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1、模拟电子技术基础功率放大电路的安全运行最新9.3 功率放大电路的安全运行 在功率放大电路中，功放管既要流过大电流，又要承受高电压。只有功放管不超过其极限值，电路才能正常工作。因此，所谓功率放大电路的安全运行，实际上就是要保证功放管的安全工作。在实用电路中，常加保护措施，以防止功放管过电压、过电流和过功耗。一、功放管的二次击穿二、功放管的散热问题功率放大电路的安全运行最新一、功放管的二次击穿1、二次击穿现象 在实际工作中，常发现功率晶体管的功耗并未超过允许的PCM值，管身也并不烫，但功率晶体管却突然失效或者性能显著下降。这种损坏的的原因，不少是由于二次击穿所造成的。那么什么叫二次击穿呢？它产生的
2、原因又是什么呢？应当如何防止呢？这些问题很值得研究和讨论。 从晶体管的输出特性可知，对于某一条输出特性曲线，当ce之间电压增大到一定数值时，晶体管将产生击穿现象；而且，IB愈大，击穿电压愈低，称这种击穿为“一次击穿”。 功率放大电路的安全运行最新 晶体管在一次击穿后，集电极电流会骤然增大，若不加以限制，则晶体管的工作点变化到临界点A时，工作点将以毫秒甚至微秒级的高速度从A点到B点，此时电流猛增，而管压降却减小，如下图所示，称为“二次击穿”。晶体管经过二次击穿后，性能将明显下降，甚至造成永久性损坏。功率放大电路的安全运行最新 IB不同时二次击穿的临界点不同，将它们连接起来，便得到二次击穿临界曲线
3、，简称为 SB曲线，如下图所示。功率放大电路的安全运行最新2、二次击穿是怎样产生的 产生二次击穿的原因至今尚不清楚。一般说来，二次击穿是一种与电流、电压、功率和结温都有关系的效应。它的物理过程多数人认为是由于流过晶体管结面的电流不均匀，造成结面局部高温（称为热斑），因而产生热击穿所致。这与晶体管的制造工艺有关。功率放大电路的安全运行最新3、如何防止二次击穿 晶体管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。为了保证功率管安全工作，必须考虑二次击穿的因素。因此，功率管的安全工作区，不仅受集电极允许的最大电流ICM、集电极允许的最大电压V（BR）CE和集电极
4、允许的最大功耗PCM所限制，而且还受二次击穿临界曲线所限制，其安全工作区如下图虚线内所示。显然，考虑了二次击穿以后，功率晶体管的安全工作范围变小了。 功率放大电路的安全运行最新 从二次击穿产生的过程可知，防止晶体管的一次击穿，并限制其集电极电流，就可避免二次击穿。功率放大电路的安全运行最新二、功放管的散热问题 功放管损坏的重要原因是其实际耗散功率超过额定数值PCM。而晶体管的耗散功率取决于管子内部的 PN结（主要是集电结）温度 Tj，当 Tj超过允许值后，集电极电流将急剧增大而烧坏管子。 硅管的结温允许值为120180，锗管的结温允许值为85左右。耗散功率等于结温在允许值时集电极电流与管压降之
5、积。 管子的功耗愈大，结温愈高。因而改善功放管的散热条件，可以在同样的结温下提高集电极最大耗散功率PCM ，也就可以提高输出功率。功率放大电路的安全运行最新二、功放管的散热问题1、热阻的概念 热的传导路径，称为热路。阻碍热传导的阻力称为热阻。真空不易传热，即热阻大；金属的传热性好，即热阻小。 在晶体管中，管子上的电压降大部分都降在集电结上，它和流过集电结的电流造成集电极功率损耗，使管子发热。这个热量要从管芯向外传递。设结温为Tj ，环境温度为Ta ，则温差T（= Tj Ta ）与集电结耗散功率PC成正比，比例系数称为热阻尼，即功率放大电路的安全运行最新 可见，热阻尼是传递单位功率时所产生的温差
6、，单位为W。RT愈大，表明相同温差下能够散发的热能愈小。换言之， RT愈大，表明同样的功耗下结温愈高。可见，热阻是衡量晶体管散热能力的一个重要参数。 当晶体管结温达到最大允许值TjM时，集电结功耗也达到PCM ，若环境温度为Ta ，则式中，若管子的型号确定，则TjM也就确定， Ta常以25为基准，因而要想增大PCM，必须减小RT 。功率放大电路的安全运行最新2、热阻的估算 以晶体管为例，管芯（J）向环境（A）散热的途径有两条：管芯（J）到外壳（C），再经外壳到环境；或者管芯（ J ）到外壳（C），再经散热片（S）到环境。即JC A或J C S A，如下图所示。功率放大电路的安全运行最新 设JC
7、间热阻为RjC ，CA间热阻为RCa ，CS间热阻为RCS ，SA间热阻为Rsa ，则反映晶体管散热情况的热阻模型如下图所示。 在小功率放大电路中，放大管一般不加散热器，故晶体管的等效热阻为 RT=RjC+Rca 在大功率放大电路中，功放管一般均要加散热器，且RCS+RSaRCa，故 RT RjC+RCS+RSa功率放大电路的安全运行最新 不同型号的管子RjC不同，如 3AD30的RjC为 1/W，而 3DG7的RjC却大于150W，可见其差别很大。 RCa与外壳所用材料和几何尺寸有关，如大功率管3AD30的RCa为 30 CW，而小功率管 3DG7的RCa为 150W。 上式中RCS既取决于
8、晶体管和散热器之间是否加绝缘层（如聚乙烯薄膜、0.050.lmm的云母片），又取决于二者之间的接触面积和压紧程度。 RSa与散热器所用材料及其表面积大小、厚薄、颜色，和散热片的安装位置等因素紧密相关。功率放大电路的安全运行最新3、功放管的散热器 两种散热器如下图所示。功率放大电路的安全运行最新 经验表明，当散热器垂直或水平放置时，有利于通风，故散热效果较好。 散热器表面钝化涂黑，有利于热辐射，从而可以减小热阻。 在产品手册中给出的最大集电极耗散功率是在指定散热器（材料、尺寸等）及一定环境温度下的允许值；若改善散热条件，如加大散热器、用电风扇强制风冷，则可获得更大一些的耗散功率。功率放大电路的安
9、全运行最新9.4 集成功率放大电路 OTL、OCL和BTL电路均有各种不同输出功率和不同电压增益的多种型号的集成电路。应当注意，在使用OTL电路时，需外接输出电容。为了改善频率特性，减小非线性失真，很多电路内部还引入深度负反馈。本节以低频功放为例，讲述集成功放的电路组成、工作原理、主要性能指标和典型应用。一、集成功率放大电路分析二、集成功率放大电路的主要性能指标三、集成功率放大电路的应用功率放大电路的安全运行最新一、集成功率放大电路分析 LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。 1、LM386内
10、部电路 LM386内部电路原理图如下图所示。功率放大电路的安全运行最新 与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路，如点划线所划分。功率放大电路的安全运行最新 第一级为差分放大电路，T1和T3 、 T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管； T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；信号从T3和T4管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。 根据第三章关于镜像电流源作为差分放大电路有源负载的分析可知，它可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电路的增益。 第二级为共射放大电路， T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。 第三级中的T8和T9管复合
11、成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。功率放大电路的安全运行最新 利用瞬时极性法可以判断出，引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。电路由单电源供电，故为 OTL电路。输出端（引脚 5）应外接输出电容后再接负载。 电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。功率放大电路的安全运行最新2、LM386的电压放大倍数 当引脚1和8之间开路时，由于在交流通路中T1管发射极近似为地， R5和R6上的动态电压为反馈电压，近似等于同相输入端的
12、输入电压。即为二分之一差模输入电压，于是可写出表达式为功率放大电路的安全运行最新功率放大电路的安全运行最新功率放大电路的安全运行最新 所以，当引脚1和8之间外接不同阻值的电阻时，Au的调节范围为 20200，因而增益 20lg| Au |约为 2646 dB。功率放大电路的安全运行最新 实际上，在引脚1和5（即输出瑞）之间外接电阻也可改变电路的电压放大倍数。若外接电阻为R，则 应当指出，在引脚1和8（或者1和5）外接电阻时，应只改变交流通路，所以必须在外接电阻回路中串联一个大容量电容。功率放大电路的安全运行最新3、LM386的引脚图 LM386的外形和引脚的排列如下图所示。引脚2为反相输人端，
13、3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取 10 F。功率放大电路的安全运行最新二、集成功率放大电路的主要性能指标 集成功率放大电路的主要性能指标除最大输出功率外，还有电源电压范围、电源静态电流、电压增益、频带宽、输入阻抗、输入偏置电流、总谐波失真等。 LM3861和 LM3863的电源电压为 412 V，LM3864的电源电压为518 V。因此，对于同一负载，当电源电压不同时，最大输出功率的数值将不同；当然，对于同一电源电压，当负载不同时，最大输出功率的数值也将不同。 已知电源的静态电流（可查阅手册）和负载电
14、流最大值（通过最大输出功率和负载可求出），可求出电源的功耗，从而得到转换效率。功率放大电路的安全运行最新几种典型产品的性能如下表所示。 表中所示电压增益均在信号频率为l KHz条件下测试所得。应当指出，表中所示均为典型数据，使用时应进一步查阅手册，以便获得更确切的数据。功率放大电路的安全运行最新三、集成功率放大电路的应用1、集成OTL电路的应用 下图所示为LM386的一种基本用法，也是外接元件最少的一种用法，Cl为输出电容。由于引脚 1和 8开路，集成功放的电压增益为 26 dB，即电压放大倍数为20。利用RW可调节扬声器的音量。R和C2串联构成校正网络用来进行相位补偿。功率放大电路的安全运行
15、最新 静态时输出电容上电压为VCC2，LM386的最大不失真输出电压的峰一峰值约为电源电压VCC 。设负载电阻为RL，最大输出功率表达式为此时的输入电压有效值的表达式为当VCC=16V，RL=32时，Pom1W，Uim 283mV。功率放大电路的安全运行最新 下图所示为LM386电压增益最大时的用法 C3使引脚1和8在交流通路中短路，使Au200；C4为旁路电容；C5为去耦电容，滤掉电源的高频交流成分。当VCC=16V，RL=32时， Pom仍约为1w；但是，输入电压的有效值Uim却仅需28.3 mV。功率放大电路的安全运行最新 下图所示为LM386的一般用法，用R2改变LM386的电压增益功
16、率放大电路的安全运行最新2、集成OCL电路的应用 右图所示为TDA1521的基本用法。TDA1521为2通道OCL电路，可作为立体声扩音机左、右两个声道的功放。其内部引入了深度电压串联负反馈，闭环电压增益为 30 dB，并具有待机、静噪功能以及短路和过热保护等。功率放大电路的安全运行最新 查阅手册可知，当 Vcc= 16 V，RL 8时，若要求总谐波失真为0 .5%，则Pom12 W。由于最大输出功率的表达式为 可得最大不失真输出电压 Uom9.8 V，其峰值约为 13.9 V，可见功放输出级的最小管压降约为 2.1V。当输出功率为Pom时，输入电压有效值 Uim 327mV 。功率放大电路的
17、安全运行最新3、集成BTL电路的应用 TDA1556为2通道BTL电路，与TDA1521相同，也可作为立体声扩音机左右两个声道的功放，下图所示为其基本用法，两个通道的组成完全相同。TDA1556内部具有待机、净噪功能，并有短路、电压反向、过电压、过热和扬声器保护等。功率放大电路的安全运行最新 TDA 1556内部的每个放大电路的电压放大倍数均为10，当输入电压为uI时，A1的净输入电压uI1uP1-uP2uI，uO1Au1uI； A2的净输入电压uI2uP2uP1-uI ， uO2-Au2uI ；因此，电压放大倍数电压增益 20lgAu26 dB。功率放大电路的安全运行最新 为了使最大不失真输
18、出电压的峰值接近电源电压VCC，静态时，应设置放大电路的同相输入端和反相输入端电位均为VCC/2，输出端电位也为VCC/2，因此内部提供的基准电压UREF为VCC/2。 当uI由零逐渐增大时， uO1从VCC/2逐渐增大， uO2从VCC/2逐渐减小；当uI增大到峰值时， uO1达到最大值， uO2达到最小值，负载上电压可接近+VCC。 同理，当uI由零逐渐减小时， uO1和uO2的变化与上述过程相反；当uI减小到负峰值时， uO1达到最小值， uO2达到最大值，负载上电压可接近-VCC 。因此，最大不失真输出电压的峰值可接近电源电压VCC 。功率放大电路的安全运行最新 查阅手册可知，当VCC14.4V、RL4时，若总谐波失真为10，则Pom22 W。最大不失真输出电压 Uom 9. 8 V，其峰值约为 13. 3 V，因而内部放大电路输出级的最小管压降约为1.1V。为了减小非线性失真，应增大内部放大电路输出级的管压降，当然势必减小电路的最大输出功率。功率放大电路的安全运行最新作业P500 9.18, 9.19, 9.20功率放大电路的安全运行最新休息功率放大电路的安全运行最新功率放大电路的安全运行最新
