7.3功率放大电路
功率放大电路在多级放大电路中处于最后一级,又称输出级.其主要作用是输出足够大的功率去驱动负载,如扬声器,伺服电机,指示表头,记录器等.功率放大电路要求:输出电压和输出电流的幅度都比较大;效率高.因此,三极管工作在大电压,大电流状态,管子的损耗功率大,发热严重,必须选用大功率三极管,且要加装符合规定要求的散热装置.由于三极管处于大信号运用状态,不能采用微变等效电路分析法,一般采用图解分析法.

1. OCL互补对称功率放大电路
OCL互补对称功率放大电路全称为无输出电容的互补对称功率放大电路,简称为OCL电路,电路如图7.36所示.
图7.36 OCL功率放大电路
7.3.1互补对称功率放大电路
(1) 静态分析
当ui=0时,因电路上下对称,静态发射极电位UE=0,负载电阻RL中无电流通过,u o=0.因三极管处于微导通状态,所以两管的IB≈0,IC≈0,∣UCE∣=∣UCC∣,基本无静态功耗.
(2) 动态分析
为便于分析,将图7.36简化为图7.37(a) 所示的原理电路,且暂不考虑管子的饱和管压降UCES和b,e极间导通电压UBE .

(a) 电路原理电路图 (b)输入波形 (c)输出波形
图7.37 简化OCL功率放大电路
在ui正半周,V2导通,V3截止,+UCC通过V2向RL供电,在RL上获得跟随ui的正半周信号电压uo,即(uo≈u i);
在ui负半周,V2截止,V3导通,-UCC通过V3向RL供电,在RL上获得跟随ui的负半周信号电压uo .
负载RL上输出如图7.37(c) 所示.
由上分析可知:输出电压uo虽未被放大,但 由于iL= ie=(1+β)ib,具有电流放大作用,因此具有功率放大作用.
图7.38 OCL 电路图解分析波形图
从图中可知,uCE1=UCC-uo, uCE2= -UCC-uo ,其中uo在任一个半周期内为导通三极管的uce,即uo= - uce=ui.通常要求功率放大电路工作在最大输出状态,输出电压幅值为uom(max)=UCC-UCES≈UCC,此时,截止管承受的最大电压为2UCC.当功率放大电路工作在非最大输出状态时,输出电压幅值为Uom=IomRL=Ucem=Uim,其大小随输入信号幅度而变.这些参数间的关系是计算输出功率和管耗的重要依据.
(3) 参数计算
① 最大输出功率Pom
最大的输出功率为:
Pom= IomUom= =
当功率放大器工作在非最大输出状态时,输出功能率为:
Po = IomUom= =
② 直流电源供给的功率PU
在一个周期内电源向两个功放管提供的直流功率PU为:
PU =
当功率放大器工作在最大输出状态时,两个直流电源供给的总功率为:
PUm=
③ 效率η
η=
当功率放大电路工作在最大输出状态时,效率为:
η= = 78.5%


实用中三极管UCES,UBE等是客观存在的,因此,功率放大电路实际效率约60% .
④ 三极管管耗PV
直流电源供给的功率与输出功率的差值,即为两只三极管上的管耗,所以每只管子的管耗为

PV = (PU – Po)
功率放大电路工作在最大输出状态时的管耗,并不是最大管耗,每只三极管的最大管耗约为0.2Pom.
[例8] 在图7.36所示电路中,UCC1= UCC2= UCC=24V;RL=8Ω,试求:
10 当输入信号Ui=12V(有效值)时,电路的输出功率,管耗,直流电源供给的功率及效率.
20 输入信号增大至使管子在基本不失真情况下输出最大功率时,互补对称电路的输出功率,管耗,电源供给的功率及效率.
30 晶体管的极限参数.
解:10 在Ui=12V有效值时的幅值为:
Uim= Ui≈17V ,即Uom≈Ui=17V.故
Po= = =18.1W
PU= = × =32.5W
PV = PU – Po = 32.5 – 18.1 = 14.4W
η= = =55.7%
20 在最大输出功率时,最大输出电压为24V.
Pom= = × =36W
PUm= = =45.8W
PV = PU – Po= 45.8 - 36 = 9.8W (此时两管的功耗并不是最大功耗)
η= = 78.5%
30 晶体管的极限参数
PCM≥0.2Pom=0.2×36=7.2W(每一管)
U(BR)CEO≥2UCC=2×24 = 48V
ICM ≥ = 3A
(4)交越失真
交越失真的波形如图7.39所示 .
图7.39 交越失真波形
解决交越失真的办法是为三极管V2,V3提一个合适的静态工作点,使三极管处于微导通状态,如图7.36中的V4,V5.
2.OTL互补对称功率放大电路
OTL互补对称功率放大电路全称为无输出变压器的功率放大电路,简称为OTL电路,如图7.40所示.

图 7.40 OTL功率放大电路
(1) 各元件作用
V1为功放管提供推动电压;RP1,RB1,R B2为V1提供静态工作点,同时还可使UK=1/2UCC;V2 V3,V4V5为两只复合三极管,分别等效为NPN和PNP 型.V6,V7,RP2为V2V3,V4V5提供合适的静态工作点,调节RP2可以改变静态工作点;Co为输出耦合电容,一方面将放大后的交流信号耦合给负载RL,另一方面作为V4,V5导通时的直流电源,因此要求容量大,稳定性高.C1,R1为自举电路.
(2)工作原理
ui为负半周时,V1集电极信号为正半周,V2,V3导通,V4,V5截止.在信号电流流向负载RL形成正半周输出的同时向Co充电,使UCo=1/2UCC.
ui正半周时,V1集电极信号为负半周,V2,V3截止,V4,V5导通.此时,Co上的1/2UCC与V4,V5形成放电回路,若时间常数RLC远大于输入信号的半周期,则电容上电压基本不变,而流过管子和负载的电流仍由基极控制,这样在负载上获得负半周输出信号,于是负载上获得完整的正弦信号输出.
(3) 参数计算
OTL 电路与OCL电路相比,每个功放管实际工作电源电压为1/2UCC,因此将(7.37)～(7.43)中UCC用1/2UCC替换即得相应的参数计算公式.
[例9] 在图7.41所示电路中,已知:RB1=22kΩ ,RB2=47kΩ,RE1=24Ω ,RE2= RE3=0.5Ω, R1=240Ω,RP=470Ω,RL=8Ω,V2为3DD01A,V3为3CD10A,V4,V5为2CP.试求:
10 最大输出功率
20 若负载RL上的电流为iL=0.8sinωt(A)时的输出功率和输出电压幅值.
图7.41 [例9]的电路图
解:10 最大输出功率
Pom= =9W
20 输出功率
Po= =2.56W
输出电压幅值
U om=0.8 ×8=6.4V
7.3.2集成功率放大器
1. 音频集成功率放大器
(1) SL 4112
SL 4112的外形及管脚如图7.42所示.该集成功放有14只引脚,内部设有静噪抑制电路,因而接通电源时爆破噪声很小.它具有电源电压范围宽,降压特性良好等优点,适用于各种收录机.主要参数为:电源9V,输出功率2.3W,输入阻抗20kΩ,电压增益68dB,谐波失真2% .
图7.42 SL 4112引脚图 图 7.43 SL 4112应用电路
(2) TDA 2030
TDA 2030的外形及引脚如图7.44(a)所示.该集成功放只有5只引脚,它接线简单,既可以接成OCL电路,又可以接成OTL电路,广泛应用于音响设备中.其内部设有短路保护电路,具有过热保护能力.主要参数为:电源6~18V,输出功率9W,输入阻抗5MΩ,电压增益30dB,谐波失真0.2% .TDA 2030的典型应用电路如图7.44(b)所示.

(a)

(b)
图 7.44 TDA 2030 应用电路
2._双音频集成功率放大器
(1) BTL电路
BTL功率放大器,其主要特点是在同样电源电压和负载电阻条件下,它可得到比OCL或OTL电路大几倍的输出功率,其工作原理图如图7.45所示.
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图 7.45 BTL原理电路
静态时,电桥平衡,负载RL中无直流电流.动态时,桥臂对管轮流导通.在ui正半周,上正下负,V1,V4导通,V2,V3截止,流过负载RL的电流如图中实线所示;在ui负半周,上负下止,V1,V4截止,V2,V3导通,流过负载RL的电流如图中虚线所示.忽略饱和压降,则两个半周合成,在负载上可得到幅度为UCC的输出信号电压.
(2) LM378
LM378的外形及管脚如图7.46所示.主要参数为:电源10~35V,输出功率4W/信道,输入电阻3kΩ,电压增益34dB,带宽50kHz.
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图7.46 LM378引脚图
① 反相立体声放大器
反相立体声放大电路如图7.47所示.

图7.47 简单反相立体声放大器
② 桥式结构单放大器
桥式结构单放大电路如图7.48所示.

图7.48 BTL电路
(3) TDA 1519
TDA 1519的外形及管脚如图7.49所示.内部设有多种保护电路(负载开路,AC及DC对地短路等),并有静噪控制及电源等待状态等功能.它在双声道工作时只要外接4只元件,BTL工作时只要外接1只元件,无需调整就能满意地工作.主要参数为:电源6~18V,输出功率5.5W(单声道,RL=4Ω) ~ 22W(BTL,RL=4Ω),电压增益40dB(立体声) ~ 46dB(BTL),谐波失真10% .
TDA1519典型应用电路如图7.50所示.

图7.49 TDA1519引脚图
(a) 立体声电路 (b) BTL电路

图7.50 TDA1519典型应用
3.场输出集成功率放大器
场输出集成功率放大器是用于显示器,电视机场扫描电路的专用功率放大器,内部采用泵电源型OTL电路形式,封装一般为单列直插式.
(1) 泵电源电路
图7.51所示为IX0640CE和外围元件组成的场输出电路.图中V4,V5,V6,V7及外接元件V8,C构成泵电源电路.

图51 IX0640CE组成的场输电路
在场输出锯齿波正程期内,电源通过V8及V6对C充电,C两端电压很快充到UCC,极性为上正下负. 在场输出锯齿波逆程期间,电源电压UCC与电容C上的电压串联供电,场输出级电源电压上升为2UCC,实现了泵电源供电,即在场扫描正程期间采用低电压供电,而在逆程期间采用高电压供电.
(2) 应用电路
IX0640CE的外形及引脚如图7.52所示.
图 7.52 IX0640CE引脚图
图7.53(b)为TDA8172的应用电路,场锯齿波信号经RP1,R2从P1脚进入集成功放,调节RP1可以改变场幅;RP2,C2组成微分电路,由于C2和C3的存在对锯齿波中的高频分量分流作用大,对低频分量分流作用小,因此它们构成预失真,以使场偏转线圈中锯齿波电流线性良好;R3,R4构成直流反馈,可稳定工作点,C3用来滤除反馈信号中的交流成分;R5,R6为交流电流负反馈,改善锯齿波电流线性;V1,C1同内部电路构成逆程泵电源,实现自举升压;放大后的锯齿波信号从P5脚输出,送场偏转线圈,C4是输出耦合电容.
IX0640CE的应用电路如图7.51所示.场锯齿波信号从P4进入集成功放后首先加在V1的基极,经过V1放大后推动V2,V3组成的互补推挽场输出电路,再从P2脚输出送场偏转线圈,实现功率放大.
TDA8172的外形及引脚如图7.53(a)所示.

图7.53(a) TDA8172引脚图

图7.53(b) TDA8172组成的场输出电路
本章小结_
一,放大电路中"放大"的实质,是通过三极管(或场效应管)的作用进行能量转换,即将直流电源的能量转换为负载获得的能量.放大电路的组成原则是必须有电源,核心元件是三极管(或场效应管),要有合适的静态工作点,并保证放大电路在放大信号的整个周期,三极管(或场效应管)都工作在特性曲线的线性放大区.放大电路工作时,电路中各电压,电流值是直流量和交流量叠加的结果.电路分析由静态分析和动态分析两部分组成.静态分析借助直流通路,用估算法或图解法确定静态工作点.动态分析借助交流通路,用图解法或微变等效电路法确定电压放大倍数,输入电阻,输出电阻等动态性能指标.常用的稳定工作点电路有射极偏置电路(基极分压式偏置电路),集基耦合电路和温度补偿电路.

二,共集电极电路由于输入电阻高,输出电阻低,并具有电压跟随特性,广泛应用于输出级或隔离级.共基极电路由于频率特性好,常用于高频放大.阻容耦合多级放大电路,由于各级放大电路的静态工作点互不影响,调试方便,常被用来进一步提高放大倍数,但计算每级放大倍数时应考虑前,后级之间的相互影响.场效应管放大电路的分析方法和步骤与三极管放大电路类似,各种类型的放大电路与相应的三极管放大电路具有类似的特点,只是模拟电路中多用结型和耗尽型MOS管,而增强型MOS管则多用于数字电路.
三,OCL电路采用双电源供电.OTL电路采用单电源供电,但需要一个大容量输出耦合电容.电路中,两只功放管分别在正,负半周交替工作.当输入信号一定时,能使输出信号幅度Uom基本上等于电源电压UCC而又不失真的负载称为功放电路的最佳负载.此时功放电路输出最大功率,具有最高的转换效率,但两管的功耗不是最大.由于集成功放外接元件少,电路结构简单,应用越来越广泛,使用时应注意正确选择型号,识别各引脚的功能.当需要进一步提高输出功率时,可将两个OCL电路连接成BTL电路形式.