P6音频功率放大器的设计与制作(论文).doc

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1、P6音频功率放大器的设计与制作前面各项目中的放大器通常均具有功率放大的作用，但它们属于小信号放大，输出功率很低，主要要求输出电压或电流幅度得到足够的放大，所以称为电压放大器或电流放大器。在某些场合，需要放大器输出较大的功率以驱动功率型负载，如音响放大器中的扬声器、电视机的显像管和计算机监视器等。能输出较大功率的放大器称为功率放大器。功率放大器属于大信号放大电路，既有较大的输出电压，同时也有较大的输出电流，其负载阻抗一般相对较小，这是与一般放大器不同的地方。正因为如此，功率放大器所涉及到的电路技术问题要更复杂一些。 一、功率放大器的特点及要求 如前所述，功率放大器与一般的电压放大器或电流放大器的

2、要求不同，对一般的电压放大器或电流放大器的主要要求是电压增益、电流增益或功率增益要高，但输出的功率并不一定大。而对功率放大器的主要要求如下。 1.输出功率Po尽可能大 功率放大器的主要要求之一就是输出功率要大。为了获得较大的输出功率，要求功率放大管(简称功放管既要输出足够大的电压，同时也要输出足够大的电流，因此管子往往在接近极限运用状态下工作。 需要指出的是，功率放大器的功率增益Ap一般较低，这意味着功率放大器在输出较大功率的同时也需要较大的功率输入。 2.效率要高 功率放大器的输出功率是由直流电源提供的，直流电源在提供输出功率的同时，还有一部分功率消耗在功率管上并产生热量，这是一种无用功率，

3、因此这里存在一个效率问题。所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源提供的直流总功率的比值。3.非线性失真要小 功率放大器是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真，而且同一功放管输出功率越大，非线性失真往往越严重，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。但是，在不同场合，对非线性失真的要求不同，例如，在测量系统和电声设备中，这个问题很重要，但在工业控制系统等场合是以输出功率为主要目的的，对非线性失真的要求就降为次要问题了。 4.功率管的散热要好 在功率放大器中，即使最大限度地提高效率，仍有相当大的功率消耗在功率管上，使其温度升高。为了充分利用允许的管耗，使管子输出的功率足够大，就必须

4、研究功率管的散热问题。此外，在功率放大电路中的功率管承受的电压高、电流大，功率管损坏的可能性也比较大，因此也必须重视功率管的损坏与保护问题。 二、射极输出器的效率1.理论估算2.仿真测试按P216的测试程序演示该仿真，完成表6.1各项数据的填写，最终得出正确的结论。三、功率放大电路提高效率的主要途径 在前面所讨论放大器中，为保证输出信号最大且不失真，通常将放大器的工作点设置在交流负载线的中点，即使放大器预先有一个较大的工作点电流，因此，放大管在整个输入信号周期内都有电流流过。通常把这种工作方式称为甲类放大。 甲类放大的典型工作状态如图6.2 (a)所示。设甲类BJT放大器流经电源的总电流为 式

5、中， ic为总电流， Ic为直流分量， ic为纯交流分量， Icm为纯交流分量的振幅值。则直流电源提供的总功率为该结果说明，在甲类放大器中，当工作点确定之后，不管有无交流信号输入，直流电源提供的功率Pv始终是恒定的，且为直流电压Vcc与直流电流Ic之积，因此，由上式容易理解，当交流输出功率P。越小时，管子及电阻上损耗的功率即无用功率PVT反而越大，这种损耗功率通常以热量的形式耗散出去。也就是说，在没有信号输出时，放大器的负荷恰恰是最重的，最有可能被热击穿，显然这是极不合理的。 分析表明，造成甲类放大器效率低的原因是，不管信号有无，放大器始终有一个较大的静态电流。如果把静态工作点Q向下移动，使信

6、号等于O时电源输出的功率也等于0 (或很小)，信号增大时电源供给的功率也随之增大，这样电源提供的功率及管耗都随着输出功率的大小而相应变化，则可大大提高放大器的效率。利用图6.2 (b)， (c)所示的工作情况，就可实现上述设想。在图6.2 (b)中，有半个周期以上的icO;在图6.2 (c)中，一周期内只有半个周期的icO，它们分别称为甲乙类和乙类放大。 四、乙类互补对称功率放大电路1.乙类双电源互补对称功率放大电路的电路组成 （OCL功放）（1）电路组成： 参见图6.2 (c)，工作在乙类的放大电路，虽然管耗小，有利于提高效率，但存在严重的失真，即输出信号只有半个波形。如果用两个管子，使之都

7、工作在乙类放大状态，但一个在正半周工作，而另一个在负半周工作，同时使这两个输出波形都能加到负载上，从而在负载上得到一个合成的完整波形，这样就解决了效率与失真的矛盾。 实现上述设想的功率放大器的基本电路如图6.4 (a)所示，该电路中， VT1和VT2分别 为NPN型管和PNP型管，两管的基极和发射极分别相互连接在一起，信号从基极输入，从射极输出， RL为负载。这个电路可以看成是由图6.4 (b)， (c)两个射极输出器组合而成的。 当信号处于正半周时， VT2截止， VT1放大，有电流通过负载RL而当信号处于负半周时， VT1截止， VT2放大，仍有电流通过负载RL，即该电路实现了在静态时管子

8、不取电流，而在有信号时， VT1和VT2轮流导通使输出不失真的功能。此电路实际上是一种推挽式电路。由于两个管子互补了对方的不足，工作性能对称，所以这种电路通常称为互补对称电路，也称为OCL电路。 （2）工作原理：（3）仿真测试： 演示P224图6.6的2.乙类双电源互补对称功率放大电路的计算 参见图6.4 (a)，为分析方便起见，设BJT是理想的，两管完全对称，其导通电压UBE=O， 饱和压降UCES=O。则放大器的最大输出电压振幅为VCC，最大输出电流振幅为Vcc/RL在输出不失真时始终有ui=uo。 (1)输出功率Po 设输出电压的幅值为Uom,有效值为Uo；输出电流的幅值为Iom，有效值

9、为IO。则 （6.4）当输入信号足够大，使 时，可得最大输出功率 (6.5 ) (2)管耗PVT 由于VT1和VT2在一个信号周期内均为半周导通，因此VT1的管耗为 (6.6 ) 显然， VT2的管耗为PVT2=PVTl,则两管的总管耗为 (6.7 ) （3）直流电源供给的功率Pv 显然，直流电源供给的功率Pv应为输出功率P。与损耗功率PVT之和，即 (6.8 ) 显然，当Ui=O即无输入信号时， Uom = 0， Po， PVT和Pv均为0。 当输出电压幅值达到最大，即Uom VCC时，得电源供给的最大功率为 (6.9 ) (4)效率 ( 6.10 ) 当UomVcc时，效率达最大 这个结论

10、是假定互补对称电路工作在乙类，且负载电阻为理想值，忽略管子的饱和压降 UCES和输入信号足够大(UimUomVcc)的情况下得来的，实际效率比这个数值要低些。 （第一次课）3. 基本互补对称电路最大管耗的仿真测试按P221的测试程序完成表6.2各项4.最大管耗和最大输出功率的关系通常，当输出功率较大时，管耗也较大，但当输出功率为最大时，管耗是否也为最大？因为管耗PVT1是Uom的二次函数，存在极值。对式（6.6）求导可得 令dPVT1/dUom =0，则 (6.12) 式(6.12)表明，当Uom=Vcc 时具有最大管耗，即 (6.13)而最大输出功率Pom=（1/2）Vcc2/RL ，则每管

11、的最大管耗和电路的最大输出功率具有如下的关系 (6.14) 式(6.14)常用来作为乙类互补对称电路选择管子的依据，例如，如果要求输出功率为lOW，则只要用两个额定管耗大于2W的管子就可以了。 需要指出的是，上面的计算是在理想情况下进行的，实际上在选管子的额定功耗时，还要留有充分的余地。 最后，再来补充讨论最大输出时所对应的管耗。当UomVCC时，由式(6.6)可得 (6.15) 显然，该结果不是最大管耗，不能直接作为功率管极限参数选择的依据。 5.功率BJT的选择 综上所述，在选择功率BJT时，必须考虑以下几点。 每只BJT的最大允许管耗PCM必须大于实际工作时的PVT1m。 当VT2导通时

12、，UCE2 0 ，此时UCElm具有最大值，且等于2VCC因此，应选用击穿电压VBR，CE0 2VCC的BJT 通过BJT的最大集电极电流为VCC/RL ，选择BJT的最大允许的集电极电流ICM一般不宜低于此值。例6.1功放电路如图6.4 (a)所示，设VCC=24V， RL=8， BJT的极限参数Icm=4.5A，VBR，CE0 =75v， Pcm=10W，试求：最大输出功率Pom及最大输出时的PV、PVT1值，并检验所给BJT是否能安全工作?放大电路在=0.65时的输出功率P0的值。 解:求Pom,并检验BJT的安全工作情况。 由式(6.5)可求出 而通过BJT的最大集电极电流， BJT的

13、c，e极间的最大压降和它的最大管耗分别为 所求icm， UCEm和PVT1m均分别小于极限参数ICM ， 和PCM,故BJT能安全工作。 求=0.65时的P0值。 由式(6.10)可求出 则 五、甲乙类互补对称功率放大电路 前面所讨论的乙类互补对称电路如图6.9 (a)所示在实际应用中还存在一些缺陷， 主要是BJT没有直流偏置电流，因此只有当输入电压大于BJT导通电压(硅管约为0.7V， 错管约为0.2V)时才有输出电流，当输入信号ui低于这个数值时， VT1和VT2都截止， iC1 和iC2基本为零，负载RL上无电流通过，出现一段死区，如图6.9 (b)所示。这种现象称为交越失真。解决这一问

14、题的办法就是预先给BJT提供一较小的基极偏置电流，使BJT在静态时处于微弱导通状态，即甲乙类状态。 （1）甲乙类双电源互补对称电路 如图6.10所示为采用二极管作为偏置电路的甲乙类双电源互补对称电路。图6.10用二极管偏置的互补对称电路该电路中，VD1, VD2上产生的压降为互补输出级VT1、VT2提供了一个适当的偏压，使之处于微导通的甲乙类状态，且在电路对称时，仍可保持负载RL上的直流电压为0；而VD1、VD2导通后的交流电阻也较小，对放大器的线性放大影响很小。工作原理：甲乙类互补对称电路失真的仿真测试：采用二极管作为偏置电路的缺点是偏置电压不易调整。为了克服交越失真往往在两个二极管上串联一

15、个小电阻，例如上图中的R5即是。不接R5就有交越失真，接了R5失真不见了。如图6.11所示为利用恒压源电路（也叫电压倍增电路）进行偏置的甲乙类互补对称电路。图6.11用恒压源电路偏量的互补对称电路该电路中，由于流入VT4的基极电流远小于流过R1、R2的电流，因此可求出为VT1、VT2提供偏压的VT4管的UCES=（1+R1/R2）UBE4，而VT4管的UBE4基本为一固定值，即UCE4相当于一个不受交流信号影响的恒定电压源，只要适当调节R1，R2的比值，就可改变VT1， VT2的偏压值，这是集成电路中经常采用的一种方法。 (2)甲乙类单电源互补对称电路 （OTL功放）在有些要求不高而又希望电路

16、简化的场合，可以考虑采用一个电源的互补对称电路，如 图6.12所示。图6.12单电源互补对称电路该电路中，C为大电容，正常工作时，可使N点直流电位UN =Vcc/2，而大电容C对交流近似短路，因此C上的电压ucUC=UN=Vcc/2。当信号ui输入时，由于VT3组成的前置放大级具有倒相作用，因此，在信号的负半周， VT1导电，信号电流流过负载RL，同时向C充电；在信号的正半周， VT2导电，则己充电的C起着双电源电路中的-VCC的作用， 通过负载RL放电并产生相应的信号电流。即只要选择的时间常数RLC足够大(远大于信号的最大周期)，单电源电路就可以达到与双电源电路基本相同的效果。 那么，如何使

17、N点得到稳定的直流电压UN =VCC/2，在该电路中，VT3管的上偏置电阻R2的一端与N点而不是与M点相连，即引入了直流负反馈，因此只要适当选择R1、R2的阻值，就可以使N点直流电压稳定并容易得到UN=VCC/2。值得指出， Rl、R2还引入了交流负反馈，使放大电路的动态性能指标得到了改善。 需要特别指出的是，采用单电源的互补对称电路，由于每个管子的工作电压不是原来的 VCC，而是VCC/2 （输出电压最大也只能达到约VCC/2)，所以前面导出的计算Po、PVT、PV 和PVTm的公式中的VCC要以VCC/2代替。 甲乙类单电源互补对称电路 （OTL功放）的仿真测试：仿真结果表明，当不失真输出

18、电压幅度最大时，测功放管2N2923和2N3906的直流压降VCE不相等，大约有2伏的差别；如果适当选择R3、R4的阻值，将中点电压调在1/2VCC，哪么输出电压幅度最大时就出现了饱和失真，原因在推动级和功放级的偏置电阻选得不合理、功放管2N2923和2N3906的值不同，所以，功放管要求配对就是这个道理。下面再仿真测试一下功放管2N2923和2N3906的值：这里IB的递增量为20A，从输出特性曲线图上可以看出第五条曲线对应的IC约为15mA，即该管的约为150倍；或者由两只万用表的读数也能求出值为150左右。即该管的约为180倍如果将原OTL电路的元件做一些调整，效果就好得多，看下面的仿真

19、：（第二次课）利用实验箱等设备做一做1.按图连接电路2.静态工作点的测试和电路测试 按图连接实验电路，输人端不加信号(Ui=O)，电位器Rp置中间位置。接通+5V 电源，用手触摸输出级管子，若电流过大，或管子温升显著，应立即断开电源检查原因。如无异常现象，可开始调试。 (1)调节输出端中点电位VM 调节电位器Rp，用万用表测量M点电位，使VM =1/2Vcc，测量此时的静态工作点，测量结果记人表1中。 表1测试点VelVblVclVe2Vb2Vc2Ve3Vb3Vc3测量值(2)测量最大不失真输出功率与效率。(a)测量Pom 输入f=1kHZ的正弦信号ui输出端用示波器观察输出电压Uo波形。逐渐

20、增大ui， 使输出电压达到最大不失真输出，用交流毫伏表测出负载RL上的电压Uom则最大不失真 功率Pom = UO2/RL,测量与计算结果记入表2中 (b)测量效率当输出电压为最大不失真输出时，读出万用表中的电流值，此电流即为直流电源供给的平均电流Idc(有一定误差)，由此可近似求得电源功率PE=VCCIdc，再根据上面测得的Pom,即 可求出效率=POM/PE，测量与计算结果记入表2。表2测量最大不失真功率Pom测量效率RL=5.1KRL=8RL=5.1KRL=8VOPomVOPomIdcIdc(3)改变电源电压(例如由+5V变为+12V)，测量并比较输出功率和效率。 (4)比较放大器在带5

21、.1 K和8 (扬声器)时的功耗和效率。3.实验报告 (1)分析实验结果，计算实验内容要求的参数。 (2)总结功率放大电路的特点及测量方法。 六、集成功率放大器 随着线性集成电路的发展，集成功率放大器的应用也日益广泛。集成功率放大器的种类繁多，额定输出功率从几瓦至几百瓦不等。 如图6.13所示为SHM1l50II型集成功率放大器，属于BiMOS （BJT-MOSFET组合型集成功率放大器，图6.13 (a)为其内部电路，图6.13 (b)为其外部应用电路图。由图6.13 (a)可见，该电路中， VT1，VT2组成差动输入级，其电路形式为单端输入-双端输出结构。 VT1管的输出与VT5的基极相连

22、; VT2管的输出经VT4， R8组成的电压跟随器的缓冲放大与 VT5的发射极相连，这里插入电压跟随器的目的是为了克服发射极输入时的等效阻抗太低的缺点。VT5则以电流源I2作为有源负载构成了高增益的中间放大级，同时该电路形式为最简单的双端输入-单端输出结构。VT7， VT8构成互补对称电路作为驱动级，用于驱动功率型 MOSFET (VMOS管，见6.5.2节) VT9和VTIO构成的输出级。 VT6，R9，RIO组成恒压源电路，其作用是为VT7，VT8提供适当的直流偏置，以防止VT9，VTIO 产生交越失真。 Rf和R2构成反馈网络，并引入电压串联负反馈，从而可达到稳定增益和静态工作点的目的。

23、SHM1150II型电路由于输出级采用了VMOS管，使输出功率得到很大提高。如图6.13（b) 所示为其基本应用电路，该电路可在士12-50V电压下正常工作，电路的最大输出功率可达 150W。 七、功率器件 (1)功率BJT 如图6.14所示为典型的功率BJT的外形示意图。为保证功率BJT散热良好，通常BJT有一个大面积的集电结，并与热传导性能良好的金属外壳保持紧密接触。在很多实际应用中，还要在金属外亮上再加装散热片，甚至在机箱内功率管附近安装冷却装置，如电风扇等。 功率BJT的热击穿。在功率放大电路中，给负载输送功率的同时，管子本身也要消耗一部分功率，这部分功率主要消耗在BJT的集电结上(因

24、为集电结上的电压最高，一般可 达几伏到几十伏以上，而发射结上的电压只有零点几伏)，并转化为热量使管子的结温升高。 当结温升高到一定程度(锗管一般约为90C，硅管约为150C)以后，就会使管子因过热击穿而永久性损坏，因而输出功率受到管子允许的最大管耗的限制。值得注意的是，管子允许的功耗与管子的散热情况有密切的关系。如果采取适当的散热措施，就有可能充分发挥管子的潜力，增加功率管的输出功率，反之，就有可能使BJT由于结温升高而被损坏。所以解决好功率BJT的散热问题，对于提高功率放大器的整机性能具有重要的意义。 功率BJT的二次击穿。在实际工作中，常发现功率BJT的功耗并未超过允许的PCM 值，管子本

25、身的温度也并不高(不烫手)，但功率BJT却突然失效或者性能显著下降。这种损坏的原因，有可能是由于二次击穿所造成的。下面就二次击穿问题进行简单介绍。 二次击穿现象:二次击穿现象可以用图6.15来说明。当集电极电压UCE逐渐增加时，首 先出现一次击穿现象，如图6.15中AB段所示，这种击穿就是正常的雪崩击穿。当击穿出现时，只要适当限制功率BJT的电流(或功耗)，且进入击穿的时间不长，功率BJT并不会损坏。所以一次击穿(雪崩击穿具有可逆性。一次击穿出现后，如果继续增大ic到某数值， BJT的工作状态将以毫秒级甚至微秒级的速度移向低电压大电流区，如图6.15中BC段所示， BC段相当于二次击穿。二次击

26、穿的结果也是一种永久性损坏。 二次击穿是怎样产生的：产生二次击穿的原因至今尚不完全清楚。一般来说，二次击穿是一种与电流、电压、功率和结温都有关系的效应。多数认为它的物理过程是由于流过BJT结面的电流不均匀，造成结面局部高温(称为热斑)，因而产生热击穿所致。这与BJT的制造工艺有关。BJT的二次击穿特性对功率管，特别是外延型功率管，在运用性能的恶化和损坏方面起着重要影响，因此在电路设计参数选择时必须考虑二次击穿的因素。 功率BJT的安全工作区。为了保证功率管安全工作，主要应考虑功率BJT的极限工作条件的限制，这些条件有集电极允许的最大电流ICM、集电极允许的最大电压UBR，CEO和集电极允许的最

27、大功耗PCM等，另外还有二次击穿的临界条件。如图6.16阴影线内所示为功率BJT的安全工作区。显然，考虑了二次击穿以后，功率 BJT的安全工作范围变小了。 需要指出的是，为保证功率BJT工作时的安全可靠，实际工作时的电压、电流、功耗、结温等各变量最大值不应超过相应的最大允许极限值的50%-80%。 (2)功率MOSFET 功率MOSFET的结构剖面图如图所示。它以N+型衬底作为漏极，在其上有一层 N- 型外延层，然后在外延层上掺杂形成一个P型层和一个N+ 型层源极区，最后利用光刻的方法沿垂直方向刻出一个V形槽，在V形槽表面有一层二氧化硅井覆盖一层金属铝，形成栅极。当栅极加正电压时，靠近栅极V形

28、槽下面的P型半导体将形成一个N型反型层导电沟道。可见，自由电子沿导电沟道由源极到漏极的运动是纵向的，它与第3章介绍的 载流子是横向从源极流到漏极的小功率MOSFET不同。因此，这种器件被命名为VMOSFET (简称VMOS管)。 由于VMOS管的漏区面积大，因此有利于利用散热片散去器件内部耗散的功率。同时沟道长度(当栅极加正电压时在V形槽下P型层部分形成)可以做得很短(如 1.5m)，且沟道间又呈并联关系(根据需要可并联多个)，故允许流过的电流ID很大。此外，利用现代半导体制造工艺，使VMOS管靠近栅极处形成一个低浓度的N-外延层，当漏极与栅极间的反向电压形成耗尽区时，这一耗尽区主要出现在N-

29、外延区，N-区的正离子密度低， 电场强度低，因而有较高的击穿电压。这些都有利于用VMOS制成大功率器件。目前制成的 VMOS产品，耐压达1000V以上，最大连续电流值高达200A。 与功率BJT相比， VMOS器件具有以下优点。 与MOS器件一样是电压控制电路器件，输入电阻极高，因此所需驱动电流极小，功率增益高。 在放大区，其转移特性几乎是线性的， gm基本为常数。 因为漏源电阻温度系数为正，当器件温度上升时，电流受到限制，所以VMOS不可能有热击穿，因而不会出现二次击穿，温度稳定性高。 因无少子存储问题，加上极间电容小， VMOS的开关速度快，工作频率高，可用于高频电路(其f600MHz)或

30、开关式稳压电源等。 VMOS器件还有其他一些优点，如导通电阻rDS，ON3。目前在VMOSFET的基础上又研制出双扩散VMOSFET，或称DMOS器件，这是新的发展方向之一。 （3）功率模块 这里所讨论的功率模块是指由若干BJT， MOSFET或BiFET (BJT - FET组合器件)组合而成的功率部件。这种功率模块近年来发展很快，己成为半导体器件的一支生力军。它的突出特点是:大电流、低功耗，电压、电流范围宽，电压高达1200V，电流高达400A。它现在己广泛用于不间断电源(UPS)、各种类型的电机控制驱动、大功率开关、医疗设备、换能器、音频功放等。 MOS场效应晶体管使用注意事项。MOS场

31、效应晶体管在使用时应注意分类，不能随意互换。MOS场效应晶体管由于输入阻抗高（包括MOS集成电路）极易被静电击穿，使用时应注意以下规则：（1）MOS器件出厂时通常装在黑色的导电泡沫塑料袋中，切勿自行随便拿个塑料袋装。也可用细铜线把各个引脚连接在一起，或用锡纸包装（2）取出的MOS器件不能在塑料板上滑动，应用金属盘来盛放待用器件。（3）焊接用的电烙铁必须良好接地。（4）在焊接前应把电路板的电源线与地线短接，再MOS器件焊接完成后在分开。（5）MOS器件各引脚的焊接顺序是漏极、源极、栅极。拆机时顺序相反。（6）电路板在装机之前，要用接地的线夹子去碰一下机器的各接线端子，再把电路板接上去。（7）MOS场效应晶体管的栅极在允许条件下，最好接入保护二极管。在检修电路时应注意查证原有的保护二极管是否损坏。 （第三次课）P6M2 略18