率放大器就像第3章学习的运算放大器一样，故称为功率运放。TDA2030的应用也同运放应用电路一样，可以接成同相放大器、反相放大器，一般连接成同相放大器，其
16、基本电路连接如图6.3.2所示，图中R1、R2 确定电压放大倍数。信号从1脚同相端输入，4脚输出端向负载扬声器提供信号功率，使扬声器发出声响，R4、C串联后与扬声器RL并联，用以改善扬声器阻抗的频率特性，使放大器的总负载尽可能接近纯电阻，可以清除放大器的自激振荡和改善放大器的频率特性。图6.3.2 TDA2030典型应用电路图6.3.2 单通道大功率集成电路单通道大功率集成电路LM38861 LM3886简介简介LM3886是美国国家半导体公司（NS公司）新出的一款带过压、过高温保护并且具有静噪功能的68 W单声道高保真功率放大器，它的外形封装及其管脚如图6.3.3所示，它的外观如图6.3.4
17、所示。其主要电气参数如下。供电：直流2084 V。功率：电源电压28 V，负载4 的条件下能够连续输出68 W的功率，峰值达到135 W。信噪比：大于或等于92 dB。图6.3.3 LM3886外形封装图6.3.4 LM3886实物图2 LM3886应用电路应用电路LM3886的典型应用电路如图6.3.5所示。LM3886的供电电压最小为10 V。LM3886的8脚为静音控制端，当流过该脚的电流大于1 mA时，输出电路执行静音操作，输出端无信号输出。图6.3.5 LM3886典型应用电路6.3.3 双通道功放双通道功放LM18761 LM1876简介简介LM1876为美国NS公司的一款双声道3
18、02的高保真音频功放电路，由于芯片内部集成了两个独立的功率放大电路，故称为双通道。LM1876采用带散热金属后背的TO-220形式封装，如图6.3.6所示，LM1876有15个引脚，每个通道的正电源端独立引出，两个通道共用负电源端。每个通道的静音控制MUTE端和待机控制STANDBY端均独立引出，当这两个端子输入低电压小于或等于0.8 V时，芯片处于正常放大状态；当输入高电压大于或等于2 V时，芯片处于静音模式或待机模式。由LM1876构成的功率放大器实物图如图6.3.7所示。LM1876的主要电气参数如下。电压范围：|VCC|+|VEE|=20 64 V。总谐波失真+噪声：当VCC=VEE=
19、20 V，每声道输出平均功率为15 W，负载为8 时为0.08%。转换速率：典型值为18 V/s。增益带宽：典型值为 7.5 MHz。图6.3.6 LM1876外形封装图6.3.7 由LM1876构成的功率放大器实物图2 LM1876应用电路应用电路LM1876在应用时通常接成同相放大器的形式，双电源供电的典型应用电路如图6.3.8所示。对于LM1876来说，这是其中一个通道的连接电路。正、负电源端均应接一个470 F以上的大容量电容和0.1 F的电容，以消除高、低频干扰及通过电源内阻所引起的放大器自激，小容量电容选择CBB电容为好。电路的电压增益由Rf和R1决定，一般选择1020倍左右，增益
20、过大时，电路的稳定性会变差。如果电路的电压增益选择为10，输出功率为20 W，负载电阻为8，则输出正弦波电压的峰值Uom=17.9 V，这样输入正弦电压的峰值需要达到1.8 V左右。图6.3.8 LM1876典型应用电路 6.4 功率器件的散热功率器件的散热功率管（包括功率集成电路）是电路中最容易受到损坏的器件。损坏的主要原因是管子的实际耗散功率超过了额定数值。而三极管允许耗散功率的大小取决于管子内部结温Tj。当Tj超过允许值后，电流将急剧增大而使三极管烧坏。一般情况下，硅管允许结温为120200，锗管为85左右。耗散功率是指在一定条件下使结温不超过最大允许值时的电流与电压乘积。管子消耗的功率
21、越大，结温越高。要保证管子结温不超过允许值，就必须将产生的热散发出去。散热条件越好，则对应于相同结温允许的管耗越大，输出功率也就越大。在功率管中，集电极损耗的功率是产生热量的来源，它使结温升高。如果不加散热器，三极管依靠本身外壳直接向环境散热，由于管壳小，散热的阻碍大，散热效果差；如果功率管装上散热器，则热量将主要通过散热器向环境散发，散热的阻碍变小，管子允许的PCM较大。以3AD6为例，不加散热装置时，允许的功耗PCM仅为1 W，如果加1201204 mm3 散热板时，则允许的PCM可增至10 W。可见，给功率管加装散热装置，有利于提高管子的允许功耗PCM。电子器件在散热过程所受到的阻碍作用
22、，用热阻RT表示。热阻RT定义为器件消耗单位功率所产生的温度升高，即(/W)功率管的最大允许耗散功率PCM决定于总的热阻RT、最高允许结温Tj和环境温度Ta，它们之间的关系为在一定的温升下，RT小，也就是散热能力强，功率管允许的耗散功率就大；另一方面，在Tj和RT一定的条件下，环境温度Ta愈低，允许的PCM也愈大。实验证明：散热器散热情况（热阻）与散热器的材料及散热面积、厚薄、颜色和散热器的安装位置等因素有关。当散热器垂直或水平放置时利于通风，散热效果较好；散热器表面钝化涂黑，有利于热辐射，从而可以减小热阻。接触热阻取决于接触面的情况，如面积大小、压紧程度等。若在界面适当涂些导热性能较好的硅脂
23、可减小热阻。当需要与散热器绝缘时，垫入绝缘层也会形成热阻。因此，为了使放大器能输出更大的功率且不损坏晶体管，就必须给功率管安装散热器，以散发集电结所产生的热量。否则，将不能充分利用功率管的输出功率。必要时还可以采用风冷、水冷、油冷等方法来散热。如图6.4.1所示是常见的几种散热器。图6.4.1 常见的几种散热器 6.5 功率放大电路的计算机仿真实验功率放大电路的计算机仿真实验1.OCL功率放大电路的仿真功率放大电路的仿真按图6.5.1所示连接电路。（1）首先连接电路，如图6.5.1（a）所示，接通电源，用示波器在负载RL两端观察输出电压的波形，这时可以看到输出电压存在明显的交越失真。然后将电路
24、改成图6.5.1（b）所示的形式，输入电压不变，调整Rw使交越失真消失。图6.5.1 OCL功率放大电路仿真实验电路（2）交越失真消失后，逐渐增大输入电压幅度，使输出电压达到不失真的最大值Uomax，然后从示波器中读出Uomax值的大小，计算该电路最大不失真输出功率PEmax并与理想条件下的理论计算值作比较。2.OTL功率放大电路的仿真功率放大电路的仿真按图6.5.2所示连接电路。（1）调节静态工作点。首先用直流电压表测量K点对地的电压，调整Rw1使K点电位为0.5VCC；然后在输入端加入信号ui=10 mV/1 kHz，利用示波器在负载RL两端观测波形，会发现有交越失真现象。然后再调整Rw2
25、 可以减小交越失真直到消失，在调整过程中如果K点电位偏离0.5VCC,则再调整Rw1使K点电位始终保持在0.5VCC。至此，静态工作点调整完毕。（2）测量OTL电路的效率。当输入信号频率为1 kHz时，增大输入信号，测量最大不失真输出电压Uom的大小，同时测量此时的电源电流Is；然后计算最大不失真输出功率，电源供给功率PE以及功放的效率，并与理论值相比较。图6.5.2 OTL功率放大电路 本本 章章 小小 结结功率放大器一般处在电路的最后一级，所以也称为末级放大器。输出足够大的功率和高效率是对它的基本要求。根据静态工作点Q在三极管输出特性曲线上的位置不同，可将低频功率放大器分为甲类、乙类、甲乙
26、类三种。功率放大器有多种形式，实际应用中的功率放大器大多数已做成了集成电路，称为集成功率放大器。本章主要介绍了几种常见功率放大器的内部核心电路及其工作原理。需要重点掌握的是OCL、OTL电路的电路组成、工作原理及其参数的分析计算。本章还对集成功率放大器TDA2030、LM3886、LM1876的封装形式，典型电路作了介绍。实际应用中，应该注意功率管的保护，对于常用的保护电路应该有所了解。习习 题题6-1 功率放大器通常位于多级放大器的_，以驱动负载。6-2 功率放大器的主要任务是_。6-3 功率放大器实际是一种能量转换器，把_功率尽可能地转化为_功率输出。6-4 与一般的电压放大器比较，功率放
27、大器工作在_状态。6-5 功率放大器主要追求_输出功率，_的效率和尽可能_的失真。6-7 甲类功放的效率较低，理想情况能达到_，乙类功放与甲类功放比较，管耗_，效率可达到_。6-8 乙类互补推挽功放虽然效率较高，但是存在_失真。6-9 为了克服交越失真，在电路中加了二极管和电阻，此时电路工作在_状态。6-10 双电源供电的乙类互补对称功放电路也称_电路。6-11 单电源供电的乙类互补对称功放电路也称_电路。6-12 在OCL功率放大电路中，输入为正弦波，输出波形如题6-12图所示，说明该电路产生了_。A.饱和失真 B.截止失真 C.频率失真 D.交越失真题6-12图6-13 为改善上题的输出波
28、形，电路上应该_。A.进行相位补偿 B.适当增大功放管的静态UBE值，使之处于微导通状态 C.适当减小功放管的静态UBE值，使之处于微导通状态 D.适当增大负载电阻RL的阻值6-14 什么是功率放大器？6-15 与一般电压放大器比较，功率放大器有何特殊要求？6-16 如何区分晶体管是工作在甲类、乙类还是甲乙类？6-17 甲类功率放大器，信号幅度越小，失真就越小，而乙类功率放大器，信号幅度小时，失真反而明显，请说明理由。6-18 何谓交越失真？如何克服交越失真？6-19 功率管为什么有时候用复合管代替？复合管的组成原则是什么？6-20 功率放大器的主要任务是什么？它与小信号电压放大器相比有哪些不
29、同？6-21 某互补对称功率放大器，当输出电压的振幅值为最大时，测得输出功率Po为9 W，每个管子的管耗PC 为1.5 W，问此时电源提供的功率PE 为多大？电路的效率为多大？6-22 对于乙类推挽功放，若要求输出功率Po=10 W，则每个管子的PCM应该满足什么条件？6-23 电路如题6-23图所示，已知VCC=20 V，负载RL=8，忽略功率管导通时的饱和管压降，试计算：（1）在Ui=10 V（有效值）时，电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率和效率；（2）该电路的最大输出功率和效率。题6-23图6-24 单电源供电的互补对称电路如题6-24图所示，已知负载电流振幅IoM=0.45 A，试求：(1)负载上获得的功率Po；(2)电源供给的直流功率PE；(3)每个管子的管耗PC及每个管子的最大管耗PCmax；(4)放大器效率C。(5)电路中VD1、VD2的作用是什么？题6-24图
