P W M功率放大电路 Modified by JACK on the afternoon of December 26, 2020
PWM功率放大电路
——卢浩天
LC梦创电子制作工作室一、PWM功率放大原理
PWM功放电路有单极性和双极性之分。双极性指在一个PWM周期内，电机电枢电压正、负极性改变一次；单极性指PWM功放管工作时，有一个PWM信号端和一个方向控制端，在电机正转或反转时，仅有对应的一对功放管通电，而另一对功放管截止。因此，电机电枢在正转或反转时，正、负极性是固定的，即是单极性的。
若忽略晶体管的管压降，可以认为PWM功率放大管的输出电平等于
电源电压，即|
U|=C U。图1描绘了电枢的电压波形和电流波形。在图
AB
中，T为PWM脉冲周期，
T为正脉冲宽度，h T为负脉冲宽度。电枢两端
P
的电流是一个脉动的连续电流，从图可看出，电枢两端的电流是一个脉动的连续电流，加快PWM的切换频率，电流的脉动就变小，结果近似于直流信号的效果，使电机均匀旋转。同时，如果改变PWM的脉冲的宽度，电枢中的平均电流也将变化，电机的转速便将随之改变，这就是PWM调速的原理。
在图中，PWM脉冲频率决定了电枢电流的连续性，从而也决定了电机运行的平稳性。如果脉冲频率切换频率选择不当，电机的低速性能有可能不理想，容易烧坏晶体管，而且由于电流不连续，电机有可能产生剧烈震荡，甚至出现啸叫现象，这些都是不允许的。因此，在设计PWM功率放
大器时，要慎重选择切换频率。为了克服静摩擦，改善运行特性，切换频率应能使电机轴产生微振，即：
式中，T K 为转矩系数，Φ=M T C K （M C 为电机电磁常数、Φ为励磁磁通），C U 为功放电源，A L 为电枢电感，S T 为电机静摩擦力矩。
另外，选择切换频率具体还应考虑以下几个方面：
（1）微振的最大角位移应小于允许的位置误差。在伺服系统中，假设要求位置误差小于δ，则要求切换频率满足下式：
式中，J 为电机及负载的转动惯量。
（2）应尽量减小电机内产生的高频功耗。PWM 脉冲信号的谐波分量将引起电机内部的功耗，降低效率。为此切换频率应足够高，使电机电枢感抗大大超过电枢内阻，即要求
式中，A R 是电机电枢电阻。
（3）应当远远大于系统的固有频率，防止系统固有振荡。
实际设计时应综合考虑上述条件，在1000Hz 至数万Hz 的范围内选取PWM 切换频率。特别需要强调的是，由于伺服电机的电枢电感较小，如果频率不够高，交流分量过大，很容易烧毁功放管。不过功放管的开关频率总有一个限度，对大功率功放管来说，开关频率越高，制造工艺难度越大，成本也越高。因此，用户要根据自己的实际需要确定有关参数，使自己构建的功率放大器有较高的性能价格比。
二、标准的PWM 功率放大器
图2举出了一个实际的标准双极性PWM 功率放大器。它是一个典型的H 型功放，四个功放管分别采用NPN 型达林顿管TIP122和PNP 型达
林顿管TIP127。PWM脉冲信号通过光电耦合器件4N35加到晶体管的输入端。4N35的作用是把控制电源与驱动电源隔离，以免驱动器电源不稳定影响整个控制系统；同时，4N35的输出端还提供功放管的基极驱动电流。
系统的工作过程如下：当PWM1端变为低电平且PWM2端为高电平时，功放管Q2/Q3导通，Q1/Q4截止，电流从电机两侧的B点流向A 点，此时电机正转；反之，反转。二极管D1、D2、D3、D4是续流二极管，在晶体管切换时提供电流通路，并联在二极管两端的电阻和电容也起续流作用。
PWM1和PWM2是两路控制信号。如果加上如图3所示的信号，则构成单极性功放电路。PWM信号由8051单片机的定时器产生，由P1.0输出。P1.1的高低电平代表电机的正反转。四个功放管采用MOS管。当电机要求正转时，单片机的P1.1输出高电平信号，该信号分为三路：第一路接与门Y1的输入端，使与门Y1的输出由PWM决定，所以开关管Q1栅极受PWM控制；第二路直接与开关管Q4相连使Q4导通；第三路经非门连接到与门Y2的输入端，使与门Y2的输出为0，结果开关管Q2截止。从非门输出的另一路信号与开关管Q3的栅极相连，其低电平信号也将使Q3截止。类似地，电机要求反转时，单片机P1.1输出低电平信号，各功放管的导通与截止与电机正转时正好相反。
双极性PWM电路中，PWM1和PWM2两路控制信号通常不是严格对称的，造成切换过程中有一个小的时间延迟
T，如图4所示。W T实际上
W
是功率管的开关时间，考虑时间延迟的目的是为了防止H桥同侧的功放管在开关切换时短路。
三、集成PWM功率放大器
目前，针对中小功率的PWM功放电路已经有现成的集成分立器件出售，由于所有的PWM功能集成在一块芯片上，使得这些集成分立器件可靠性高，性能好，使用方便。对于初学者而言，调定功放电路元器件各种参数既麻烦又需要经验，然而集成PWM功放器件的出现，简化了问题。下面以美国国家半导体公司的LMD18245为例来说一下。
LMD18245是采用DMOS工艺的H桥PWM集成功放电路芯片，专供直流电机或步进电机驱动，共有15个引脚，T-220封装。图5是该芯片的外形和引脚图。电源电压范围为12—55V，额定电流3A，峰值电流
6A。
图5：LMD18245外形和引脚
图6是LMD18245的内部结构图。BRAKE和DIRECTION两个控制信号的组合决定芯片工作于单极性PWM还是双极性PWM。表1描述了这两种组合对应的DMOS管的导通情况。在表1中，MONO为电流监测信号，如不考虑它的影响，在BRAKE端加上PWM信号，在DIRECTION 端加上一个固定电平，则LMD18245工作在单极性PWM方式；反之，如果在BRAKE端加上低电平，在DIRECTION端加上PWM脉冲，则LMD18245工作在双极性平PWM方式。从图6的内部结构来看，该芯片内部带有电流反馈控制电路，为保证电流反馈电路正常工作，必须在CS OUT端接一个电流取样电阻到地，该电阻值R决定了电压比较器
（COMPAPATOR ）“-”端电压值-V 。该电压计算公式为：
()610250--??Ω=R V V 。电压比较器的“+”端电压+V 的计算公式为：
16
D V V DACREF ?=+ V 。式中DACREF V 是参考电压，D 是0—15的常数，由M1—M4决定。用户可以根据需要来设置M1—M4的大小，从而限制电机的电枢电流。
图6：LMD18245内部结构原理图
表1中MONO 表示单稳态触发器的状态，若电机电枢超过用户设定值，MONO 变为低电平；正常工作时，MONO 为高电平。
实验四互补对称功率放大器 一、实验电路 图20-1互补对称功率放大器 二、预习要求 1、分析图20-1电路中各三极管工作状态及交越失真情况。 电路中采用NPN、PNP两支晶体管，其特性一致。利用NPN、PNP管轮流导通，交替工作，在负载RL上得到一个完整的被放大的交流信号。 静态时，电源通过V2向C充电，调整参数使得三极管发射极电位： 动态时，Ui>0，V2导通V3截止，i L=i c2，R L上得到上正下负的电压。Ui<0，V2截止V3导通，C两端的电压为V3、R L提供电源, i L=i c2，R L上得到上负下正的电压。 输入信号很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不导电。因此在正、负半周交替过零处会出现一些非线性失真，这个失真称为交越失真。 电路中二极管D1、D2即可消除交越失真。 2、电路中若不加输入信号，V2、V3管的功耗是多少。 静态时，Vin = 0V , V2、V3均不工作 ,此时其功耗为0。 3、电阻R 4、R5的作用是什么? 电阻R4、R5与三极管V1构成放大电路，为后级电路提供电压。 4、根据实验内容自拟实验步骤及记录表格。 三、实验仪器及材料 1、信号发生器 2、示波器 四、实验内容 1、调整直流工作点，使M点电压为0.5V CC。 2、测量最大不失真输出功率与效率。 3、改变电源电压 (例如由+12V变为+6V)，测量并比较输出功率和效率。 4、比较放大器在带5K1和8Ω负载 (扬声器)时的功耗和效率。
电源电压加12V，负载接入喇叭： 首先调整直流工作点，使M点电压为0.5V CC。然后在输入端接1KHZ信号时，输出端接用示波器观察输出波形，逐渐增大输入电压幅度，直至出现失真为止、记录此时输入电压、输出电压幅值、并记录波形。 实验结果：输入电压U i(有效)= 219mV 输出电压U o(有效)= 1.2V 电流I=81.2mA 输出功率P o = U o2/ R L= 0.18W P V=VCC*I/2=0.487W 转换效率η= P o/ P v= 36.96% 电源电压加6V，负载接入喇叭： 首先调整直流工作点，使M点电压为0.5V CC。然后在输入端接1KHZ信号时，输出端接用示波器观察输出波形，逐渐增大输入电压幅度，直至出现失真为止、记录此时输入电压、输出电压幅值、并记录波形。 实验结果：输入电压U i(有效)= 104mV 输出电压U o(有效)= 488mV 电流I=34.2mA 输出功率P o = U o2/ R L= 0.0298W P v = V cc·I/2=0.2052W 转换效率η= P o/ P v= 14.5% 电源电压加12V，负载接入5.1kΩ电阻： 首先调整直流工作点，使M点电压为0.5V CC。然后在输入端接1KHZ信号时，输出端接用示波器观察输出波形，逐渐增大输入电压幅度，直至出现失真为止、记录此时输入电压、输出电压幅值、并记录波形。 实验结果：输入电压U i(有效)= 179mV 输出电压U o(有效)= 3.28V 电流I=7.95mA 输出功率P o = U o2/ R L= 0.00211W P v = V cc·I/2=0.0477W
实验六互补对称功率放大器 201408080127 潘松 201408080130 张崇琪 一、实验目的 1、理解互补对称功率放大器的工作原理。 2、加深理解电路静态工作点的调整方法。 3、学会互补对称功率放大电路调试及主要性能指标的测试方法。 二、实验仪器 1、双踪示波器 2、万用表 3、毫伏表 4、直流毫安表 5、信号发生器 三、实验原理
图6-1 互补对称功率放大器实验电路 图6-1所示为互补对称低频功率放大器。其中由晶体三极管T1组成推动级（也称前置放大级），T2、T3是一对参数对称的NPN 和PNP 型晶体三极管，它们组成互补对称功放电路。由于每一个管子都接成射极输出器形式，因此具有输出电阻低，负载能力强等优点，适合于作功率输出级。T1管工作于甲类状态，它的集电极电流IC1由电位器RW1进行调节。二极管D1、D2，给T2、T3提供偏压，可以使T2、T3得到合适的静态电流而工作于甲、乙类状态，以克服交越失真。由于RW1的一端接T1、T2的输出端，因此在电路中引入交、直流电压并联负反馈，一方面能够稳定放大器的静态工作点，同时也改善了非线性失真。 当输入正弦交流信号U i 时，经T1放大、倒相后同时作用于T2、T3的基极，U i 的负半周使T2管导通（T3管截止），有电流通过负载R L （可用嗽叭作为负载），在U i 的正半周，T3导通（T2截止），则已充好电的电容器C 3起着电源的作用，通过负载R L 放电，这样在R L 上就得到完整的正弦波。 C2和R 5构成自举电路，用于提高输出电压正半周的幅度，以得到大的动态范围。由于信号源输出阻抗不同，输入信号源受功率放大电路的输入阻抗影响而可能失真。为了得到尽可能大的输出功率，晶体管一般工作在接近临界参数的状态，如I CM ，U （BR ）C EO 和P CM ，这样工作时晶体管极易发热，有条件的话晶体管有时还要采用散热措施，由于三极管参数易受温度影响，在温度变化的情况下三极管的静态工作点也跟随着变化，这样定量分析电路时所测数据存在一定的误差，我们用动态调节方法来调节静态工作点，受三极管对温度的敏感性影响所测电路电流是个变化量，我们尽量在变化缓慢时读数作为定量分析的数据来减小误差。 ※OTL 电路的主要性能指标： 1、 最大不失真输出功率P om 在实验中可通过测量RL 两端的电压有效值，来求得实际的 L om R U P 2 = （7-1） 2、效率η %100?= E om P P η
中山大学模拟电路实验报告 SUN YAT-SEN UNIVERSITY 实验题目：实验6 互补对称式功率放大电路 一、实验目的 在这个实验中，我们将讨论互补对称式功率放大电路的工作原理和性能测试方法。首先，我们对功放电路进行静态调整；其次，对调整好的电路进行电路功率和效率的测量。然后，我们将探讨自举电路的作用和观察“交越失真”现象。 通过这次实验，你能够 1）熟悉互补对称式功率放大器的性能测试方法。 2）了解自举电路的原理及其对改善互补对称式功率放大器的性能所起的作用。 二、实验仪器 （1）二踪示波器 1台 （2）函数发生器 1台 （3）交流毫伏表 1台 （4）直流稳压电源 1台 三、实验原理图 V CC v o R L v s 实验电路图3.1互补对称式功率放大电路 注意: 1)实验前应该先调好限流保护，电流控制在200mA。 2)电路调整时，应先调好电压、再调电流。
四、实验内容 1. 静态测试 合上开关K 、K1、K2，用万用表先测量直流稳压电源使输出V V CC 6=，调节1W R 使B 点的直流电位约为3V 。断开K 、K2，调节2W R 使23C I 约为mA 52- ， （23C I 的测量可用万用表电流档串接测量，但要注意万用表笔的正负极性）测完后取走万用表合上K 。 检查电路中各个管是否工作正常。 注意：在接入稳压电源之前，2W R 应先调到最小值，电源接入后，在调节2W R 的过程中，应不时用手触摸2Q 、3Q 两管，若发现两管发热严重，则应马上断开电源，检查原因（如 2W R 开路，电路自激，或输出管性能不好等），以防烧毁管子。如无异常现象，可开始调试， 如无特殊情况，不得再随意旋动2W R 的位置。 调试数据如下表4.1.1 V cc V B I 23 6.0V 2.99V 3.5V 2. 测量放大器的质量指标 （1）最大不失真电压、最大不失真功率： 把示波器和交流毫伏表的输入端同时接入放大器的输出端（此时可同时测量输出幅度的大小和观察输出波形），然后将音频信号发生器的输出调节旋钮放到最小，并将它的输出端接入放大器的输入端，而音频信号发生器的频率放在Z KH 1上，以后逐渐增大输入信号幅度并同时观察输出波形，输入增大、输出亦增大，当输出波形增大到刚好出现失真时，就停止增大输入信号，以后减小输入信号，使输出信号刚好不失真。记下这时放大器的输出电压即为最大不失真电压，并计算最大不失真功率。 （2）电源供给的实际功率和效率： 在最大不失真输出时，用万用电表测量此时电源供给的直流平均电流C I （用万用表电流档串入CC V 的总线处测量，注意是在有输入信号下测量）记录C I 计算电源供给的功率和效率。 有自举情况下的测量数据 4.2.1
互补对称功率放大电路原理
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
3.4 互补对称功率放大电路 教学要求 掌握甲类、乙类和甲乙类三类功率放大电路的工作原理; 理解交越失真形成机理； 了解复合管结构及其特性。 一、概述 对功率放大电路的基本要求 1.不失真情况下输出尽可能大的功率：I与U都大，管子工作在尽限状态。 2.提高效率： = P omax / P DC 要高 3.集电极最大功耗: P 0＝P v －P C （管耗），另一部分消耗在管子上,功放管尽限应用，选管要 保 证安全。 二、放大电路的工作状态 放大电路按三极管在一个信号周期内导通时间的不同，可分为甲类、乙类以及甲乙类放大。在整个输 入信号周期内，管子都有电流流通的，称为甲类放大，如下表所示，此时三极管的静态工作点电流I CQ比较大；在一个周期内，管子只有半周期有电流流通的，称乙类放大；若一周期内有半个多周期有电流流通，则称为甲乙类放大。 状态一个信号周期 内导通时间 工作特点图示 甲类整个周期内导 通 失真小，静态电流大，管耗大，效率 低。 乙类半个周期内导 通 失真大，静态电流为零，管耗小，效 率高。 甲乙类半个多周期内 导通 失真大，静态电流小，管耗小，效 率较高。 三、乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL) (OCL — Output Capacitorless)
（一）电路组成及工作原理 采用正、负电源构成的乙类互补对称功率放大电路如下动画所示，V1和V2分别为NPN型管和PNP型管， 两管的基极和发射极分别连接在一起，信号从基极输入，从发射极输出，R L为负载。要求两管特性相同，且V CC=V EE。 特点：去掉C，双电源，T1与T2交替工作，正负电源交替供电，输入与输出之间双向跟随。 原理：静态即u i = 0 时，V 1 、V 2 均零偏置，两管的I BQ、I CQ均为零，u o=0，电路不消耗功率。 u i > 0时，V 1 正偏导通，V2反偏截止，i o= i E1= i C1, u O= i C1R L； u i< 0 时，V 1 反偏截止，V2正偏导通，i o= i E2= i C2, u O= i C2R L； 问题：两管交替导电时刻，输入电压小于死区电压时，三极管截止，在输入信号的一个周期内，V1、 V2轮流导通时，基极电流波形在过零点附近一个区域内出现失真，称为交越失真。且输入信号幅度越小失真越明显。 产生交越失真的原因：静态时，U B E Q =0,u i 尚小时，电流增长缓慢。 （二）功率和效率 1.输出功率：输出电流和输出电压有效值的乘积，就是功率放大电路的输出功率。 最大输出功率 2.电源功率：两个管子轮流工作半个周期，每个电源只提供半周期的电流。 最大输出功率时P DC = 2V2 CC / R L 3.效率：效率是负载获得的信号功率P o与直流电源供给功率P DC之比。实用中，放大电路很难达到最 大效率，由于饱和压降及元件损耗等因素，乙类推挽放大电路的效率仅能达到60%左右。 4.管耗 直流电源提供的功率除了负载获得的功率外便为V 1、V 2 管消耗的功率，即管耗。V 1 、V 2两管消耗的 功
实验报告 实验二十互补对称功率放大电路 一、实验仪器及材料 l.信号发生器 2.示波器 二、实验电路 三、实验内容及结果分析 1、V CC=12v，V M=6V时测量静态工作点，然后输入频率为5KHz的正弦波，调节输入幅值使输出波形最大且不失真。（以下输入输出值均为有效值） V B(V) V C(V) V E(V) V i=0.18 R L=+∞R L=5.1KΩR L=8Ω V1 0.93 5.29 0.25 V O(V) 3.25 3.24 1.05 12.5 12.9 67.8 V2 6.69 11.98 6.03 总电流I （ma） V3 5.28 0 5.94 A V18.06 18 5.83 2、V CC=9V，V M=4.5V时测量静态工作点，然后输入频率为5KHz的正弦波，调节输入幅值使输出波形最大且不失真。（以下输入输出值均为有效值） V B(V) V C(V) V E(V) V i=0.126v R L=+∞R L=5.1KΩR L=8Ω V1 0.85 3.80 0.18 V O(V) 2.19 2.18 0.82 9.1 9.1 41.9 V2 5.16 8.99 4.51 总电流I （ma） V3 3.80 0 4.45 A V17.38 17.30 6.51 3、V CC=6V，V M=3V时测量静态工作点，然后输入频率为5KHz的正弦波，调节输入幅值使输出波形最大且不失真。（以下输入输出值均为有效值） V B(V) V C(V) V E(V) V i=0.08V R L=+∞R L=5.1KΩR L=8Ω V1 0.76 2.36 0.11 V O(V) 1.30 1.29 0.38
甲乙类互补对称功率放大电路 1 甲乙类互补对称功率放大电路 乙类放大电路的失真: 前面讨论了由两个射极输出器组成的乙类互补对称电路（图1），实际上这种电路并不能使输出波形很好地反映输入的变化，由于没有直流偏置，管子的iB必须在|vBE|大于某一个数值（即门坎电压，NPN硅管约为0.6V，PNP锗管约为0.2V）时才有显著变化。当输入信号vi低于这个数值时，T1和T2都截止，i c1和i c2基本为零，负载RL上无电流通过，出现一段死区，如图1所示。这种现象称为交越失真。 图1 交越失真的产生原因 2 甲乙类双电源互补对称电路 一、电路的结构与原理 利用图2所示的偏置电路是克服交越失真的一种方法。 图2 由图可见，T3组成前置放大级（注意，图中未画出T3的偏置电路），T1和T2组成互补输出级。静态时，在D1、D2上产生的压降为T1、T2提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状态。由于电路对称，静态时i C1= i C2，I L= 0, v o =0。有信号时，由于电路工作在甲乙类，即使v i很小（D1和D2的交流电阻也小），基本上可线性地进行放大。 上述偏置方法的缺点是，其偏置电压不易调整，改进方法可采用V BE扩展电路。 二、VBE扩展电路
图3 利用二极管进行偏置的甲乙类互补对称电路，其偏置电压不易调整，常采用V BE扩展电路来解决，如图3所示。 在图3中，流入T4的基极电流远小于流过R1、R2的电流，则由图可求出 V CE4=V BE4（R1+R2）/R2 因此，利用T4管的V BE4基本为一固定值（硅管约为0.6~0.7V），只要适当调节R1、R2的比值，就可改变T1、T2的偏压值。这种方法，在集成电路中经常用到。 3 单电源互补对称电路 图4 一、电路结构与原理 图4是采用一个电源的互补对称原理电路，图中的T3组成前置放大级，T2和T1组成互补对称电路输出级。在输入信号vi =0时，一般只要R1、R2有适当的数值，就可使I C3、V B2和V B1达到所需大小，给T2和T1提供一个合适的偏置，从而使K点电位V K=V C=V CC/2 。 当加入信号v i时，在信号的负半周，T1导电，有电流通过负载RL，同时向C充电；在信号的正半周，T2导电，则已充电的电容C起着双电源互补对称电路中电源-V CC的作用，通过负载RL放电。只要选择时间常数RLC足够大（比信号的最长周期还大得多），就可以认为用电容C和一个电源V CC可代替原来的+V CC和-V CC两个电源的作用。 值得指出的是，采用一个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V CC，而是V CC/2，即输出电压幅值V om最大也只能达到约V CC/2，所以前面导出的计算Po、P T、和P V的最大值公式，必须加以修正才能使用。修正的方法也很简单，只要以V CC/2代
科信学院CDIO项目设计说明书（2010 /2011学年第二学期） CDIO项目名称：电子应用系统一级项目 专业班级：电子信息工程 学生： 学号: 指导老师： 设计成绩: 2011年6月28日
1、互补对称OTL 功放电路装调 1.1 CDIO 设计目的 通过设计乙类互补推挽功率放大器，掌握利用分离原件组成OTL 功放电路的原理，提高电路原理图读图技能，熟练掌握较复杂电路的装调操作方法 1.2 CDIO 设计正文 1. 2.1设计要求 电压增益：10倍（20分贝） 输出功率：0.5W 以上（负载R L =8?） 频率特性：20Hz ～20KHz 1.2.2 设计原理 乙类工作时，为了在负载上合成完整的正弦波，必须采用两管轮流导通的推挽电路。通常使用T1和T2两个特性配对的互补功率管（NPN 型和PNP 型），若忽略功率管发射结导通电压，则当输入信号正半周期时，两功率管分别导通和截止，输出为正半周的半个正弦波；当输出信号负半周期时，两功率功率管分别截止和导通，输出为负半周的半个正弦波，通过负载的电流通过合成形成完整的正弦波。 1.2.3设计过程 负载R1=8Ω V o= Po R *1=2V ，输出功率Po=0.5W 峰值为Vp=22V ，峰峰值为Vp-p=4≈V 2 5.7V 若要实现输出功率为Po=0.5W ，则直流电源电压Vc c ＞ 5.7V 所以取Vcc=15V 输出电流Io= 2 1 Vcc/RL ≈350mA 取β=100，Ib1=Io/β=3.5mA 取I5=30mA ，所以R5=(15V-8.5V)/30mA=220Ω 取VE=0.2Vcc=3V RE=3V/30mA=100Ω 因为Av=R5/RE=2.2＜10，所以RE 取值不合适 令RE=R4+R6,R4=15Ω，R5=85Ω 当交流分析时，R6被短路，Av=15符合要求
实验七互补对称功率放大器 一、实验目的 1、理解互补对称功率放大器的工作原理。 2、加深理解电路静态工作点的调整方法。 3、学会互补对称功率放大电路调试及主要性能指标的测试方法。 二、实验仪器 1、双踪示波器 2、万用表 3、毫伏表 4、直流毫安表 5、信号发生器 三、实验原理 图7-1 互补对称功率放大器实验电路
图7-1所示为互补对称低频功率放大器。其中由晶体三极管T1组成推动级（也称前置放大级），T2、T3是一对参数对称的NPN 和PNP 型晶体三极管，它们组成互补对称功放电路。由于每一个管子都接成射极输出器形式，因此具有输出电阻低，负载能力强等优点，适合于作功率输出级。T1管工作于甲类状态，它的集电极电流IC1由电位器RW1进行调节。二极管D1、D2，给T2、T3提供偏压，可以使T2、T3得到合适的静态电流而工作于甲、乙类状态，以克服交越失真。由于RW1的一端接T1、T2的输出端，因此在电路中引入交、直流电压并联负反馈，一方面能够稳定放大器的静态工作点，同时也改善了非线性失真。 当输入正弦交流信号U i 时，经T1放大、倒相后同时作用于T2、T3的基极，U i 的负半周使T2管导通（T3管截止），有电流通过负载R L （可用嗽叭作为负载），在U i 的正半周，T3导通（T2截止），则已充好电的电容器C 3起着电源的作用，通过负载R L 放电，这样在R L 上就得到完整的正弦波。 C2和R 5构成自举电路，用于提高输出电压正半周的幅度，以得到大的动态范围。由于信号源输出阻抗不同，输入信号源受功率放大电路的输入阻抗影响而可能失真。为了得到尽可能大的输出功率，晶体管一般工作在接近临界参数的状态，如I CM ，U （BR ）C EO 和P CM ，这样工作时晶体管极易发热，有条件的话晶体管有时还要采用散热措施，由于三极管参数易受温度影响，在温度变化的情况下三极管的静态工作点也跟随着变化，这样定量分析电路时所测数据存在一定的误差，我们用动态调节方法来调节静态工作点，受三极管对温度的敏感性影响所测电路电流是个变化量，我们尽量在变化缓慢时读数作为定量分析的数据来减小误差。 ※OTL 电路的主要性能指标： 1、 最大不失真输出功率P om 在实验中可通过测量RL 两端的电压有效值，来求得实际的 L om R U P 2 = （7-1） 2、效率η %100?= E om P P η （7-2） PE —直流电源供给的平均功率 理想情况下ηmax ＝78.5%。在实验中，可测量电源供给的平均电流Idc （多测几次I 取其平均值），从而求得 E CC dc P U I =? （7-3） 负载上的交流功率已用上述方法求出，因而也就可以计算实际效率了。 3、频率响应 详见实验四有关部分内容 4、输入灵敏度
实验十一低频功率放大器OTL 一、实验目的 1．进一步理解OTL功率放大器的工作原理。 2. 学会OTL电路的调试及主要性能指标的测试方法。 二、实验原理 图12—1所示为OTL低频功率放大器。其中由晶体三极管T1组成推动级(也称前至放大级)，T2、T3是一对参数对称的NPN和PNP型晶体三极管，它们组成互补推挽OTL 功放电路。由于每一个管子都接成射极输出器形式，因此具有输出电阻低，负载能力强等优点，适合于作功率输出级。T1管工作于甲类状态，它的集电极电流Icl由电位器RW1进行调节。Icl的一部分流经电位器RW：及二极管D，T2、T3提供偏压。调节RW2，可以使T2、T3得到合适的静态电流而工作于甲、乙类状态，以克服交越失真。静态时要求输出端中点A的电位UA=(1/2)Ucc，可以通过调节RW1来实现，又由于RW1的一端接在A 点，因此在电路中引入交、直流电压并联负反馈，一方面能够稳定放大器的静态工作点，同时也改善了非线性失真。
当输入正弦交流信号Ui时，经T1放大、倒相后同时作用于T2、T3的基极Ui的负半周使T2管导通(T3管截止)，有电流通过负载RL，同时向电容Co充电，在Ui的正半周，T3导通(T2截止)，则已充好电的电容器Co起着电源的作用，通过负载RL放电，这样在RL上就得到完整的正弦波。 C2和R构成自举电路，用于提高输出电压正半周的幅度，以得到大的动态范围。 0TL电路的主要性能指标 1. 最大不失真输出功率Pom 理想情况下 Pom=(1/8)(U2cc/RL) 在实验中可通过测量RL两端的电压有效值，来求得实际的 Pom=U2o/ RL 2．效率η η=(Pom/PE)*100% PE一直流电源供给的平均功率 理想情况下，ηmax=78.5％。在实验中，可测量电源供给的平均电流Idc，从而求得PE=Ucc·Idc，负载上的交流功率已用上述方法求出，因而也就可以计算实际效率了。 3. 频率响应 详见实验二有关部分内容 4. 输入灵敏度 输入灵敏度是指输出最大不失真功率时，输入信号Ui之值。 三、实验设备与器件 1．+5V直流电源 5．直流电压表 2，函数信号发生器 6．直流毫安表 3．双踪示波器 7. 频率计 4．交流毫伏表 8．晶体三极管3DG6×1(9013×1)3DGl2×1(9013×1) 3CG12×1(9012×1)晶体二极管22CP×1 8Ω喇叭×1，电阻器、电容器若干 四、实验内容 在整个测试过程中，电路不应有自激现象。 1．静态工作点的测试 按图12—1连接实验电路，电源接线中串入直流毫安表，电位器RW1置最小位，RW2置中间位置。接通+5V电源，观察毫安表指示，同时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Rw2开路，电路自激，或输出管性能不好
\ 课程设计任务书 题目：基本互补对称功率放大器OCL的设计 初始条件： 具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备低高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。 要求完成的主要任务： 1.采用6个以上的晶体管完成一个互补对称功率放大器OCL的设计； 2.设计的功率放大器输出功率达到10W以上； 3. 利用MULTISIM和PROTEL软件绘制该电路的原理图和PCB印制电路板图； , 4.完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。 时间安排： 1．2011年6月10日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。 2．2011年6月10日至2011年6月23日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。 3. 2011年6月24日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日
目录 摘要........................................................ 错误!未定义书签。 A BSTRACT..................................................... 错误!未定义书签。1功率放大器的特点及OCL各模块工作原理...................... 错误!未定义书签。 功率放大器的特点......................................... 错误!未定义书签。功率放大器的分类：........................................ 错误!未定义书签。功率放大器的个组成模块及原理.............................. 错误!未定义书签。 中级驱动的基本放大电路工作原理 ......................... 错误!未定义书签。 输入级差分放大器模块的工作原理 ......................... 错误!未定义书签。 输出级功率放大器模块的工作原理 ......................... 错误!未定义书签。2基本互补对称功率放大器的设计.............................. 错误!未定义书签。3电路的仿真及实物调试...................................... 错误!未定义书签。 M ULTISIM软件仿真电路...................................... 错误!未定义书签。实物的调试................................................ 错误!未定义书签。4通过P ROTEL制作PCB板...................................... 错误!未定义书签。5元件清单.................................................. 错误!未定义书签。6心得体会.................................................. 错误!未定义书签。参考文献.................................................... 错误!未定义书签。
3.4 互补对称功率放大电路 掌握甲类、乙类和甲乙类三类功率放大电路的工作原理; 理解交越失真形成机理； 了解复合管结构及其特性。 一、概述 对功率放大电路的基本要求 1.不失真情况下输出尽可能大的功率：I与U都大，管子工作在尽限状态。 2.提高效率： = P omax / P DC 要高 3.集电极最大功耗: P 0＝P v －P C （管耗），另一部分消耗在管子上,功放管尽限应用，选管要 保 证安全。 二、放大电路的工作状态 放大电路按三极管在一个信号周期内导通时间的不同，可分为甲类、乙类以及甲乙类放大。在整个输 入信号周期内，管子都有电流流通的，称为甲类放大，如下表所示，此时三极管的静态工作点电流I CQ比较大；在一个周期内，管子只有半周期有电流流通的，称乙类放大；若一周期内有半个多周期有电流流通，则称为甲乙类放大。 三、乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL) (OCL — Output Capacitorless) （一）电路组成及工作原理
采用正、负电源构成的乙类互补对称功率放大电路如下动画所示，V1和V2分别为NPN型管和PNP型管， 两管的基极和发射极分别连接在一起，信号从基极输入，从发射极输出，R L为负载。要求两管特性相同，且V CC=V EE。 特点：去掉C，双电源，T1与T2交替工作，正负电源交替供电，输入与输出之间双向跟随。 问题：两管交替导电时刻，输入电压小于死区电压时，三极管截止，在输入信号的一个周期内，V1、 V2轮流导通时，基极电流波形在过零点附近一个区域内出现失真，称为交越失真。且输入信号幅度越小失真越明显。 产生交越失真的原因：静态时，U B E Q =0,u i 尚小时，电流增长缓慢。 （二）功率和效率 1.输出功率：输出电流和输出电压有效值的乘积，就是功率放大电路的输出功率。 最大输出功率 2.电源功率：两个管子轮流工作半个周期，每个电源只提供半周期的电流。 最大输出功率时P DC = 2V2 CC / R L 3.效率：效率是负载获得的信号功率P o与直流电源供给功率P DC之比。实用中，放大电路很难达到最 大效率，由于饱和压降及元件损耗等因素，乙类推挽放大电路的效率仅能达到60%左右。 4.管耗 直流电源提供的功率除了负载获得的功率外便为V 1、V 2 管消耗的功率，即管耗。V 1 、V 2两管消耗的 功 率，每只管子最大管耗为0.2P om。每管的最大管耗约为最大输出功率的1/5。因此，在选择功率管时
姓名班级学号 实验日期节次教师签字成绩 实验名称 OTL互补对称功率放大器的研究 1.实验目的 （1）加深理解互补对称电路的结构及工作特点。 （2）掌握互补对称电路产生交越失真的原因，以及消除交越失真的方法。 （3）掌握互补对称电路的性能参数的调测方法。 2.总体设计方案或技术路线 功率放大器的功能是给负载提供足够大的信号功率，并能高效率地实现能量的转换。它广泛应用于通信系统和各种电子设备中。功率放大器与电压放大器从能量转换的角度来看，是完全相一致的，它们都是在三极管的控制作用下,按输入信号的变化规律将直流电源的电压、电流和功率转换成相应变化的交流电压、电流和功率传送给负载。但电压放大器是在不失真的前提下要求电压放大器有足够大的输出电压，主要是对微弱的小信号电压进行放大，要求有较高的电压增益；而功率放大器则是对经过电压放大后的大信号的放大，要求它在允许的失真度条件下为负载提供足够大的功率和尽可能高的效率，放大器件几乎工作在极限值状态。因此，功率放大器的构成及电路的性能指标与小信号电压放大电路有所不同。 OTL电路通常由两个对称的异型管构成，因此又称为互补对称电路，图为单电源OTL互补对称功率放大电路。电路中T1是推动级（电压放大，也叫激励级），其中R1、R2是T1的基极偏置电阻，Re为T1发射极电阻，Rc为V1集电极负载电阻，它们共同构成V1的稳定静态工作点；T2、T3组成互补对称功率放大电路的输出级，且T2、T3工作在乙类状态；C2为输出耦合电容。功率放大器采用射极输出器，提高了输入电阻和带负载的能力。 本次试验是针对下图电路的静态工作点的的测试，以及最大输出功率和效率的测定。3.实验电路图
实验四互补对称功率放大器 、实验电路 图20-1互补对称功率放大器 二、预习要求 1、分析图20-1电路中各三极管工作状态及交越失真情况。 电路中采用NPN、PNP两支晶体管，其特性一致。利用NPN、PNP管轮流导通，交替工作，在负载RL上得到一个完整的被放大的交流信号。 静态时，电源通过V2向C充电，调整参数使得三极管发射极电位：一二—— 2动态时，Ui>0，V2导通V3截止，i i_=i c2, R L上得到上正下负的电压。Ui<0， V2截止V3导通，C两端的电压为V3、R L提供电源,i L=i c2, R L上得到上负下正的电压。 输入信号很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不导电。因此在正、负半周交替过零处会出现一些非线性失真，这个失真称为交越失真。 电路中二极管D1、D2即可消除交越失真。
2、电路中若不加输入信号，V2、V3管的功耗是多少。 静态时，Vin = 0V , V、V均不工作，此时其功耗为0。 3、电阻R 4、R5的作用是什么？ 电阻R4、R5与三极管V1构成放大电路，为后级电路提供电压。 4、根据实验内容自拟实验步骤及记录表格。 三、实验仪器及材料 1、信号发生器 2、示波器 四、实验内容 1、调整直流工作点，使M点电压为0.5V cc。 2、测量最大不失真输出功率与效率。 3、改变电源电压（例如由+12V变为+6V），测量并比较输出功率和效率。 4、比较放大器在带5K1和8Q负载（扬声器）时的功耗和效率。 电源电压加12V，负载接入喇叭： 首先调整直流工作点，使M点电压为0.5V cc。然后在输入端接1KHZ信号时, 输出端接用示波器观察输出波形，逐渐增大输入电压幅度，直至出现失真为止、记录此时输入电压、输出电压幅值、并记录波形。 实验结果：输入电压U i（有效）=219mV 输出电压U o（有效）=1.2V 电流l=81.2mA 输出功率P o = U o2/ R L= 0.18W P V=VCC*I/2=0.487W 转换效率=P o/ P v= 36.96% 电源电压加6V，负载接入喇叭： 首先调整直流工作点，使M点电压为0.5V cc。然后在输入端接1KHZ信号时, 输出端接用示波器观察输出波形，逐渐增大输入电压幅度，直至出现失真为止、记录此时输入电压、输出电压幅值、并记录波形。
课程设计任务书 题目：基本互补对称功率放大器OCL的设计 初始条件： 具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备低高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。 要求完成的主要任务： 1.采用6个以上的晶体管完成一个互补对称功率放大器OCL的设计； 2.设计的功率放大器输出功率达到10W以上； 3. 利用MULTISIM和PROTEL软件绘制该电路的原理图和PCB印制电路板图； 4.完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。 时间安排： 1．2011年6月10日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。 2．2011年6月10日至2011年6月23日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。 3. 2011年6月24日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日
目录 摘要........................................................................ I A BSTRACT.................................................................... II 1功率放大器的特点及OCL各模块工作原理.. (1) 1.1功率放大器的特点 (1) 1.2功率放大器的分类： (2) 1.3功率放大器的个组成模块及原理 (3) 1.3.1中级驱动的基本放大电路工作原理 (3) 1.3.2输入级差分放大器模块的工作原理 (6) 1.3.3输出级功率放大器模块的工作原理 (8) 2基本互补对称功率放大器的设计 (11) 3电路的仿真及实物调试 (13) 3.1M ULTISIM软件仿真电路 (13) 3.2实物的调试 (15) 4通过P ROTEL制作PCB板 (16) 5元件清单 (20) 6心得体会 (21) 参考文献 (22)