第6章 集成运算放大电路功率放大电路

Po VCC U CES PV 4 VCC
在理想情况下，若Βιβλιοθήκη Baidu略功率管的饱和压降UCES， 则最大输出电压幅值Uom=VCC，则 （1）最大不失真输出功率为
Pom
2 U om VCC 2R L 2R L 2
（2）直流电源供给的功率为
2 2 VCC PV RL
2 U om (VCC U CES ) 2 12 22 Pom 6.25W 2R L 2R L 28 VCC U CES 12 2 I cm 1.25A RL 8
解：（1）由公式得
U CEm 2VCC 24V
PT1m 0.2Pom 0.2 6.25 1.25W
集成运算放大器简介
集成运放的总体结构
u u+ u u差动输入级 电压放大级 输出级
uo u
偏置电路
差分放大电路实现， 克服零点漂移现象 多级电压放大电路 实现，目的提高电 路的放大能力
功率放大 电路实现， 进行功率 放大，带 动负载
简单的集成运算放大电路的内部结构
Rc 1
反 相输 入端
+ V + CC
iC
0 (a)
u
CE
甲类
特点：甲类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载 线的中点。在工作过程中，晶体管始终处在导通状态。 这种电路功率损耗较大，效率较低，最高只能达到50％。
iC
0
u CE
乙类 特点：乙类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载 线的截止点，晶体管仅在输入信号的半个周期导通。这 种电路功率损耗减到最少，使效率大大提高。波形严重失
2．分析计算 功率放大电路的主要任务是向负载提供较大 的不失真的信号功率，这就要求输出信号的电压 和电流的幅值均较大，故管子工作在极限应用 状态。所以在分析功放电路时，不能采用小信
号的微变等效电路法，而应采用图解法。
OCL电路的图解分析
根据以上分析，不难求出OCL电路的输出功率、 直流电源提供的平均功率和效率。 （1）输出功率
功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出 功率。在输入为正弦波且输出基本不失真的条 件下，输出功率是交流功率，表达式为 Po＝IoUo 式中：Io和Uo均为交流有效值。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）转换效率η
功率放大电路的交流输出功率与电源所提供的平 均功率之比称为转换效率。电源提供的功率是直流 功率，其值等于电源输出电流平均值与其电压乘积。 通常功放输出的功率大，电源消耗的直流功率也就 多。因此，在一定的输出功率下，减小直流电源的 功耗，就可以提高电路的效率。
C
2
(3) 动态时
设输入端在UCC/2 直流基础上加入正弦信号。 输入交流信号ui的正半周 T1导通、T2截止； 同时给电容充电
输入交流信号ui的负半周 + ui T 导通、T 截止；
2 1
T1 ic1 uo + A RL T2 ic2
uo
电容放电，相当于电源 交流通路 若输出电容足够大，其上电压基本保持不变， 则负载上得到的交流信号正负半周对称。
如果输入信号幅值足够大，则Uom可达到最 大值VCC－UCES，而信号基本上不失真，则 （1）输出功率为最大不失真输出功率为
Pom
U (VCC U CES ) 2R L 2R L
2 om
2
（2）直流电源提供的最大平均功率为
2 VCC (VCC U CES ) PV RL （3）转换效率为
+
。 +UCC
.
用二极管实现偏置的互补输出电路
互补输出电路实际上是无输出电容的功率放 大电路，又称OCL电路（OCL：Output Capacitorless），它是目前使用最广泛的功率放大 电路之一。
互补功率放大电路的输出功率及效率
1．功率放大电路的主要技术指标 衡量功率放大电路性能的主要技术指标为最大 输出功率和转换效率。 （1）最大输出功率Pom
作为模拟集成电路的输出级，一般总希 望带负载能力强一些，也就是要求电路的 输出电阻要小一些。解决的办法是采用射 极输出器。（共集放大电路）
在理想状态下，两者在负载上应 合成完整波形。电路中，T1和T2 互为 补充，故称为互补输出电路。图解分析 OCL电路.avi
互补输出电路
若T1和T2都是硅管，则当| ui|＜ 0.5V时，两管都几乎不导通，有一个 “死区”。输入正弦波时，输出波形 出现如图所示的失真，这种失真称为 交越失真。
6.4.1 对功率放大电路的基本要求
(1) 在不失真的情况下能输出尽可能大的功率。
(2) 由于功率较大，就要求提高效率。
负载得到的交流信号功 率 η 电源供给的直流功率
1．功率放大电路的特点 功率放大电路的任务是向负载提供足够大的功率 要求： 1、功率放大电路不仅要有较高的输出电压，还要有 较大的输出电流。
I CM
CC
VCC RL
，所以选择
RL
功放电路如图所示，设VCC=12V，RL=8Ω，晶体管的极限 参数为ICM=2A，U(BR)CEO=30V，|UCES|=2V，PCM = 5W。试求： （1）最大输出功率Pom值，并检验所给晶体管是否能安全工作？ （2）放大电路在η=0.6时的输出功率PO的值。
D1 + D2 uI R2 A T1
+UCC C
+
T2 RL
+ uo -
实际的功率放大电路
2．LM386的外形和引脚图
LM386的外形和引脚图
3．LM386的一种接线图
LM386的接线图
集成功率放大器
集成功放LM386接线图 特点: 去耦，防止 8 低频自激 工作可靠、 ∞ + 。 + 5 使用方便。 + 2 + + LM386 只需在器件 ui 3 _。 + 外部适当连 uo 4 7+ 线，即可向 _ 负载提供一 定的功率。 使喇叭相当 消振，防止 于纯电阻负载 高频自激
（3）转换效率为
78.5% 4
应当指出，大功率管的饱和压降约为2~3V，所 以一般情况下不能忽略饱和压降。
晶体管的选择
因为功率放大电路的输出电压和输出电 流幅值均很大，在选择功放管时要特别注意 集电极最大允许电流、最大管压降和最大耗 散功率等极限参数的选择，以确保管子安全 工作。
功率三极管的选择
(4) 交越失真 当输入信号ui为正弦波时， 输出信号在过零前后出现的 失真称为交越失真。 交越失真产生的原因 由于晶体管特性存在非线性， ui < 死区电压晶体管导通不好。 克服交越失真的措施
ui
O
t
uo
交越失真
O
t
采用各种电路以产生有不大的偏流，使静态工作 点稍高于截止点，即工作于甲乙类状态。
真。
(b)
iC
0
u
CE
甲乙类 特点：甲乙类功率放大电路的静态工作点介于甲类和乙类 之间，晶体管有不大的静态偏流。其失真情况和效率介于 甲类和乙类之间。静态IC 0，一般功放常采用。
(c)
互补对称电路是集成功率放大电路输出级的基本 形式。当它通过容量较大的电容与负载耦合时，由 于省去了变压器而被称为无输出变压器(Output Transformerless)电路，简称OTL电路。若互补对称 电路直接与负载相连，输出电容也省去，就成为无 输出电容(Output Capacitorless)电路，简称OCL电 路。 OTL电路采用单电源供电， OCL电路采用双电源 供电。
(5) 克服交越失真的电路 静态时T1、T2 两管发射结电压分别为二极管D1、 D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态。 动态时，设ui 加入 正弦信号。正半周T2 截止，T1基极电位进 一步提高，进入良好 的导通状态。负半周 T1截止，T2基极电位 进一步降低，进入良 好的导通状态。
R1
因此功率放大电路中的晶体管通常工作在大电压大电流状态， 晶体管的功耗也比较大。对晶体管的各项指标必须认真选择，且 尽可能使其得到充分利用。因为功率放大电路中的晶体管处在大 信号极限运用状态。
2、必须尽可能提高功率放大电路的效率。
功率放大电路从电源取用的功率较大，为了提高电源的 利用率。
2．功率放大电路的类型
所求的Icm、UCEm和PT1m均分别小于极限参数ICM、 |V(BR)CEO|和PCM，故晶体管能安全工作。
（2）由公式得
U om VCC 0.6 4 12V 4 9.2V
2 U om 9.2 2 Po 5.3W 2R L 2 8
OTL电路 +UCC (1) 特点 T1、T2的特性一致； T1 C 一个NPN型、一个PNP型 + A 两管均接成射极输出器； + + 输出端有大电容； uI T2 RL uo 单电源供电。 (2) 静态时(ui= 0) OTL原理电路 U CC VA 2 U CC , I 0， I 0 电容两端的电压 u C1 C2
在互补功率放大电路中，晶体管的选择必须满足下 列条件： （1）对于每只晶体管，必须满足PCM＞0.2(Pom)。 （2）两只功放管中处于截止状态的管子将承受较 大的管压降，其值为（2VCC－UCES），在实际使用 时，应考虑留有一定的余量，所以可以选择 U(BR)CEO＞2VCC。 （3）通过晶体管的最大集电极 电流为 V
交越失真以及克服.avi
解决的办法是提高Q点，使管子处于临界导通 状态。如图是用二极管实现偏置的实例。这里，利 用二极管正向导通时的恒压降特性（约0.6～0.7V）， 不但给T1、T2适当的偏置电压，又使信号ui几乎无损 失地传递到T2基极，从而克服了交越失真。 动态时，设ui 加入正弦信号。 正半周T2 截止，T1基极电位进 一步提高，进入良好的导通状 态。负半周T1截止，T2基极电 位进一步降低，进入良好的导 通状态。
Rc 2 T1 T2 Is
Rc3 T3
T4
+
uo
u- + u ++
T5
同 相输 入端
VEE +
输 入级 中 间级 输 出级
集成运放是一种高电压增益、高输入电阻和低 输出电阻的多级直接耦合放大电路。它由四部分组 成，即输入级、中间级、输出级和偏置电路。
功率放大电路的作用：是放大电路的输出级，去
推动负载工作。例如使扬声器发声、继电器动作、 仪表指针偏转、电动机旋转等。
从图中看出
i C1 I om sin t i C1 0 0 t t 2
所以，电源+VCC提供的平均功率为
PV VCC I om VCC U om 1 VCC I om sin td(t ) 0 2 R L
电源（－VCC）所提供的平均功率PV－应与PV+相 等。因此，两个电源提供的总平均功率为
2VCC I om 2VCC U om PV R L
Uom VCC UCES
（3）转换效率
Pom 100% P V
将以上两个表达式代入上式，得
Uom VCC UCES
U om I om / 2 U om 2VCC I om / 4 VCC
2 U om I cm U om U om U om Po I oU o 2 2 2 2RL 2RL
其中 Uom VCC UCES （2）直流电源供给的平均功率 电源VCC提供的平均功率为
1 2 PV VCC i C d(t ) 2 0
其中iC是通过电源的电流。在图的电路中，通过 电源+VCC的电流为iC1。