低频功率放大电路.ppt

9 1概述9 2互补对称功率放大电路原理9 3无输出变压器 OTL 的互补对称功放电路9 4无输出电容 OCL 的互补对称功放电路9 5扩展内容 第9章低频功率放大电路 高保真的耳机功率放大器电路 电路说明 多媒体耳机功放印制版图 例 扩音系统 功率放大器的作用 用放大电路的输出级 以驱动执行机构 如使扬声器发声 继电器动作 仪表指针偏转等 9 1概述 一 各类功率放大器的功能以及用途介绍 功放按用途分类 专业功放 技术参数上往往会有一些独特的要求 家用功放 体育馆场 影剧场 歌舞厅 会议厅或其它公共场所扩声 录音监听等场所使用的功放 Hi Fi音乐欣赏 AV系统放音 以及卡拉OK娱乐的功放 Hi Fi是英语High Fidelity的缩写 意指高度保真 即纯音乐功放 是音乐发烧友的最爱 Hi Fi功放的输出功率大都在2 150瓦以下 Hi Fi在设计上强调最低的信号失真 忠实地表现出音乐的场面 细节和演奏 录制的技巧等来满足人们对音乐的最佳欣赏要求 一般用于Hi Fi的功放都是胆机 Hi Fi功放就扩声形式而言 只适用于两声道立体声的重播 AV功放是AudioVideo的缩写 即影音功放 它能同时连接5 6个音箱 左右主音箱 中置音箱 左右环绕音箱 超重低音 并驱动它们发出声音 AV功放从诞生到现在 经历了杜比环绕 杜比定向逻辑 AC 3 DTS 均是音频解码方式 的发展进程 AV功放与普通功放的区别 在于AV功放有AV选择杜比定向逻辑解码器 AC 3 DTS解码器和五声道功率放大器 以及画龙点睛的数字声场DSP电路 鉴于欣赏碟片中多声道录音效果的需要 AV功放的每声道功率输出也会不同 一般来说主声道功率最大 中置次之 环绕最小 这方面的代表是带有杜比定向逻辑环绕声放的功放 为了增加使用乐趣 大多数AV功放都附有DSP 为各种节目播放提供不同的声场效果 Hi Fi AV 按器材分类 电子管放大器 俗称 胆机 晶体放大器 俗称 石机 集成电路放大器 主要优点 动态范围大 线性好 音色甜美悦耳 主要缺点 内阻大导致放大器阻尼系数小 影响瞬态特性 需高压供电 离不开变压器 变压器不仅功耗大 体积大 阻尼系数可做得很高 有良好的瞬态特性 在声音的节奏感 力度上要比胆机明快 爽朗 有力 而且无需变压器 不仅节省成本 缩小体积 而且避免了由变压器所引起的失真 最突出的优点是可靠性高 外围电路简单 组装方便 不足之处是电声指标 功率 频响 失真度 信噪比等 和音质皆不如前两类放大器 1 功放电路中电流 电压要求都比较大 必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值 ICM UCEM PCM 需要解决功放管的散热问题 二 分析功放电路应注意的几个问题 2 电流 电压信号比较大 必须注意防止波形失真 且不能用微变等效电路来分析 3 电源提供的能量尽可能转换给负载 减少晶体管及线路上的损失 即注意提高电路的效率 Pomax 负载上得到的交流信号功率 PE 直流电源供给的平均功率 直流功率 真实和高效一直是功率放大器领域技术进步的源动力 关于功率 根据国际标准 功率有两种标注方法 额定功率 RMS 正弦波均方根 与瞬间峰值功率 PMPO功率 额定功率 是指在额定范围内驱动一个8 扬声器规定了波形持续模拟信号后 在有一定间隔并重复一定次数后 扬声器不发生任何损坏的最大电功率 实际功率 标称 输出 功率 有效功率一般就是指额定功率 瞬间峰值功率 是指扬声器短时间所能承受的最大功率 额定功率一般是瞬间峰值功率的1 8 额定功率 瞬间峰值功率 储备功率 标称 输出 功率 实际功率 有效功率 均方根功率 平均功率 有功功率 真值功率 粉噪功率 平均功率 两种算法 均方根功率 为了使AC信号能够使用与DC信号同样的计算公式 比如电阻 功率等的计算 对信号的均方根值进行了专门定义 AC信号的均方根值与相同幅度的DC信号产生的效果相同 例如 采用230VrmsAC电压供电的白炽灯泡获得的电能与采用230VDC电压对其供电获得的电能是相同的 储备功率 关于储备功率有一个经典的 理论 用通俗的话来讲就是 在20平米的房间 有1 20W的声功率 响度就够了 由于音乐信号的波形很复杂 信号中不时会出现一些暂短的但幅度很高的脉冲信号 该信号如被功放削波 就会出现严重的削波失真 为了防止削波失真 必须将功放的最大不失真功率加大到放音功率的5到10倍 即便如此 仍会有少量脉冲信号被削波 因此 专业功放应有10倍以上的储备功率 扬声器的标称功率 粉噪功率 它是指在扬声器额定频率范围内 馈给以规定的模拟节目信号 连续工作100小时而不产生热和机械损坏的功率 功率放大器的标称输出功率 一般是指一定失真限制条件上的正弦输出功率 输入端加的是正弦波 显然 将扬声器功率与功放功率的数字去做比较没有任何意义 而从上文大家也可以了解到 目前我们谈论的类似功率是否充足 功率储备是否足够的话题 基本只能建立在主观听音的感受上 去看音箱上的标注实在没有什么意义 因为大家的标注方法并不规范 标准不同 自然也就没有什么可比性了 功率放大电路的类型 功率放大电路按其静态工作点在负载线上所处位置不同 可分为甲 A 类 甲乙 AB 类 乙 B 类 丙 C 类 丁 D 类等类型 甲类 乙类 甲乙类 丙类 有静态功耗 50 静态功耗为0 78 5 静态功耗和效率介于甲类和乙类之间 效率较高 主要用于高频电路 各类功放静态工作点设置的示意图 甲类360 导电 甲乙类180 360 导电 乙类180 导电 丙类 180 导电 各类功放导通角的示意图 问题讨论 甲类 一般射随静态工作点 Q 设置较高 靠近负载线的中部 信号波形正负半周均不失真 电路中存在的静态电流 ICQ 在晶体管和射极电阻中造成较大静态损耗 致使效率降低 设Q点正好在负载线中点 若忽略晶体管的饱和压降 则在理想情况下有 射极输出器效率低的原因 Uom UCEQ 0 5USCIom ICQ 0 5USC RE uce Ic USC RE USC ICQ Q UCEQ 注意 课本上的分析 50 不确切 注意 PE Usc Ic 平均值 Usc ICQ 办法 降低Q点 但又会引起截止失真 既降低Q点又不会引起截止失真的办法 采用推挽输出电路 或称互补对称射极输出器 如何解决效率低的问题 图腾输出一般是在数字电路里说的 在放大电路 功率电路不太这样说 虽然看起来和推挽输出电路都差不多 前面讲的乙类功放导通角的示意图 如上 是针对NPN管而言的 它解决了正弦波正半周的不失真放大问题 如果再能解决负半周的问题 就解决了整个周期内正弦波的不失真放大问题 那么只能借助PNP管了 因为PNP管和NPN管正好相反 PNP管是在正弦波的负半周内导通 思路 vCE 乙类互补对称电路工作情况 NPN型 PNP型 NPN导通 PNP导通 乙类双电源互补对称功率放大电路 电路中采用两个晶体管 NPN PNP各一支 两管特性一致对称电源 USC USC组成互补对称式射极输出器 NPN型 PNP型 9 2互补对称功率放大电路 静态时 ui 0V T1 T2均不工作 uo 0V 动态时 ui 0V T1截止 T2导通 ui 0V T1导通 T2截止 iL ic1 iL ic2 注意 T1 T2两个晶体管都只在半个周期内工作 一 工作原理 设ui为正弦波 管子的死区电压不计 死区电压 输入输入波形图 2 伏安特性 导通压降 硅管0 6 0 7V 锗管0 2 0 3V 反向击穿电压UB 回顾 1 静态电流ICQ IBQ等于零 2 每管导通时间为半个周期 3 存在交越失真 特点 假设ui为正弦波且幅度足够大 T1 T2导通时均能饱和 此时输出达到最大值 负载上得到的最大功率为 有效值 若忽略晶体管的饱和压降 则负载 RL 上的电压和电流分别为 二参数计算 乙类 见下页 0V 回顾 VCC 每个电源 其中的电流为半个正弦波 其平均值为 两个电源提供的总平均功率为 USC1 USC2 USC 电源提供的直流平均功率计算 注意 电压源电压一定 流过其的电流由外电路决定 OTL OutputTransformerLess OCL OutputCapacitorLess 可见 上面讲的乙类双电源互补对称功率放大电路 基本解决了功率放大器领域技术进步的源动力问题 真实和高效 一 特点 1 单电源供电 2 输出加有大电容 二 静态分析 则因为T1 T2特性对称 令 9 3无输出变压器的互补对称功放电路OTL电路 负载中没有电流 三 动态分析 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 但存在交越失真 UC相当于电源 放电 时 T1导通 T2截止 设输入端在0 5USC直流电平基础上加入正弦信号 起 Usc的作用 四 输出功率及效率 若忽略交越失真的影响 且ui幅度足够大 使管子足以导通 则 静态时 虽有Ui USC 2 但是IB很小 故电源提供的功率仍可以忽略 2 为电容提供能量 调节R 使静态时UA 0 5USC D1 D2使b1和b2之间的电位差大于2个二极管正向压降 克服交越失真 Re1 Re2 电阻值1 2 射极负反馈电阻 也起限流保护作用 实用OTL互补输出功放电路 T3 电压推动级 由图还可以看出 此时每管的导通时间略大于半个周期 而小于一个周期 故这种实用电路称为OTL甲乙类互补对称功率放大电路 去掉电容 增加对称的负电源 USC 使静态时的A点电位为0 负载中仍没有电流 就是前面讲原理时的电路 9 3无输出电容的互补对称功放电路OCL电路 OTL电路 OCL电路 输出功率Po 当Vom Vcc时 忽略饱和压降 电源供给功率PV 当Vom Vcc时 忽略饱和压降 双电源 参数小结 管耗PT 利用求导的方法可找出管耗的最大值 即 转换效率 当Vom VCC时 只需将双电源计算公式中的VCC换成1 2VCC即为单电源的 双电源的公式 单电源的公式 可以推出单电源和双电源功放电路参数计算公式的差异 效率不变 必须强调指出 实际上放大器仅放大了交流信号功率Pi 输入 得到Po 输出 而这部分功率Po不是由三极管本身提供的 而是由电路中的直流电源提供的 放大器件仅在输入信号的作用下将直流电源提供的直流功率的一部分转换成为交流功率 因此 从这个意义上讲 有人认为 静态时最省电 这句话对吗 而且它是一个可控的能量转换器 所转换成的交流功率是受输入交流信号控制的 低频功率放大器乃是一种将直流电源提供的能量转换为交流输出的能量转换器 2 例如 设 50 则B极 提供1个空穴 则E极到达C极的电子就有50个 提供2个空穴 则E极到达C极的电子就有100个 而这走掉的50个或100个电子又由电源EC提供 形成源源不断的Ic 故说 Po不是由放大器件本身提供的 而是由电路中的直流电源提供的 放大器件仅在输入信号的作用下将直流电源提供的直流功率的一部分转化成了交流功率Po OCL电路 OCL电路也存在交越失真 静态时 T1 T2两管发射结电位分别为二极管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 电路中增加R1 D1 D2 R2支路 1 克服交越失真的措施 uB1 t uBE iB 特点 存在较小的静态电流ICQ IBQ 每管导通时间大于半个周期 基本不失真 波形关系 为更换好地和T1 T2两发射结电位配合 克服交越失真 电路中的D1 D2两二极管 可以用UBE电压倍增电路替代 合理选择R1 R2大小 B1 B2间便可得到UBE任意倍数的电压 图中B1 B2分别接T1 T2的基极 假设I IB 则 2 UBE电压倍增电路 P33图 增加复合管的目的 扩大电流的驱动能力 规律 晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定 会合处 绿点 要么同进要么同出 3 电路中增加复合管 达林顿管 T1 电压推动级 T2 R1 R2 UBE倍增电路 T3 T4 T5 T6 复合管构成的输出级 准互补 输出级中的T4 T6均为NPN型晶体管 两者特性容易对称 改进后的OCL准互补输出功放电路 功率BJT的选择由上分析可知 若想得到最大输出功率 BJT的参数必须满足下列条件 1 每只BJT的最大允许管耗PCM必须大于PT1m 0 2Pom 2 考虑到当T2导通时 uCES2 0 此时uCE1具有最大值 且等于2USC 因此 应选用的管子BUceo 2USC 3 通过BJT的最大集电极电流为VCC RL 选择BJT的ICM一般不宜低于此值 BUceo 集电极 发射极反向击穿电压 该电压是指当晶体管基极开路时 其集电极与发射极之间的最大允许电压 T14 T18 T19 准互补输出电路 R7 R8 T15 UBE倍增电路 克服交越失真 对称性好 D1 D2 过流保护 正常时 D1 D2截止 补讲F007输出级