模塊六、功率放大電路;

一、功率放大電路概述;

1、功率放大電路的任務(wù)是在信號(hào)不失真或輕度失真的情況下，使負(fù)載獲得最大功率。所以電路在設(shè)計(jì)與制作過(guò)程中應(yīng)注意以下問(wèn)題;

①功率放大器在多級(jí)放大器的末級(jí)，在集成功放和集成運(yùn)放的輸出級(jí)，最終推動(dòng)的負(fù)載較重，如揚(yáng)聲器，電機(jī)，大功率線圈……等，所以工作電壓和電流都較大。

②功放管在大信號(hào)(大電壓，大電流)狀態(tài)下工作，工作時(shí)的電壓，電流接近于功放管的極限參數(shù)(ICM,UBR(CEO),RCM)所以要充分考慮散熱問(wèn)題。失真，過(guò)壓，過(guò)流保護(hù)問(wèn)題。

③輸出功率是指功放輸出交變電壓和交變電流的乘積，即交流輸出功率。因?yàn)檩敵龉β蚀螅瑒t消耗在電路上的能量也多，電源需要提供的能量就多，所以效率對(duì)功放來(lái)說(shuō)極其重要。總的概括起來(lái)就是要求功率放大器在保證晶體管，場(chǎng)效應(yīng)管安全使用下，獲得盡可能大的輸出功率，盡可能高的效率和盡可能小的非線性失真。

2、恒量功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)與測(cè)量方法;

第一類(lèi)指標(biāo);輸入幅值已定，頻率已定時(shí)的性能;

①電壓放大倍數(shù)及電壓放大倍數(shù)調(diào)節(jié)范圍;

由Au=Uo/Ui可知，可按以下兩種方法計(jì)算可得Au.

#分別用示波器測(cè)量最大不失真輸出電壓狀態(tài)下的Uip-p與Uop-p，記錄后計(jì)算。

#分別用毫伏表測(cè)量最大不失真輸出電壓狀態(tài)下的Uo與Ui，記錄后計(jì)算。

②輸入電阻Ri，輸出電阻Ro;

第二類(lèi)指標(biāo);輸入信號(hào)頻率不變而幅值改變的性能;

③最大不失真輸出幅值與最大不失真輸出功率;

#最大不失真輸出幅值Uom/Uomp-p(要求接上負(fù)載RL)

測(cè)量方法;

輸入信號(hào)的頻率保持不變，輸入信號(hào)的幅值逐步增大，用示波器觀察輸出信號(hào)的波形。當(dāng)輸入信號(hào)的幅度增大到輸出信號(hào)波形出現(xiàn)失真時(shí)，即為最大不失真輸出幅值Uomp-p(注意示波器測(cè)量的結(jié)果為峰一峰值，毫伏表測(cè)量結(jié)果為有效值)

#最大不失真輸出功率Pom;∵P=UI=I 2 R=U 2/R ∴Pom=Uom 2/RL

④電源消耗的功率PDC;

測(cè)量方法;在測(cè)量Uom的基礎(chǔ)上，斷開(kāi)電源，接入電流表，測(cè)量功放在Uom狀態(tài)下流過(guò)的最大電流Icm。PDC=VCC*Icm

⑤功率放大器的效率;

定義為最大不失真輸出功率與電源所消耗的功率PDC之比;

即η=Pom/PDC*100%

第三類(lèi)指標(biāo);輸入幅值不變，而輸入信號(hào)頻率改變的性能。

⑥功率放大器的通頻帶fBW;

測(cè)量方法;

輸入信號(hào)幅值保持不變，頻率增大或減小時(shí)，功率放大器的輸出電壓幅值下降到最大不失真電壓幅值Uomp-p的1/1.414(0.707)時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍。

二、甲類(lèi)功率放大器;

模塊四中所介紹的小信號(hào)放大器，在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)部都有靜態(tài)電流，這種工作方式稱(chēng)為甲類(lèi)功放。

1、阻容耦合甲類(lèi)放大器;

Ucem=1/2*VCC*ICM=ICQ PDC=VCC*ICQ

Po=Ucem/1.414*ICM/1.414=1/2*Ucem*ICM

=1/4*VCC*ICQ

∴η=Po/PDC*100%=25%

所以甲類(lèi)功放電源所提供的能量大部分消耗在管子和電阻上，因此它的效率低。

2、變壓器耦合單管甲類(lèi)功放;

Ucem=VCC ICM=ICQ PDC=VCC*ICQ

Po=1/2Ucem*ICM=VCC*ICQ

∴η=Po/PDC*100%=50%

上式效率是沒(méi)有考慮變壓器效率時(shí)電路的總效率。

#從甲類(lèi)放大器中，看到靜態(tài)電流是造成管耗的主要原因，為了提高效率應(yīng)減少靜態(tài)電流。

三、推挽功率放大器;

甲類(lèi)功放因靜態(tài)電流大，所以效率低，如果采用靜態(tài)時(shí)，集電極電流為零的乙類(lèi)功放可提高效率，但為了得到完整波形，必須用兩管輪流輸出，這就是乙類(lèi)推挽功率放大器。

Ucem=VCC Icm=VG/RL’

Pom=1/2(VCC/RL’)VCC=VCC2/2RL

POC=2/π*VCC 2/RL

η=Pom/PDC=VCC 2/2RL/2VCC 2/ΠRL

=VCC 2/2RL*πRL/2VCC 2=π/4

η=78%

乙類(lèi)推挽功率放大器在靜態(tài)時(shí)的電流很小，所以效率很高。

理論證明，乙類(lèi)推挽功率放大器的理想最大效率為，比甲類(lèi)的提高了很多，但是乙類(lèi)推挽功率放大器，由于基極無(wú)加靜態(tài)偏置，輸出在正，負(fù)半周交界處有交越失真。

四、甲，乙類(lèi)推挽功率放大器;

因?yàn)橐翌?lèi)功放在輸出正、負(fù)半周交界處有交越失真，這是由于靜態(tài)時(shí)UBE=0造成的。為了減小交越失真，應(yīng)該給V1,V2提供少量的偏流IBQ，這種電路的靜態(tài)工作點(diǎn)介于甲類(lèi)和乙類(lèi)之間。所以叫甲乙類(lèi)推挽功放，圖中Rb1,Rb2,Re組成分壓式電流反饋偏置電路，為V1,V2提供靜態(tài)偏置電流IBQ，一般Re取值很小，零點(diǎn)幾歐到幾歐之間，ICQ≈2~4mA(小功率管)

五、互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)無(wú)變壓器輸出(OTL)功放電路;

變壓器耦合乙類(lèi)，甲乙類(lèi)推挽功率放大器已解決了甲類(lèi)功放效率低的問(wèn)題，且可實(shí)現(xiàn)阻抗變換，缺點(diǎn)是體積龐大，笨重，消耗有色金屬，低頻，高頻特性都比較差。無(wú)變壓器輸出功放電路(OTL)用一個(gè)大電容代替變壓器，用NPN，PNP對(duì)管。

特點(diǎn);

①單電源供電。

②中點(diǎn)靜態(tài)電位必須等于1/2VCC。

③V1,V2兩管互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)。

由于一般情況下功率放大器的負(fù)載電流都很大，電容容量選為幾千UF，且為電解電容，電容容量越大，電路低頻特性越好，但是當(dāng)容量大到一定程度時(shí)，存在漏阻和電感效應(yīng)，低頻特性將變差。

六、無(wú)電容輸出(OCL)功放電路;

OTL去掉了變壓器，具有失真小，是功放高保真擴(kuò)音機(jī)常用的電路，但OTL輸出用大容量電容，存在漏阻和電感效應(yīng)，對(duì)不同頻率信號(hào)會(huì)產(chǎn)生不同相移，輸出信號(hào)有附加失真，為消除這一缺點(diǎn)，出現(xiàn)了無(wú)電容輸出功放電路OCL。

特點(diǎn);

1.雙電源供電。

2. 中點(diǎn)靜態(tài)電位必須等于0。

3.V1,V2兩管互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)。

4. 前級(jí)應(yīng)有防零漂的差分放大器。

七、橋式推挽功率放大器(BTL)電路;

在OCL中采用了雙電源供電，所以為了實(shí)現(xiàn)單電源供電，且不用變壓器和大電容，最終解決方案是橋式推挽功率放大器(BTL)電路。

#電路原理;圖中四個(gè)功放管特性理想對(duì)稱(chēng)，靜態(tài)時(shí)均處于截止?fàn)顟B(tài)，RL上的電壓為0，輸入為正弦波信號(hào)時(shí)，正半周時(shí)，Ui+為⊕，Ui-為Θ，V1,V3管導(dǎo)通，V2，V4管截止，負(fù)載上獲得正半周電壓;負(fù)半周時(shí)Ui+為Θ，Ui-為⊕，V2,V4管導(dǎo)通，V1,V3管截止，負(fù)載上獲得負(fù)半周電壓。BTL的輸出功率是OCL,OTL的4倍。

八、功放電路中的特殊單元電路;

1、音調(diào)控制電路;

功放電路中的高低音調(diào)節(jié)控制器主要是控制，調(diào)節(jié)功率放大器的幅頻特性。

理想的控制曲線如圖所示，圖中fo(設(shè)=1KHZ)表示中音頻頻率要求增益AVD=0dB;fL1表示低音頻轉(zhuǎn)折(或截止)頻率，一般為幾十赫茲，fL2=10 fL1表示低音頻區(qū)的中音頻轉(zhuǎn)折頻率;fH1表示高頻轉(zhuǎn)折(或截止)頻率，一般為幾十千赫茲，fH1=10fH2高音頻區(qū)的中音頻轉(zhuǎn)折頻率。

曲特性曲線圖可知，音調(diào)控制器只對(duì)低音頻與高音頻的增益進(jìn)行提升或衰減，中音頻的增益保持0dB不變,因此音頻控制電路可由低通濾波器與高通濾波器組成，下面以實(shí)例進(jìn)行簡(jiǎn)要分析;

設(shè)電容C1=C2≥C3，在中低頻區(qū)，C3可視為開(kāi)路，在中，高頻區(qū)，C1,C2可視為短路。

①當(dāng)f＜fo(低頻區(qū))，由于C3相當(dāng)于開(kāi)路，所以電路可以等效為2個(gè)電路，低頻提升和低頻衰減。

左圖中，增益表達(dá)式為;Au=Uo/Ui= -(RP1+R2)/R1*(1+(jw)/w2)/ (1+(jw)/w1),其中W1=1/RP1*C2或fL1=1/2ΠRP1*C2,W2=(RP1+R2)/RP1*R2*C2或fL2=(RP1+R2)/ 2πRP1*R2*C2.

右圖中，增益表達(dá)式為;

Au=Uo/Ui=-R2/(RP1+R1)*(1+(jw)/w1)/ (1+(jw)/w2)。

②當(dāng)f>fo(高頻區(qū))，由于C1,C2相當(dāng)于短路，所以可以將電路等效為如下電路，此時(shí)R4,R1,R2組成星形連接，將其轉(zhuǎn)換成三角形連接，其電阻轉(zhuǎn)換關(guān)系式為Ra=R1+R4+R1*R4/R2,Rb=R4+R2+R2*R4/R1,Rc=R1+R2+R1R2/R4

若取;R1=R2=R4,則;Ra=Rb=Rc=3R1=3R2=3R4

左圖中增益表達(dá)式為;Au=Uo/Ui= -Rb/Ra*(1+(jw)/w3)/ (1+(jw)/w4),其中W3=1/(Ra+R3)*C3或fH2=1/2Π(R3+Ra)*C3,W4=1/R3C3 或fL1=1/2Π*R3*C3

#高低音音調(diào)控制電路應(yīng)用實(shí)例;

①原理;在低音區(qū)，C1,C2,C3可視為開(kāi)路，此時(shí)電位器RP2基本不起作用，當(dāng)RP1滑向最左邊時(shí)，放大器的輸入電阻減小，反饋電阻增大，放大器的閉環(huán)增益增大，低音得到提升，當(dāng)RP1滑向最右邊時(shí)，放大器的輸入電阻增大，反饋電子減小，放大器的閉環(huán)增益減小，低音得到衰減。

在高音區(qū)C1,C2,C3可視為短路，此時(shí)RP1被C1,C2交流短路，調(diào)節(jié)RP1對(duì)高頻信號(hào)基本不起作用，當(dāng)RP2滑向最左邊時(shí)，放大器的輸入電阻減小，反饋電阻增大，高音得到提升，當(dāng)RP2滑向最右邊時(shí)，放大器的輸入電阻增大，反饋電阻減小，高音得到衰減。

在中音區(qū)，由于C1，C2大于C3，對(duì)于中頻信號(hào)來(lái)說(shuō)C2,C1相當(dāng)于短路，C3相當(dāng)于開(kāi)路，所以RP1，RP2對(duì)中頻信號(hào)均不起作用。

#高低音音調(diào)控制電路應(yīng)用實(shí)例;

②簡(jiǎn)要原理;Ui送入音頻信號(hào)，經(jīng)C1耦合到由V1組成的射極跟隨進(jìn)行電壓跟隨和阻抗變換，V1的發(fā)射極輸出信號(hào)經(jīng)高低音調(diào)控制電路提升或衰減之后，由C5耦合到V2進(jìn)行電壓放大，最終經(jīng)C耦合RP4音量調(diào)節(jié)輸出音頻信號(hào)。在高低音調(diào)控制電路中C4,C6具有通高阻低作用，所以RP2是高音控制電位器，相反在低音區(qū)C7,C8,C4,C6相當(dāng)于開(kāi)路，所以RP1是低音控制電位器。

#高低音音調(diào)控制電路應(yīng)用實(shí)例;

③#簡(jiǎn)要原理分析;在低音區(qū)，C1,C2,C3,C4可視為開(kāi)路，此時(shí)電位器RP2不起作用，當(dāng)RP1滑至最上端時(shí)，分得的電壓最大，Uo1輸出幅度最大，當(dāng)RP1滑至最下端時(shí)，分得的電壓最小，Uo1輸出幅度最小。

在高音區(qū)，C1,C2,C3,C4可視為短路，此時(shí)調(diào)節(jié)電位器RP1對(duì)高音不起作用，當(dāng)RP2滑向最右邊時(shí)，分壓最大Uo1輸出幅度最大，當(dāng)RP2滑向最右邊時(shí)，分壓最小，Uo1輸出幅度最小。

在中音區(qū)，由于C1,C2, ≥C3,C4,對(duì)于中頻信號(hào)來(lái)說(shuō)C1,C2相當(dāng)于短路,C3,C4相當(dāng)于開(kāi)路，RP1,RP2均不起作用。

2、消除交越失真的互補(bǔ)輸出級(jí);

在互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)無(wú)變壓器輸出(OTL)功放電路中，由于靜態(tài)時(shí)兩管均處于截止?fàn)顟B(tài)，在輸出正負(fù)半周的交界處會(huì)存在交越失真，消除交越失真的方法是設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，且只能使三極管靜態(tài)時(shí)處于臨界導(dǎo)通或微導(dǎo)通，以提高效率。

在左圖中，靜態(tài)時(shí)，電源+VCC經(jīng)R1,D1,D2,R2到-VCC形成一個(gè)直流電流，使V1,V2三極管的兩個(gè)基極產(chǎn)生一個(gè)電壓UB1B2=UD1+UD2，若二極管與三極管的材料相同，則T1,T2處于微導(dǎo)通狀態(tài)。由于二極管的動(dòng)態(tài)電阻很小，可以認(rèn)為V1,V2的基極動(dòng)態(tài)電位接近相等，且均為Ui,即Ub≈Ub2≈Ui.

為更好消除交越失真，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償可采用UBE倍增電路，在左圖中，I4≥IB 即I3≈I4所以;UB1B2≈UCE≈(R3+R4)/R4*UBE=(1+R3/R4)*UBE。

合理選擇R3，R4可以得到UBE任意倍數(shù)的值流電壓，故稱(chēng)為UBE倍增電路，當(dāng)然在最后級(jí)的V1,V2常采用復(fù)合管互補(bǔ)輸出，以減小前級(jí)驅(qū)動(dòng)電流，也加大驅(qū)動(dòng)能力。

3、語(yǔ)音放大器與混合前置放大器;

#簡(jiǎn)要原理分析;如上圖所示由話(huà)筒放大與混合前置放大兩級(jí)電路組成，其中A1組成同相比例運(yùn)算放大器，具有較高的輸入阻抗，能與高阻話(huà)筒配接作為話(huà)筒放大電路，其放大倍數(shù)為Au1=1+R2/R1，混合前置級(jí)放大器的電路由運(yùn)放A2組成，這是一個(gè)相加法比例放大電路，其Uo的表達(dá)式為;

Uo= -[(R3/R4)*Uo1+(R3/R5)*Ui2]。

4、自舉電路;

①當(dāng)Ui=0時(shí)，UD≈VCC-IC3*R5，而A點(diǎn)電壓UA=1/2VCC,電容C5兩端的電壓被充到Uc5=1/2VCC-IC3*R5.

②當(dāng)Ui為負(fù)半周時(shí)，V1導(dǎo)通，VA由1/2VCC向大于1/2VCC的方向變化，根據(jù)UD=Uc5+VA，所以當(dāng)VA上升時(shí)，UD也升高。

③當(dāng)Ui足夠大，且在負(fù)半周的最大值時(shí)，V1飽和導(dǎo)通，UCE≈0，則VA上升到≈VCC,UD=Uc5+VA= Uc5+VCC,所以D點(diǎn)的電位在瞬時(shí)時(shí)刻比電源電壓還高，故稱(chēng)為自舉電路。

④在Ui為正半周時(shí)，U1截止，D點(diǎn)電壓通過(guò)R3,R4給V2基極提供足夠的電壓，使輸出電壓正半周最大幅值達(dá)到1/2VCC。

結(jié)論;在功率電路中引入自舉電路的目的就是，抬高D點(diǎn)電位，使輸出電壓在正半周和負(fù)半周的最大幅值都能達(dá)到1/2VCC，以提高電路效率和失真。

九、功放電路實(shí)用實(shí)例;

1、有變壓器輸出耦合甲乙類(lèi)功率放大器;

2、復(fù)合管OTL甲乙類(lèi)功率放大器;

V5;前置放大器，工作于甲類(lèi)狀態(tài);

RP1;調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位=1/2VCC;

*RP2;調(diào)節(jié)V1,V2,V3,V4的靜態(tài)電流，注意電流大小變化，容易燒壞V3~V4,R2,C2自舉電容，抬高B點(diǎn)電位，以減小大信號(hào)時(shí)的頂部失真，V1,V2組成NPN復(fù)合管，V3，V4組成PNP復(fù)合管。

3、集成運(yùn)放與晶體管組成的OCL功率放大器;

①電路工作原理;

V1,V2組成復(fù)合NPN管，V3,V4組成復(fù)合PNP管，R4,RP2,D1,D2,R5是給復(fù)合管提供合適的基極偏置電壓，靜態(tài)電流Io=(2VCC-2VD)/(R4+R5+RP2)，為了滿(mǎn)足小靜態(tài)功耗和克服交越失真，靜態(tài)時(shí)V1,V3應(yīng)工作在微導(dǎo)通狀態(tài)，即滿(mǎn)足關(guān)系式;VAB=VD1+VD2≈VBE1+VBE3.一般RP1取值為幾百歐或1K精密電位器，R8,R9，為反饋電阻，R10,R11為平衡電阻，R12,C3為消振網(wǎng)絡(luò)，可改善負(fù)載的高頻特性，Io一般取值為1~3mA以使V2,V3工作于甲乙類(lèi)狀態(tài)，電路的電壓放大倍數(shù)Au≈1+(RP1+R3)/R2。

②靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置;

電路的靜態(tài)工作點(diǎn)主要由Io決定，Io過(guò)小會(huì)使V2，V4工作于乙類(lèi)狀態(tài)，出現(xiàn)交越失真，Io過(guò)大會(huì)使靜態(tài)功耗增大而效率降低，Io一般對(duì)于數(shù)瓦的功放取值為1~5mA，以便V2,V4工作于甲乙類(lèi)狀態(tài)。

4、橋式推挽功率放大電路BTL;