第九章功率放大電路第九章功率放大電路§9.1

概述§9.2

互補輸出級的分析計算§9.1概述一、功率放大電路研究的問題二、對功率放大電路的要求三、晶體管的工作方式四、功率放大電路的種類能夠向負載提供足夠信號功率的放大電路稱為功率放大電路，簡稱功放。二者無本質的區別，都是能量的控制與轉換。功率放大電路與前面介紹的電壓放大電路有本質上的區別嗎？不同之處在哪里？一、概述不同之處在于：各自追求的指標不同。電壓放大電路：功率放大電路：主要要求使負載得到不失真的電壓信號，其輸出功率并不一定很大；通常為小信號放大電路。主要要求獲得盡可能大的不失真（或失真較小）輸出功率和轉換效率，通常是在大信號狀態下工作。

功率放大電路的特點要求同時輸出較大的電壓和電流。管子工作在接近極限狀態。一般直接驅動負載，帶載能力要強。功率放大電路中的特殊問題輸出功率要大；效率要高；輸出功率電源提供的功率η越大，效率越高2.

對功率放大電路的要求（1）甲類方式：晶體管在信號的整個周期內均處于導通狀態（2）乙類方式：晶體管僅在信號的半個周期處于導通狀態（3）甲乙類方式：晶體管在信號的多半個周期處于導通狀態（1）在電源電壓一定的情況下，最大不失真輸出電壓最大，即輸出功率盡可能大。（2）效率盡可能高，因而電路損耗的直流功率盡可能小，靜態時功放管的集電極電流近似為0。3、晶體管的工作方式

三極管根據導通時間可分為如下四個狀態。

甲類-------三極管360°導電；甲乙類----三極管180°～360°導電乙類-------三極管180°導電丙類-------三極管<180°導電圖17.01三極管的四種工作狀態乙類180°導電丙類<180°導電甲乙類180°～360°導電甲類360°導電

1.性能指標：輸出功率和效率。若已知Uom，則可得Pom。最大輸出功率與電源損耗的平均功率之比為效率。

2.分析方法：因大信號作用，故應采用圖解法。

3.晶體管的選用：根據極限參數選擇晶體管。在功放中，晶體管集電極或發射極電流的最大值接近最大集電極電流ICM，管壓降的最大值接近c-e反向擊穿電壓U(BR)CEO，集電極消耗功率的最大值接近集電極最大耗散功率PCM

。稱為工作在盡限狀態。一、功率放大電路研究的問題唯一的辦法就是在電路結構上做文章，于是引出：如何解決提高了效率卻使電路波形產生嚴重失真的矛盾呢？乙類雙電源互補對稱功率放大電路1.變壓器耦合功率放大電路①輸入信號增大，輸出功率如何變化？②輸入信號增大，管子的平均電流如何變化？③輸入信號增大，電源提供的功率如何變化？效率如何變化？四、功率放大電路的種類做功放適合嗎？單管甲類電路為什么管壓降會大于電源電壓？乙類推挽電路信號的正半周T1導通、T2截止；負半周T2導通、T1截止。

兩只管子交替工作，稱為“推挽”。設β為常量，則負載上可獲得正弦波。輸入信號越大，電源提供的功率也越大。2.

OTL

電路

輸入電壓的正半周：＋VCC→T1→C→RL→地

C充電。輸入電壓的負半周：

C

的“＋”→T2→地→RL→C“－”

C放電。C足夠大，才能認為其對交流信號相當于短路。OTL電路低頻特性差。因變壓器耦合功放笨重、自身損耗大，故選用OTL電路。3.

OCL電路輸入電壓的正半周：＋VCC→T1→RL→地輸入電壓的負半周：

地→RL→T2→－VCC兩只管子交替導通，兩路電源交替供電，雙向跟隨。靜態時，UEQ＝UBQ＝0。4.

BTL電路

輸入電壓的正半周：＋VCC→T1→

RL→T4→地輸入電壓的負半周：＋VCC→T2→

RL→T3→地①是雙端輸入、雙端輸出形式，輸入信號、負載電阻均無接地點。②管子多，損耗大，使效率低。幾種電路的比較

變壓器耦合乙類推挽：單電源供電，笨重，效率低，低頻特性差。OTL電路：單電源供電，低頻特性差。OCL電路：雙電源供電，效率高，低頻特性好。BTL電路：單電源供電，低頻特性好；雙端輸入雙端輸出。§9.2互補輸出級的分析計算一、輸出功率二、效率三、晶體管的極限參數然后求出電源的平均功率，效率在已知RL的情況下，先求出Uom，則求解輸出功率和效率的方法一、輸出功率數值較大不可忽略大功率管的UCES常為2~3V。二、效率電源電流3.晶體管的極限參數PT對UOM求導，并令其為0，可得

在輸出功率最大時，因管壓降最小，故管子損耗不大；輸出功率最小時，因集電極電流最小，故管子損耗也不大。管子功耗與輸出電壓峰值的關系為管壓降發射極電流因此，選擇晶體管時，其極限參數將UOM代入PT的表達式，可得討論一：圖示各電路屬于哪種功放？9.3功率放大電路的安全運行在功率放大電路中，功放管既要流過大電流，又要承受高電壓。只有功放管不超過其極限值，電路才能正常工作。因此，所謂功率放大電路的安全運行，實際上就是要保證功放管的安全工作。在實用電路中，常加保護措施，以防止功放管過電壓、過電流和過功耗。一、功放管的二次擊穿二、功放管的散熱問題一、功放管的二次擊穿1、二次擊穿現象在實際工作中，常發現功率晶體管的功耗并未超過允許的PCM值，管身也并不燙，但功率晶體管卻突然失效或者性能顯著下降。這種損壞的的原因，不少是由于二次擊穿所造成的。那么什么叫二次擊穿呢？它產生的原因又是什么呢？應當如何防止呢？這些問題很值得研究和討論。

從晶體管的輸出特性可知，對于某一條輸出特性曲線，當c~e之間電壓增大到一定數值時，晶體管將產生擊穿現象；而且，IB愈大，擊穿電壓愈低，稱這種擊穿為“一次擊穿”。晶體管在一次擊穿后，集電極電流會驟然增大，若不加以限制，則晶體管的工作點變化到臨界點A時，工作點將以毫秒甚至微秒級的高速度從A點到B點，此時電流猛增，而管壓降卻減小，如下圖所示，稱為“二次擊穿”。晶體管經過二次擊穿后，性能將明顯下降，甚至造成永久性損壞。

IB不同時二次擊穿的臨界點不同，將它們連接起來，便得到二次擊穿臨界曲線，簡稱為S／B曲線，如下圖所示。2、二次擊穿是怎樣產生的產生二次擊穿的原因至今尚不清楚。一般說來，二次擊穿是一種與電流、電壓、功率和結溫都有關系的效應。它的物理過程多數人認為是由于流過晶體管結面的電流不均勻，造成結面局部高溫（稱為熱斑），因而產生熱擊穿所致。這與晶體管的制造工藝有關。3、如何防止二次擊穿

晶體管的二次擊穿特性對功率管，特別是外延型功率管，在運用性能的惡化和損壞方面起著重要影響。為了保證功率管安全工作，必須考慮二次擊穿的因素。因此，功率管的安全工作區，不僅受集電極允許的最大電流ICM、集電極允許的最大電壓V（BR）CE和集電極允許的最大功耗PCM所限制，而且還受二次擊穿臨界曲線所限制，其安全工作區如下圖虛線內所示。顯然，考慮了二次擊穿以后，功率晶體管的安全工作范圍變小了。

從二次擊穿產生的過程可知，防止晶體管的一次擊穿，并限制其集電極電流，就可避免二次擊穿。二、功放管的散熱問題功放管損壞的重要原因是其實際耗散功率超過額定數值PCM。而晶體管的耗散功率取決于管子內部的PN結（主要是集電結）溫度Tj，當Tj超過允許值后，集電極電流將急劇增大而燒壞管子。硅管的結溫允許值為120～180℃，鍺管的結溫允許值為85℃左右。耗散功率等于結溫在允許值時集電極電流與管壓降之積。管子的功耗愈大，結溫愈高。因而改善功放管的散熱條件，可以在同樣的結溫下提高集電極最大耗散功率PCM

，也就可以提高輸出功率。二、功放管的散熱問題1、熱阻的概念

熱的傳導路徑，稱為熱路。阻礙熱傳導的阻力稱為熱阻。真空不易傳熱，即熱阻大；金屬的傳熱性好，即熱阻小。在晶體管中，管子上的電壓降大部分都降在集電結上，它和流過集電結的電流造成集電極功率損耗，使管子發熱。這個熱量要從管芯向外傳遞。設結溫為Tj

，環境溫度為Ta

，則溫差T（=Tj

－Ta

）與集電結耗散功率PC成正比，比例系數稱為熱阻尼，即

可見，熱阻尼是傳遞單位功率時所產生的溫差，單位為℃／W。RT愈大，表明相同溫差下能夠散發的熱能愈小。換言之，RT愈大，表明同樣的功耗下結溫愈高。可見，熱阻是衡量晶體管散熱能力的一個重要參數。當晶體管結溫達到最大允許值TjM時，集電結功耗也達到PCM

，若環境溫度為Ta

，則式中，若管子的型號確定，則TjM也就確定，Ta常以25℃為基準，因而要想增大PCM，必須減小RT

。2、熱阻的估算以晶體管為例，管芯（J）向環境（A）散熱的途徑有兩條：管芯（J）到外殼（C），再經外殼到環境；或者管芯（J）到外殼（C），再經散熱片（S）到環境。即J→C→A或J→C→S→A，如下圖所示。設J~C間熱阻為RjC

，C~A間熱阻為RCa

，C~S間熱阻為RCS

，S~A間熱阻為Rsa

，則反映晶體管散熱情況的熱阻模型如下圖所示。在小功率放大電路中，放大管一般不加散熱器，故晶體管的等效熱阻為RT=RjC+Rca

在大功率放大電路中，功放管一般均要加散熱器，且RCS+RSa<<RCa，故RTRjC+RCS+RSa

不同型號的管子RjC不同，如3AD30的RjC為1℃/W，而3DG7的RjC卻大于150℃／W，可見其差別很大。RCa與外殼所用材料和幾何尺寸有關，如大功率管3AD30的RCa為30oC／W，而小功率管3DG7的RCa為150℃／W。

上式中RCS既取決于晶體管和散熱器之間是否加絕緣層（如聚乙烯薄膜、0.05～0.lmm的云母片），又取決于二者之間的接觸面積和壓緊程度。RSa與散熱器所用材料及其表面積大小、厚薄、顏色，和散熱片的安裝位置等因素緊密相關。3、功放管的散熱器兩種散熱器如下圖所示。經驗表明，當散熱器垂直或水平放置時，有利于通風，故散熱效果較好。散熱器表面鈍化涂黑，有利于熱輻射，從而可以減小熱阻。在產品手冊中給出的最大集電極耗散功率是在指定散熱器（材料、尺寸等）及一定環境溫度下的允許值；若改善散熱條件，如加大散熱器、用電風扇強制風冷，則可獲得更大一些的耗散功率。§9.4集成功率放大電路

OTL、OCL和BTL電路均有各種不同輸出功率和不同電壓增益的多種型號的集成電路。應當注意，在使用OTL電路時，需外接輸出電容。為了改善頻率特性，減小非線性失真，很多電路內部還引入深度負反饋。本節以低頻功放為例，講述集成功放的電路組成、工作原理、主要性能指標和典型應用。一、集成功率放大電路分析二、集成功率放大電路的主要性能指標三、集成功率放大電路的應用一、集成功率放大電路分析

LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優點，廣泛應用于錄音機和收音機之中。

1、LM386內部電路

LM386內部電路原理圖如下圖所示。與通用型集成運放相類似，它是一個三級放大電路，如點劃線所劃分。第一級為差分放大電路，T1和T3

、T2和T4分別構成復合管，作為差分放大電路的放大管；T5和T6組成鏡像電流源作為T1和T2的有源負載；信號從T3和T4管的基極輸入，從T2管的集電極輸出，為雙端輸入單端輸出差分電路。根據第三章關于鏡像電流源作為差分放大電路有源負載的分析可知，它可使單端輸出電路的增益近似等于雙端輸出電路的增益。第二級為共射放大電路，T7為放大管，恒流源作有源負載，以增大放大倍數。第三級中的T8和T9管復合成PNP型管，與NPN型管T10構成準互補輸出級。二極管D1和D2為輸出級提供合適的偏置電壓，可以消除交越失真。利用瞬時極性法可以判斷出，引腳2為反相輸入端，引腳3為同相輸入端。電路由單電源供電，故為OTL電路。輸出端（引腳5）應外接輸出電容后再接負載。電阻R7從輸出端連接到T2的發射極，形成反饋通路，并與R5和R6構成反饋網絡，從而引入了深度電壓串聯負反饋，使整個電路具有穩定的電壓增益。2、LM386的電壓放大倍數當引腳1和8之間開路時，由于在交流通路中T1管發射極近似為地，R5和R6上的動態電壓為反饋電壓，近似等于同相輸入端的輸入電壓。即為二分之一差模輸入電壓，于是可寫出表達式為所以，當引腳1和8之間外接不同阻值的電阻時，Au的調節范圍為20～200，因而增益20lg|

Au

|約為26～46dB。

實際上，在引腳1和5（即輸出瑞）之間外接電阻也可改變電路的電壓放大倍數。若外接電阻為R′，則應當指出，在引腳1和8（或者1和5）外接電阻時，應只改變交流通路，所以必須在外接電阻回路中串聯一個大容量電容。3、LM386的引腳圖

LM386的外形和引腳的排列如下圖所示。引腳2為反相輸人端，3為同相輸入端；引腳5為輸出端；引腳6和4分別為電源和地；引腳1和8為電壓增益設定端；使用時在引腳7和地之間接旁路電容，通常取10F。二、集成功率放大電路的主要性能指標集成功率放大電路的主要性能指標除最大輸出功率外，還有電源電壓范圍、電源靜態電流、電壓增益、頻帶寬、輸入阻抗、輸入偏置電流、總諧波失真等。

LM386－1和LM386－3的電源電壓為4～12V，LM386－4的電源電壓為5～18V。因此，對于同一負載，當電源電壓不同時，最大輸出功率的數值將不同；當然，對于同一電源電壓，當負載不同時，最大輸出功率的數值也將不同。已知電源的靜態電流（可查閱手冊）和負載電流最大值（通過最大輸出功率和負載可求出），可求出電源的功耗，從而得到轉換效率。幾種典型產品的性能如下表所示。

表中所示電壓增益均在信號頻率為lKHz條件下測試所得。應當指出，表中所示均為典型數據，使用時應進一步查閱手冊，以便獲得更確切的數據。三、集成功率放大電路的應用1、集成OTL電路的應用下圖所示為LM386的一種基本用法，也是外接元件最少的一種用法，Cl為輸出電容。由于引腳1和8開路，集成功放的電壓增益為26dB，即電壓放大倍數為20。利用RW可調節揚聲器的音量。R和C2串聯構成校正網絡用來進行相位補償。靜態時輸出電容上電壓為VCC／2，LM386的最大不失真輸出電壓的峰一峰值約為電源電壓VCC

。設負載電阻為RL，最大輸出功率表達式為此時的輸入電壓有效值的表達式為當VCC=16V，RL=32時，Pom1W，Uim

283mV。

下圖所示為LM386電壓增益最大時的用法

C3使引腳1和8在交流通路中短路，使Au200；C4為旁路電容；C5為去耦電容，濾掉電源的高頻交流成分。當VCC=16V，RL=32時，Pom仍約為1w；但是，輸入電壓的有效值Uim卻僅需28.3mV。下圖所示為LM386的一般用法，用R2改變LM386的電壓增益2、集成OCL電路的應用

右圖所示為TDA1521的基本用法。TDA1521為2通道OCL電路，可作為立體聲擴音機左、右兩個聲道的功放。其內部引入了深度電壓串聯負反饋，閉環電壓增益為30dB，并具有待機、靜噪功能以及短路和過熱保護等。查閱手冊可知，當±

Vcc=16V，RL＝8時，若要求總諧波失真為0.5%，則Pom12W。由于最大輸出功率的表達式為可得最大不失真輸出電壓Uom9.8V，其峰值約為13.9V，可見功放輸出級的最小管壓降約為2.1V。當輸出功率為Pom時，輸入電壓有效值Uim

327mV。3、集成BTL電路的應用

TDA1556為2通道BTL電路，與TDA1521