如何提高集成功率放大器的效率？

知识储备

1.集成功率放大器的种类

集成功率放大器是在集成运放基础上发展起来的，其内部电路与集成运放相似。但是，由于其安全、高效、大功率和低失真的要求，使得它与集成运放又有很大的不同。电路内部多施加深度负反馈。

由于集成功率放大器使用和调试方便、体积小、重量轻、成本低、温度稳定性好、功耗低、电源利用率高、失真小，并具有过流保护、过热保护、过压保护及自启动、消噪等功能，所以使用非常广泛。集成功率放大器广泛应用于收录机、电视机、开关功率电路、伺服放大电路中，输出功率由几百毫瓦到几十瓦。

集成功率放大器的种类很多。根据它的制造工艺分为薄膜混合集成功率放大器和厚膜集成功率放大器；按芯片内部的电路构成分为单通道功率放大器和双通道功率放大器；按频率可以分为高频功率放大器和低频功率放大器；按照使用场合可以分为通用型和专用型两大类，通用型是指可以应用多种场合的功率放大器，专用型是指只用于某种特定场合的功率放大器，如电视机、音响设备等集成功率放大器。

2.集成功率放大器芯片

集成功率放大器芯片和集成运放一样，对于不同规格、型号的集成功率放大器，其内部组成电路千差万别。但其内部总体上主要包括前置级、中间级、输出级、偏置电路四部分电路。本任务以LM 386、TDA2030、LA4100等单片集成音频功率放大器为例，介绍其主要参数和典型应用电路。

下面先对LM386集成功率放大器作一个简单的介绍。

LM386是一种小功率通用型集成功率放大器，其特点是电源电压范围宽（5～18 V）、频带宽（300 kHz）、功耗低（常温下是660 mW）。此外，电路的外接元件少，应用时不必加散热片，因而被广泛应用于通信设备、音响设备和信号发生器等方面。

LM386引脚功能及排列如图4.45所示，采用8脚双列直插式封装。LM386有两个信号输入端，2脚为反相输入端，3脚为同相输入端；每个输入端的输入阻抗均为50 kΩ，而且输入端对地的直流电位接近于零，即使输入端对地短路，输出端直流电平也不会产生大的偏离。

3.LM386集成功率放大器及其应用

1）LM386的内部原理电路

LM386内部电路简图如图4.46所示。

图4.45　LM386外形及引脚功能

（a）外形；（b）管脚排列

图4.46　LM386内部电路简图

三极管VT1和VT2、VT3和VT4构成复合管差动输入级，VT5、VT6构成的镜像恒流源作为差放有源负载以提高单端输出时差动放大器的放大倍数。输入级的单端输出信号送给由VT7组成的中间级进行电压放大，中间级也采用恒流源I7作负载以提高增益。由三极管VT8、VT9、VT10和二极管VD1、VD2组成通常的互补对称输出级，其中VT8和VT10组成PNP型复合管，弥补集成电路中PNP管的电流放大系数较低的问题。输出级由VT8～VT10组成准互补推挽功放，其中VD1、VD2组成功放的偏置电路以消除交越失真。

从图4.46可以看出，引脚1和8为增益控制端，当引脚1、8脚间外接电阻R时，则该电路的电压增益为

当引脚1、8脚间外接电容C，即对交流信号相当于短路时，有

当引脚1、8脚间开路时，有

图4.47　LM386组成的OTL功率放大电路

所以，当引脚1、8脚间外接不同阻值电阻及电容串联支路时，Au的调节范围为20～200（26～46 dB）。

2）LM386典型应用电路

用LM386组成的OTL功放电路如图4.47所示，交流输入信号加在LM386的同相输入端，反相输入端接地。输出端通过一个大耦合电容C4（220 μF）接到负载电阻（扬声器）上，6脚接直流电源VCC，4脚接地，此时LM386组成OTL互补对称电路。

7脚所接电容C2为去耦滤波（旁路）电容。1脚与8脚所接电容、电阻是用于调节电路的闭环电压增益，电容取值为10 μF，电阻R2在0～20 kΩ范围内取值；改变电阻值，可使集成功放的电压放大倍数在20～200之间变化，R2值越小，电压增益越大。当需要高增益时，可取R2=0，只将一只10 μF电容接在1脚与8脚之间即可。

由于扬声器为感性负载，容易使电路产生自激振荡或过压，损坏集成块，故输出端5脚所接10 Ω电阻R3和0.1μF电容C3组成阻抗校正网络，抵消负载中的感抗分量，防止电路自激，有时也可省去不用。该电路如用作收音机的功放电路，输入端接收音机检波电路的输出端即可。

4.TDA2030A集成功率放大器及其应用

1）TDA2030A的引脚排列和内部电路

TDA2030A是目前使用较为广泛的一种集成功率放大器，与性能类似的其他功放相比，它的引脚和外部元件都较少。TDA2030A外形如图4.48所示，采用5脚封装。其应用比较灵活，既可以采用双电源供电构成OCL电路，也可以采用单电源供电构成OTL电路。

图4.48　TDA2030A的外形及引脚排列

（a）外形；（b）引脚排列

TDA2030A的电器性能稳定，能适应长时间连续工作，内部集成了过载保护和热切断保护电路。其金属外壳与负电源引脚相连，所以在单电源使用时，金属外壳可直接固定在散热片上并与地线（金属机箱）相接，无须绝缘，使用很方便。

TDA2030A的内部电路如图4.49所示。

图4.49　TDA2030A集成功放的内部电路

TDA2030A适用于收录机和有源音箱中，作音频功率放大器，也可作其他电子设备中的功率放大。因其内部采用的是直接耦合，也可作直流放大。其主要性能指标如下。

（1）电源电压VCC为±3～±18 V。

（2）输出峰值电流为3.5A。

（3）输入电阻＞0.5MΩ。

（4）静态电流＜60 mA（测试条件：VCC=±18 V）。

（5）电压增益为30 dB。

（6）频响BW为0～140 kHz。

（7）谐波失真THD＜0.5%。

（8）在电源为±15 V、RL=4 Ω时输出功率为14 W。

2）TDA2030A集成功放的典型应用电路

（1）双电源（OCL）应用电路。

图4.50所示电路是双电源时TDA2030A的典型应用电路。信号ui由同相端输入，R1、R2、C2构成交流电压串联负反馈，因此闭环电压放大倍数为

输入信号由C1耦合到TDA2030A的1脚，R3为输入端的直流平衡电阻，保证输入级的偏置电流相等，选择R3=R1，经集成电路内部的放大，由4脚输出的信号送至扬声器负载。

C3、C5为电源低频去耦电容，C4、C6为电源高频去耦电容，用于减少电源内阻对交流信号的影响。

R4与C7组成阻容吸收网络，用以避免电感性负载产生过电压击穿芯片内功率管。同时VD1、VD2为保护二极管，组成输出电压限幅电路，用来泄放负载RL产生的感生电压，防止输出电压过大，将输出端的最大电压钳位在±（VCC+0.7）V范围内。

图4.50　TDA2030A构成的双电源应用电路

（2）单电源（OTL）应用电路。

对仅有一组电源的中、小型录音机的音响系统，可采用图4.51所示的单电源连接方式。由于采用单电源供电，故同相输入端用阻值相同的R1、R2组成分压式电路，使K点电位为VCC/2，通过R3向输入级提供直流偏置。在静态时，同相输入端、反相输入端和输出端皆为VCC/2。其他元件作用与双电源电路相同。

图4.51　TDA2030A构成的单电源应用电路

图4.52　LA4100外形及管脚排列

5.LA4100集成功率放大器及其应用

LA4100是日本三洋公司生产的OTL功放集成电路，我国生产的同一类型产品有DL4100、TB4100、SF4100等，它们的内部电路、外形尺寸、引脚分布均是一致的，在使用中可以互换。该集成功率放大器广泛用于收录机对讲机等小功率电路中。电源电压推荐使用6 V，带负载（扬声器）为4 Ω，输出功率大于1 W。

1）LA4100的引脚排列和内部框图

LA4100引脚分布如图4.52所示。它是带散热片的14脚双列直插式塑料封装，其引脚是从散热片顶部起按逆时针方向依次编号的，各引脚功能如图中标注。

图4.53中虚线框内为LA4100系列单片集成功放内部电路。它由三级直接耦合放大电路和一级互补对称放大电路构成，并由单电源供电，输入及输出均通过耦合电容与信号源和负载相连，是OTL互补对称功率放大电路。

输入级为差动放大电路；激励级为高增益共射放大电路；输出级为复合管构成的准互补对称电路。 因为反馈由输出端直接引至输入端，且放大器的开环增益很高（三级电压放大），整个放大电路为深度负反馈放大器。所以，放大器的闭环电压增益约为1/F，即

图4.53　LA4100内部电路(www.xing528.com)

当信号ui正半周输入时，VT2输出也为正半周，经两级中间放大后，VT7输出仍为正半周，因此VT12、VT13复合管导通，VT8、VT14管截止，在负载RL上获得正半周输出信号；当ui负半周输入时，经过相应的放大过程，在RL上取得负半周输出信号。

2）LA4100集成功放的典型应用

图4.54所示为LA4100功放集成电路组成的互补对称功率放大电路。

图4.54中C1为输入电容；C2、C3为滤波去耦合电容，作用是保证引脚10、12电位稳定；C4、C5为消振电容，其作用为对高频端进行相位补偿，防止电路可能产生的高频振荡，若增大C4、C5，则工作稳定性增加，但高频增益降低；Cf、Rf为闭环负反馈支路，Cf为隔直电容，Rf为负反馈电阻，其阻值大小可根据输入信号大小和对增益的要求选取，一般在27～200 Ω，阻值调小，可降低反馈深度，提高放大倍数；C6为电源滤波电容，作用是滤除电源电压的交流成分；C7为防振电容，其作用是抵消扬声器线圈的影响，使之近于线性电阻，防止高频自激；C8为自举电容，用于自举升压，消除输出波形上部的顶部失真；C9为输出隔直耦合电容，当负载为4 Ω时输出功率为1 W，负载为8 Ω时输出功率为0.5W。

图4.54　LA4100集成功放的典型应用电路

图4.55　LM1875的引脚排列

6.LM1875集成功率放大器及其应用

LM1875是美国国家半导体公司（NS）推出的高保真集成电路，其优越的性能和诱人的音色已被众多发烧友所接受。LM1875采用TO-220封装结构，形如一只中功率三极管，体积小巧，外围电路简单，且输出功率较大（最大不失真功率达30 W）。该集成电路内部设有过载过热及感性负载反向电势安全工作保护，用LM1875做成的音响放大器音域宽广、音色诱人，输出的功率与性能均优于同类的产品，如TDA2030，是中高档音响的理想选择之一。

1）LM1875的引脚排列

LM1875的引脚排列如图4.55所示，其中1脚为同相输入端，2脚为反相输入端，3脚为负电源端，4脚为输出端，5脚为正电源端。

2）LM1875主要参数

（1）电压范围：±16～±60 V。

（2）静态电流：＞50 mA。

（3）输出功率：30 W。

（4）谐波失真：＞0.02%。

（5）额定增益：26 dB。

（6）工作电压：±25 V。

（7）转换速率：18 V/μs。

（8）输出峰值电流：4 A。

3）LM1875的典型应用

用LM1875集成功放构成的OCL电路如图4.56所示，用LM1875集成功放构成的OTL电路如图4.57所示，用LM1875集成功放构成的BTL电路如图4.58所示。

图4.56　LM1875集成功放构成的OCL电路

图4.57　用LM1875集成功放构成的OTL电路

图4.58　用LM1875集成功放构成的BTL电路

自测习题

1.填空

集成功率放大器按频率分，可分为_______________和_______________。

集成功放一般是由前置级、__________、____________和偏置电路组成。

2.分析

查阅集成电路手册画出LM386、TDA2030集成功放的管脚排列图。

3.计算

题3图所示为集成功放TDA2030A典型应用电路，试分析：

（1）构成的是OTL电路还是OCL电路？

（2）指出电路中的反馈通路，并判断反馈极性和组态。

（3）若电路处于深度负反馈，求闭环电压放大倍数？

（4）VCC=16 V，求最大不失真输出功率？

（5）R6、C6的作用是什么？

题3图

自测习题答案