制作集成功率放大电路的方法与步骤

用分立元件设计的功率放大电路音质较好，但电路较复杂、成本相对较高。相对而言，用集成功放芯片组成的功放，电路简洁，成本较分立器件功放低，音质也可以接受。

（1）按电路图正确连接集成功率放大电路，按电路原理调试功放，直至功能正常。

（2）测量集成功率放大电路的电压放大倍数、输出功率。

（3）查阅常用功放的资料。

任务要求

根据电路图完成喊话器的制作、调试和测试。

测试环境

直流稳压电源一台，信号发生器一台，双踪示波器一台，面包板一块，功放芯片一块，话筒、喇叭、电阻和电容等器件若干。

测试电路

测试电路如图5-11 所示。图5-11 中，集成芯片为LM386，驻极体话筒型号为9767，负载采用8Ω、3W 的喇叭。

图5-11　喊话器电路图

测试步骤

（1）按图5-11在面包板上连接电路。话筒和扬声器为外接元件，制作时，先让引脚1、引脚8悬空，话筒位置接信号发生器，输出端接8Ω 的电阻RL。

（2）测量电压放大倍数。将信号发生器的输出频率调至1kHz，幅度最小，用示波器观察输出波形，逐渐调大信号发生器的输出幅度，使输出波形不失真，固定信号发生器的输出，测量功放电路输出电压的峰—峰值，记录测量结果。用示波器测量输入电压的峰—峰值（即信号发生器提供的电压）。将结果记入表5-1中。

（3）在引脚1、引脚8之间接入10μF的电容C3，重复步骤（2），将结果记入表5-1中。

表5-1

（4）将话筒、扬声器接入电路中，对准话筒高低声说话，收听扬声器的声音变化。

一、集成功率放大电路概述

集成功率放大电路大多工作在音频范围，除具有可靠性高、使用方便、性能好、重量轻、造价低等集成电路的一般特点外，还具有功耗小、非线性失真小和温度稳定性好等优点。并且集成功率放大电路内部的各种过流、过压、过热保护齐全，其中很多新型功率放大电路具有通用模块化的特点，被称为 “傻瓜”型集成功放，使用更加方便安全。集成功率放大电路是模拟集成电路的一个重要组成部分，广泛应用于各种电子电气设备中。

从电路结构来看，集成功率放大电路是由集成运放发展而来的，和集成运算放大电路相似，包括前置级、驱动级和功率输出级，以及稳压、过流过压保护等附属电路。除此以外，基于功率放大电路输出功率大的特点，在内部电路的设计上还要满足一些特殊的要求。

集成功率放大电路品种繁多，输出功率从几十毫瓦特至几百瓦特的都有，有些集成功率放大电路既可以双电源供电，又可以单电源供电，还可以接成BTL 电路的形式。从用途上划分，有通用型和专用型功放；从输出功率上划分，有小功率功放和大功率功放等。

二、集成功率放大电路的分析

LM386是一种音频集成功率放大电路，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中。

（一）LM386内部电路

LM386内部电路原理图如图5-12所示。与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路，如点画线所划分区域。

图5-12　LM386内部电路结构

第一级为差分放大电路VT1和VT3、VT2和VT4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；VT5和VT6组成镜像电流源作为VT1和VT2的有源负载；信号从VT3和VT4的基极输入，从VT2的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。

根据项目3中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。

第二级为共射极放大电路，VT7为放大管，恒流源作为有源负载，以增大放大倍数。

第三级中的VT8和VT9复合成PNP型管，与NPN 型管VT10构成准互补输出级。二极管VD1和VD2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。

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，因此为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VT2的发射极，形成反馈通路，并与电阻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。

应当指出的是，在引脚1和引脚8（或者引脚1和引脚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，如图5-12所示。外接不同阻值的电阻时，电压放大倍数的调节范围为20～200，级电压增益的调节范围为26～46dB。

（二）LM386的引脚图

LM386的引脚的排列如图5-13 所示。引脚2 为反相输入端，引脚3 为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和引脚4分别为电源和地；引脚1和引脚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10μF。

图5-13　LM386的引脚排列

三、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。

LM386-1和LM386-3 的电源电压为4～12V，LM386-4 的电源电压为5～18V。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也不同；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不同。已知电源的静态电流（可查阅手册）和负载电流最大值（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。

几种典型集成功率放大电路的性能指标如表5-2所示。

表5-2　几种典型集成功率放大电路的性能指标

表5-2中所示电压增益均在信号频率为1kHz条件下测试所得。应当指出的是，表5-2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。

四、集成功率放大电路LM386的典型应用电路

（一）LM386外接元件最少的用法

图5-14所示为LM386的一种基本用法，也是外接元件最少的一种用法，其中C1为输出电容。由于引脚1和引脚8开路，集成功率放大电路的电压增益为26dB，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。

图5-14　LM386外接元件最少的用法

静态时，输出电容上电压为VCC/2，LM386的最大不失真输出电压的峰-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

此时的输入信号有效值的表达式为

当VCC=16V、RL=32Ω 时，Pom≈1W，Uim≈283mV。

（二）LM386最大电压增益接法

图5-15所示为LM386电压增益最大时的用法。其中，C3使引脚1和引脚8在交流通路中短路，使Au≈200；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=32Ω 时，与图5-15所示电路相同，Pom仍约为1W；但是，输入电压的有效值Uim却仅需28.3mV。

图5-15　LM386最大电压增益用法

（三）LM386的一般接法 (www.xing528.com)

图5-16所示为LM386的一般接法，可以利用R2来改变LM386的电压增益。

图5-16　LM386的一般接法

通过学习本项目内容，读者应重点理解和掌握以下知识。

（1）对功率放大电路的主要要求是能够向负载提供足够的输出功率，同时应有较高的效率和较小的非线性失真。功率放大电路的主要技术指标有最大输出功率Pom和效率η。

（2）按照功放管的工作状态，可以将常用低频功率放大电路分为甲类、乙类和甲乙类3种。其中，甲类功率放大电路的失真小，但效率最低；互补对称的乙类功率放大电路效率最高，理想情况可以达到78.5%，但存在交越失真，所以采用互补对称的甲乙类功率放大电路，既减小了交越失真，也可以获得接近乙类功率放大电路的效率。

（4）集成功放种类繁多，大多工作在音频范围。集成功放有通用型和专用型两种，输出功率从几十毫瓦特至几百瓦特，有些集成功放既可以双电源供电，又可以单电源供电。由于集成功放具有许多突出优点，如温度稳定性好、电源利用率高、功耗较低、非线性失真较小等，因此目前已经得到了广泛的应用。

一、填空题

1.根据三极管导通时间的不同对放大电路进行分类，在输入信号的整个周期内，三极管都导通的称为________类放大电路；只有半个周期导通的称为_________类放大电路；有半个多周期导通的称为_________类放大电路。

2.某乙类双电源互补对称功率放大电路中，电源电压为±24V，负载为8Ω，则选择管子时，要求U（BR）CEO大于_________，ICM大于_________，PCM大于________。

3.乙类互补对称功率放大电路中，由于三极管存在死区电压而导致输出信号在过零点附近出现失真，称为_________。

4.功率放大电路采用甲乙类工作状态是为了克服________，并有较高的________。

5.乙类互补对称功率放大电路的效率比甲类功率放大电路的_________，理想情况下其数值可达________。

6.应用集成功放组成功率放大电路时，若采用_________电源供电，则输出构成OCL电路；若采用________电源供电，则输出构成OTL电路。

7.使用大功率集成功放时，为保证器件使用安全和性能正常，一般应按规定外接________装置。

二、计算分析题

1.图5-17所示电路中，已知VCC=VEE=15V，RL=10Ω，VT1、VT2的死区电压和饱和压降可忽略不计。试求：最大不失真输出时的功率Pom、电源供给的总功率PDC、两只晶体管的总管耗PC及放大电路的效率η。

图5-17　题1电路图

2.功率放大电路如图5-18所示，晶体管在输入正弦波信号ui作用下，在一周期内VT1和VT2轮流导通约半周，晶体管的饱和压降UCE（sat）可忽略不计，电源电压VCC=VEE=20V，负载RL=8Ω。试求：

（1）在输入信号有效值为10V 时，计算输出功率、总管耗、直流电源供给的功率和效率；

（2）计算最大不失真输出功率，并计算此时的各晶体管管耗、直流电源供给的功率和效率。

图5-18　功率放大电路

3.图5-19所示OTL电路中，已知VCC=16V，RL=4Ω，VT1和VT2的死区电压和饱和管压降均可忽略不计，输入电压足够大。试求：最大不失真输出时的输出功率Pom和效率ηm。

图5-19　OTL电路

4.电路如图5-20所示，三极管的饱和压降可略，试回答下列问题。

（1）ui=0时，流过RL的电流有多大？

（2）R1、R2、VD1、VD2所构成的电路起什么作用？

（3）为保证输出波形不失真，输入信号ui的最大振幅为多少？ 管耗为最大时，求Uim。

（4）最大不失真输出时的功率Pom和效率ηm 各为多少？

图5-20　题4电路图

5.图5-21所示集成功放应用电路中，VCC=10V，试估算最大不失真输出功率Pom，并指出电路中电容C3的主要作用。

图5-21　集成功放应用电路