功放电路

任务5、功放电路
[教学目标]
l功率放大器的特征和分类。

l理解互补对称功率放大器的工作原理。

l掌握交越失真的概念以及克服交越失真的基本电路。

l集成功率放大器。

l多级放大电路
[教学重点]
l功放电路
一、任务
分析简单功放电路图及结构，认识组成功放的主要元器件在电路中的作用。

拆装常见家用功放机，熟练掌握功放的电路原理。

了解一般功放IC的作用及使用。

掌握功放的维护和常见故障的维修。

二、所用元件及工具
家用功放机实物。

简单功放组件，具体见相关电路图。

二极管、三极管、电容、电阻、电位器等。

功放IC芯片。

示波器、万用表、直流稳压电源、音频信号源、扬声器等。

三、任务分析
放大电路主要用于增强电压幅度或电流幅度，因而称为电压放大电路（电压放大器）或电流放大电路。

在多级放大电路中，放大电路的末级通常要带动一定的负载。

例如，扬声器的音圈、电动机控制绕组和偏转线圈等。

多级放大电路除了应有电压放大级外，还要求有一个能输出一定信号功率的输出级。

因此，要求同时输出较大的电压和电流。

管子工作在接近极限状态。

把向负载提供功率的放大电路称为功率放大电路（简称功放）。

功放是音响系统中最基本的设备，它的任务是把来自信号源（专业音响系统中则是来自调音台的微弱电信号进行放大以驱动扬声器发出声音。

实例1、一款简单功放的制作。

这是一个设计小巧、线路简单但性能不错的三管音频放大器。

其电路见图。

也许我们在一些袖珍晶体管收音机里可以看到一些与此类似的电路。

原理分析：
输入级（9014）的基极工作电压等于两输出级三极管的中点电压，一般为电源电压的一半，这个电压的稳定由输出三极管的基极的两个二极管控制。

3.3欧姆电阻串联在输出三极管的发射极上，以稳定偏流。

以减小环境温度、不同器件（如二极管、输出三极管）参数区别对电路的影响。

当偏流增加时，输出三极管发射极与基极间电压会减小，以减小偏流。

此电路输入阻抗为500欧姆，在使用8欧姆扬声器时，电压增益为5。

电路在不失真输出50mW的功率时，扬声器上有约2V左右的电压摆动。

增加电源电压可提高输出功率，但此时应注意输出晶体管散热问题。

在9V电源电压时，电路耗电约30mA。

制作时要注意两个输出功率管放大倍数应接近。

其它器件参数可以参考图示选择。

此电路适合于制作成耳机放大器或其它小功率放大器用。

由于它是一个很典型的功放电路，所以非常适合初学者学习功放电路原理之余，动手实践制作时的参考电路。

实例2、一款实用功放的制作。

电路原理图
电路装配图
元件清单：
1、按图组装电路, 要求元件的布局和焊接规范，便于调整测试。

2、检查电路，无误后通电，调节R2 测量中点电位，中点电位应为电源电压的一半。

如果中点电位调不到电源电压的一半，过高或过低，说明电路有故障存在，要先检查电路，排除故障。

3、先不接扬声器，将音频信号接到音量电位器两端，示波器接输出端，送入几十毫伏的音频信号，观察输出信号，若没有产生较大的失真，则表明电路基本正常。

4、接好扬声器，调节音频输入信号，使输出达到最大不失真，用毫伏表测量扬声器两端音频电压，计算电路的最大不真输出功率，按表2进行测量。

实例3、一款发烧级功放电路。

下面我们再引用范志庆在（/html/dianziDIY/2008/0704/3211.html ）网上的文章《一款发烧级甲乙类功率放大器的设计》供参考。

（一）、电路原理简介 1、主放大电路
参看功率放大器的左声道放大电路。

R1、C1组成低通滤波器，滤除混于音频信号中的高频干扰信号，R2为输入匹配电阻。

来自音源或前级的音频信号由J1进入VT1-VT4四只场效应管组成的双差分输入电路。

场效应管属电压控制器件，输入阻抗高，频率响应好，常见于一些发烧级线路中，同时，其漏-源耐压低，供电需经一些特殊处理。

R4、R6、RP1、R7及R9组成直流电压钳位电路给四只输入级场效应管供电。

经计算VT5、VT6和VT7、VT8基极电位分别为±45V ×(R6+RP1×1/2)/(R4+R6+RP1×1/2)=±12.7V 。

四只场效应管漏极实际供电电压为12.7V-0.6V=12.1 V ，保证场效应管工作在低电压状态。

VT1和VT5(另VT2和VT6, VT3和VT7, VT4和VT8)组成共源共基电路(俗称沃尔曼电路)，这种电路组态具有其他线路无可比
TIP41C 1 47uF/16v 1 1N4001 2 6.8K 1 TIP42C 1 4.7uF/16v 1 电阻39K 1 10K 1 S9013 2 470 Uf/25v 1 100K
1 S901
2 2 电位器50K/0.5W 1 2.7K 1 100uF/25v
1
半可调电阻100K
1
330
1
功放左声道放大电路图
拟的优点—频响宽、失真低、增益高、线性好。

RP1调节四只输入级结型场效应管栅-源偏置电压，进而改变输入级工作电流。

本电路将输入级电流设定在1.6mA，这样R3, R5, R8, R10上的直流电压降为1.5kΩ×1.6mA=2.4V。

VT9, VT10和VT12, VT13接成共射-共基组态构成电压放大级。

VD1, R12及VD2支路为共基管VT10, VT12基极提供恒定工作电压。

C4, CS并接于VD1, VD2两端消除稳压二极管造成的噪声干扰。

R3, R8上的2.4V直流电压降作为VT9, VT13的基极偏置电压，将电压放大级工作电流钳位在(2.4V-0.6V) /300Ω=6mA。

音频信号经VT9, VT13共射放大后由其集电极进入VT10, VT12组成的共基电路，并从两管的集电极输出，经R15, R16送入VT14, VT15组成的推动级电路。

RP3调节输出级对称中点输出的直流电位.将该点电位控制在±5mV以内。

VT11, VD3, R13及RP2构成推动级和功率输出级偏置电路，调节RP2可以改变推动级K214/J77两管栅极电位差，进而由R17, R18上的电压差改变输出级VT16, VT17的静态偏置状态。

本电路在设计时将推动级K214/J77两管栅极直流电压差设定在4.7 V ,推动级静态电流(K214/J77漏-源电流)为63mA。

R17, R18上的直流压降合计为63mA×15Ω×2 ≈ 1.9V，此电压作为功率输出级VT16, VT17基极偏置电压，将A1943/C5200静态电流设定在82mA。

R21、R22上的直流电压降各为82mA×0.22Ω=18mV。

C7, C8的作用是消除K214/J77引起的自激，L1, R23和C9构成扬声器感性负载的补偿网络。

反馈网络R24, R25和C10将整机电压放大倍数设定在51倍(AVF=1+R24/R25 )。

反馈引出点选在推动级对称中点，减小了扬声器感性负载对小信号输入级的影响，这也是现今比较流行的做法。

2、电源及保护电路简介
电源及保护电路中保护电路具有开机延时和主放大电路输出中点直流过压保护功能。

刚开机时保护电路供电电压经R29,R31支路向C18充电，开始时VT20基极电位低不能导通，导致VD10, VT21截止,继电器K1不能吸合，常开触点断开了功率级与扬声器的连接，避免了开机浪涌电流对扬声器的冲击。

随着C18充电电压的升高，VT20饱和导通，VD10, VT21也随之饱和导通，继电器K1吸合，接通扬声器正常放音。

R29, R31和C18决定开机延时时间的长短。

当功率输出级中点出现正或负的超过安全工作电压时，C16,C17充电，充电电压达到±0.6V以上时，VT18或VT19导通，两管集电极突现低电压导致C18放电，VT20截止，引起VT21也截止，继电器K1释放，断开扬声器，起到保护作用。

此过程中，由于C16, C17和C18容量较大，充放电时间较长，避免了保护电路对短暂超标电压的误动作。

（二）、制作要点
参考印制电路板图。

所有元件应使用正品，RP1-RP3选用多圈精密可调电位器。

成对出现的元件如R3, R5,R8, R10及VT5,VT6等需要精挑细选，将误差控制在最小范围内，这样成功才能有保障。

制作调试是依原理分块进行的。

制作好输入级电路，将J1对地短路，并用100kΩ电阻将VT2, VT4栅极接地。

调节RP1并测量R3, R5, R8和R10上的电压降，正常情况下应该为2.4V，出现误差较大的情况可能是输入级元件配对不良。

接好电压放大级和输出级偏置电路，测量R14两端电压应为1.8V，调节RP2时VT10, VT12两管集电极电压差应能在一定范围内变化并将该电压调节到4.7V左右。

接下来，焊好推动级和反馈电路，用数字万用表直流电压挡分别测量R17, R18上的电压降，微调RP2，将该电压调节到0.95 V左右。

调节RP3,将反馈引出点直流电压控制在±5mV 以内。

最后一步是制作功率输出级，微调RP2将R21, R22上的直流电压降锁定在18mV。

再一次调节RP3，将功率输出级中点直流电压也调到±5mV以内，只有这样，在正常放音时，背景才能宁静，不影响音乐的重现。

（三）、整机性能评价
整机声场开阔，高音丝丝扣人，低音弹性十足，中音明亮甜美，表现出人意料。

实测指标如下：
通频带：5Hz-210kHz(-3dB)
转换速率：18V/1us
输出功率：30W×2(8Ω)
最大不失真输出功率：45W×2(8Ω)
四、知识库
功放电路的分类：
1、按功放中功放管的导电方式不同，可以分为甲类功放（又称A类）、乙类功放（又称B类）、甲乙类功放（又称AB类）和丁类功放（又称D类）等。

甲类功放是指在信号的整个周期内（正弦波的正负两个半周），放大器的任何功率输出元件都不会出现电流截止（即停止输出）的一类放大器。

甲类放大器工作时会产生高热，效率很低，但固有的优点是不存在交越失真。

单端放大器都是甲类工作方式，推挽放大器可以是甲类，也可以是乙类或甲乙类。

乙类功放是指正弦信号的正负两个半周分别由推挽输出级的两“臂”轮流放大输出的一类放大器，每一“臂”的导电时间为信号的半个周期。

乙类放大器的优点是效率高，缺点是会产生交越失真。

乙类OCL 双电源互补功率放大电路。

这种电路的特点是用正、负两种电源，负载和电路直接连接，是一种直接耦合电路，即所谓的OCL 电路。

如果在输出端放一个大容量电容，利用电容的充放电代替一个电源，就是OTL 电路。

甲乙类功放介于甲类和乙类之间，推挽放大的每一个“臂”导通时间大于信号的半个周期而小于一个周期。

甲乙类放大有效解决了乙类放大器的交越失真问题，效率又比甲类放大器高，因此获得了极为广泛的应用。

甲乙类对称互补功率放大电路
若在一周期内，管子的导通时间小于半个周期，即导通角小于180°，则称为丙类（C 类）功放，丙类放大多用于高频大功率发射电路中。

丙类谐振功放三极管V在工作时处于丙类工作状态，只有小部分时间导通。

LC谐振回路起到滤波和匹配作用。

基极电源VBB应小于死区电压以保证晶体管工作于丙类状态，一般VBB略小于0。

集电极电压VCC是功率放大器的能量来源。

虽然效率可以更高，但电路复杂、音质差，音频放大中一般都不用。

这几类功放的共同特点就是有源器件被视作电压控制电流源。

并且不希望其工作在线性电阻区。

晶体管都工作在线性放大区域中，它按照输入音频信号大小控制输出的大小，就像串在电源与输出间的一只可变电阻，控制输出，但同时自身也在消耗电能。

丁类（D类）高频功率放大电路，也称数字式放大器，利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号，三极管处于开关状态。

具有效率高，体积小的优点。

许多功率高达1000W 的丁类放大器，体积只不过像VHS录像带那么大。

这类放大器不适宜于用作宽频带的放大器，但在有源超低音音箱中有较多的应用。

D类（还有E、F类）功放与A类功放相反，工作在线性电阻区，通常称作开关模式功放。

这类放大器，其特点是断续地转换器件的开通，其频率超过音频，可控制信号的占空比以使它的平均值能代表音频信号的瞬时电平，这种情况被称为脉宽调制(PWM)，其效率在理论上来说是很高的。

但是，实际困难还是非常大的，因为200kHz的高功率方波是不是好的出发点尚不清楚；从失真的角度来看，为保证采样频率的有效性，必须将一个陡峭截止频率
的低通滤波器插入放大器与扬声器之间，以消除绝大部分的射频成分，这至少需要4个电感(考虑立体声)，成本自然不会低。

此外，表现在频响方面，它只能对某一特定负载阻抗保证平坦的频率响应。

E类(戊类)放大器是一个极端聪明的半导体技术应用，它在几乎所有工作时间内，通过的电压或电流是较小的，亦即功率耗散很低。

遗憾的是，它仅用于射频技术，而不用于音频。

G类(庚类)放大器与B类(乙类)或AB(甲乙类)的放大器有些类似。

对于小的输出信号，它的供电电流来自低电压源；而对于‘大信号’，供电将转换到较高的电压源。

这样，一定比B类(乙类)的效率更高。

但是，这种改进似乎不能超越多路输出器件的成本以及使开关二极管在高频时转换干净利落的技术难点，以致使其使用不适合某些高功率的专业设备。

此外，G类(庚类)放大器所产生的失真，大概要比相应的B类(乙类)更大，但也有资料显示，对转换细节进行精心设计，将会使其差别较小。

H类[辛类)放大器与B类(乙类)相似，其特点在于动态地提升单供电电压(不用转换到另一个电压源)，以提高效率，所采用的电路结构是自举电路。

S类放大器是由桑德曼博士命名的一种放大器。

这类放大器，采用一个A类(甲类)放大电路，其电流能力非常有限，加上B类(乙类)放大电路作后备，在连接上使负载呈现为一较高的电阻。

Tech-nICsSE-1000所采用的方法与此极为相似。

2、按功放输出级放大元件的数量，可以分为单端放大器和推挽放大器。

单端放大器的输出级由一只放大元件（或多只元件但并联成一组）完成对信号正负两个半周的放大。

单端放大机器只能采取甲类工作状态。

推挽放大器的输出级有两个“臂”（两组放大元件），一个“臂”的电流增加时，另一个“臂”的电流则减小，二者的状态轮流转换。

对负载而言，好象是一个“臂”在推，一个“臂”在拉，共同完成电流输出任务。

尽管甲类放大器可以采用推挽式放大，但更常见的是用推挽放大构成乙类或甲乙类放大器。

3、按功放中功放管的类型不同，可以分为胆机和石机。

胆机是使用电子管的功放。

石机是使用晶体管的功放。

4、按功能不同，可以前置放大器（又称前级）、功率放大器（又称后级）与合并式放大器。

功率放大器简称功放，用于增强信号功率以驱动音箱发声的一种电子装置。

不带信号源选择、音量控制等附属功能的功率放大器称为后级。

前置放大器是功放之前的预放大和控制部分，用于增强信号的电压幅度，提供输入信号选择，音调调整和音量控制等功能。

前置放大器也称为前级。

将前置放大和功率放大两部分安装在同一个机箱内的放大器称为合并式放大器，我们家中常见的功放机一般都是合并式的。

4、按用途不同，可以分为AV功放，Hi-Fi功放。

AV功放是专门为家庭影院用途而设计的放大器，一般都具备4个以上的声道数以及环绕声解码功能，且带有一个显示屏。

该类功放以真实营造影片环境声效让观众体验影院效果为主要目的。

Hi-Fi功放是为高保真地重现音乐的本来面目而设计的放大器，一般为两声道设计，且没有显示屏。

功放的主要性能指标有输出功率，频率响应，失真度，信噪比，输出阻抗，阻尼系数等。

输出功率：单位为W，由于各厂家的测量方法不一样，所以出现了一些名目不同的叫法。

例如额定输出功率，最大输出功率，音乐输出功率，峰值音乐输出功率。

音乐功率：是指输出失真度不超过规定值的条件下，功放对音乐信号的瞬间最大输出功
率。

峰值功率：是指在不失真条件下，将功放音量调至最大时，功放所能输出的最大音乐功率。

额定输出功率：当谐波失真度为10%时的平均输出功率。

也称做最大有用功率。

通常来说，峰值功率大于音乐功率，音乐功率大于额定功率，一般的讲峰值功率是额定功率的5--8倍。

频率响应：表示功放的频率范围，和频率范围内的不均匀度。

频响曲线的平直与否一般用分贝[db]表示。

家用HI-FI功放的频响一般为20Hz--20KHZ正负1db.这个范围越宽越好。

一些极品功放的频响已经做到0--100KHZ。

失真度：理想的功放应该是把输入的讯号放大后，毫无改变的忠实还原出来。

但是由于各种原因经功放放大后的信号与输入信号相比较，往往产生了不同程度的畸变，这个畸变就是失真。

用百分比表示，其数值越小越好。

HI-FI功放的总失真在0。

03%--0。

05%之间。

功放的失真有谐波失真，互调失真，交叉失真，削波失真，瞬态失真，瞬态互调失真等。

信噪比：是指功放输出的各种噪声电平与信号电平之比，用db表示，这个数值越大越好。

一般家用HI-FI功放的信噪比在60db以上。

输出阻抗：对扬声器所呈现的等效内阻，称作输出阻抗。

一台功放的性能指标完好不一定证明有好的音色，这是初烧友必须认识到的。

这也是众多发烧友苦苦探索追求的。

五、仪器与测量
用万用表检测功率三极管。

用老示波器观察功放的输入输出波型。

六、体验与挑战
(一)、晶体管功放电路安全检修法
高保真OCL、OTL功放电路，前级多采用差分放大输入，末级采用互补大功率对管输出，前后级之间直接耦合。

由于采用多管直接耦合，一旦某只元件变质或损坏，会造成整个电路工作点的改变，轻则导致声音小而失真，重则造成元器件大面积损坏，甚至烧毁扬声器系统。

根据维修经验，晶体管功放故障，大多是末级大功率对管击穿，当一管损坏时，由于采用多管直接耦合，会造成元件大面积损坏。

在检修此类功放时，如果故障元件排除不彻底，通电试机时往往引起故障再次发生，造成新更换的器件再次损坏。

笔者在检修实践中总结了一种安全检修方法，下面以常见OCL功放末级电路为例作一介绍。

/article/view_1791.html，如图所示。

引发重复损坏元件的原因是故障元件排查不彻底，因此维修晶体管功放，必须在全部排除和更换故障元件后，方能通电试机。

为了查找到全部损坏元件，可采取以下措施：1．精通功放电路结构，做到心中有数
经常学习，了解常见的晶体管功放电路的结构，特别是末级互补大功率电路的结构(常见的末级互补功率输出电路如图1所示)。

没有电路图时，要对照实物画出功放部分原理图，弄清电路的工作原理和元器件参数。

2用电阻测量法。

围绕损-杯的大功率管，查找损坏元件
用电阻测量法对电路中可能损坏的元件进行一次在路测量，特别是与损坏的大功率管有关联的推动级、前置放大电路。

力争全部找出损坏元器件。

立体声功放电路常见故障只有一路功放电路损坏，如果对损坏的元件型号和参数不确定，可与没有损坏的另一路相同部位测量结果进行比较，或查阅另一路同一位置的元件型号和参数。

3．数字和指针式万用表兼用，提高测量精度
测量电阻时用数字表。

由于数字表内阻大，向被测电路提供的电流小，不会使二极管、三极管的PN结导通，相当于开路，可减小对电阻测量的影响。

测量晶体管时用指针表。

测量PN结正向电阻时用R×1挡，既可向PN结提供较大的正向电流，检查其正向特性，又可减小在路其他元件对测试的影响。

正常情况下，用1．5V 电池供电的电阻挡测量PN结正向电阻时，指针应偏转到电阻量程刻度线的二分之一左右；用3V电池供电的电阻挡测量时，指针应偏转到电阻量程刻度线的四分之一左右。

如果显示电阻较大，说明PN。

结正向特性不良。

测反向电阻时，用R×100挡或R×1k挡，显示电阻应略小于测试两点间的并联电阻。

4．更换正品元件，确保电路平衡
查到故障元件后，一定要了解该元件的参数,代用元件的参数一定要略高于原型号。

更
换推动电路、末级互补功放电路时，最好上、下臂三极管同时更换，并注意挑选参数尽量相同的对管，确保上、下臂工作平衡稳定。

为了防止因电路故障排除不彻底，造成开机元件再次损坏，笔者采用如下四步安全通电试机法：
1．不接扬声器和末级功率对管，接假负载，测量中点电压
电路修复后，先不安装末级功率对管(图1中的VT3、VT4)，或将推动级与末级对管基极之间的连接切断(如将图1中的A、B点断开)，在推挽输出端与地之间(即图1中的。

点与C 点之间)接一只20～50Ω／,／20～50W线绕电阻做假负载。

如果推动管(图1中的VTl、VT2)发射极与中点之间无电阻，应临时加装两只阻值为100—270Ω／0．5W以上的电阻，试机后拆除。

将电压表连接到输出端中点与地之间(即图1的。

点与地之间)监测中点电压，对OCL 电路来说，此电压应为OV；对0TL电路来说，此电压应为电源电压的一半，误差应小于5％。

做好上述连接后，开始向功放供电。

一边监测中点电压，一边观察有无变色、冒烟元件，同时用手摸推动管温度。

如果中点电压不符合正常值或有发热冒烟元件，应立即停机检查。

此时，由于没连接功率输出对管，即使造成元件损坏，也只是中小功率管和阻容元件的损坏，损失不会太大。

如果中点电压正常，保持通电十分钟以上，确认输出端中点电压保持不变，测量电路其它关键部位电压正常，推动管无温度上升或元器件无变质变色，则表明推动级之前的电路正常，可进行下一步操作。

2．接入大功率管，保持假负载，监测中点电压
让末级对管进入工作状态，开始向功放供电。

监测中点电压，观察机内元件，同时用手摸功率对管温度。

如果中点电压不符合正常值或有发热冒烟元件，应立即停机。

重点检查末级功放对管及外围电路。

如果中点电压接近正常值或功放对管温度较高时，可调整图1中的R1，对功放末级静态电流进行调整，直到中点电压稳定，功放管不发热为止。

3．接入低档扬声器和信号源，低成本试听
拆去假负载，接入低档扬声器，输入端接入信号源联机试听，继续监测中点电压。

通电试听半小时以上，中点电压应保持稳定，功放管温度应在正常范围内(不烫手)。

此时，即使电路发生故障，也仅仅是损坏价位较低的低档扬声器。

如果在o、c间试听有声，在扬声器插座试听无声，则是扬声器保护电路故障，应检查修理相应保护电路。

4．接入原配扬声器试听，传授使用技巧
低成本试听正常后接入原配扬声器试听，重点检测维修后的音质和各种调整功能是否正常，煲机几小时后，即可交付用户了。

事实证明，功放的损坏，大多是用户使用连接不当造成。

交付用户时，向用户介绍功放的使用注意事项，传授使用技巧。

(二)、简单D类功放制作（几款功放芯片与效果器芯片简介）
TDA1521/TDA1514A
TDA1521/TDA1514A是荷兰飞利浦公司专门为数字音响在播放时的低失真度及高稳度而设计推出的两款芯片。

所以用来接驳CD机直接输出的音质特别好。

其中的参数为：TDA1521在电压为±16V、阻抗为8Ω时，输出功率为2×15W，此时的失真仅为0.5％。

TDA1514A的工作电压为±9V~±30V,在电压为±25V、RL=8Ω时，输出功率达到50 W，总谐波失真为0.08％。

输入阻抗20KΩ, 输入灵敏度600mV,信嘈比达到85dB。

其电路设有等待、静嘈状态，具有过热保护，低失调电压高纹波抑制，而且热阻极低，具有极佳的高频解析力和低频力度。

其音色通透纯正，低音力度丰满厚实，高音清亮明快，很有电子管的韵味。

以上两款功放的外围零件都比较少，是"傻瓜"型的功放芯片，非常适合初级发烧友组装，只要按照电路图，不需调试就可获得很好的效果。

由于该芯片的输入电平比较低，我们在制作是不需前置放大器，只要直接接到我们的电脑声卡、光驱、随身听上即可。

著名的电脑多媒体音箱漫步者也是采。