模擬音頻功率放大器設計

葛中海

河南信陽人，中山市技師學院高 級講師。1994年畢業於東北重型機械學院電氣自動化專業，是年分配到鄭州白鴿（集團）有限公司。1995年秋，因朋友引薦來到廣東省這片民營企業的“熱土”，先後在中山愛多、廣東金正和步步高電子公司從事VCD、DVD設計研發工作，對音視頻編解碼、音響技術、開關電源有深入的研究。 2004年秋，因身體原因回中山市技師學院任教，先後在《無線電》《家電維修》《電子產品世界》等雜誌發表40多篇專業論文。榮獲第六屆、第七屆廣東省職業技能和技工教育教學成果二等獎；2010年電子專業人才設計與技能大賽，榮獲廣東賽區優 秀指導教師獎；2017年廣東省CAD機械設計職業技能大賽，榮獲優 秀指導教師稱號。出版《電工基礎》、Protel Dxp2004簡明教程與考證指南》，《模擬電子技術基礎》，《開關電源實例電路測試分析與設計》和《音頻功率放大器設計》。

第 1章　概述 1

1.1　功率放大電路的預備知識　1

1.1.1　理想化的“黑盒子”電路　1

1.1.2　分立件功放的優點　2

1.2　晶體管和FET的工作原理　3

1.2.1　晶體管或FET是怎麼進行

“放大”的？　3

1.2.2　晶體管的工作原理　4

1.2.3　晶體管的各端子電流之間的關系　5

1.2.4　用數字萬用表判斷晶體管的類型　6

1.2.5　用數字萬用表測量晶體管的直流放大倍數　7

1.2.6　FET的工作原理　7

第　2章 共發射極放大器　9

2.1　觀察共發射極放大器的波形　9

2.1.1　5倍的電壓放大　9

2.1.2　基極與發射極電位及波形　11

2.1.3　集電極與發射極電位及波形　12

2.2　直流參數與電壓增益　14

2.2.1　直流參數　15

2.2.2　電壓增益　15

2.3　放大電路的設計　17

2.3.1　確定電源電壓　17

2.3.2　晶體管的選擇　17

2.3.3　確定發射極的靜態電流　19

2.3.4　發射極電阻的確定　20

2.3.5　集電極電阻的確定　21

2.3.6　晶體管的靜態損耗　21

2.3.7　基極偏置電路的設計　21

2.3.8　最大不失真輸出電壓　23

2.3.9　確定耦合電容Cin與Cout的容量　25

2.3.10　確定電源去耦電容C1與C2的容量　26

2.4　放大電路的交流性能　27

2.4.1　輸入阻抗Ri　27

2.4.2　輸出阻抗Ro　28

2.4.3　幅頻特性　30

2.4.4　頻率特性不擴展的原因　32

2.4.5　提高電壓放大倍數的方法　33

2.4.6　噪聲電壓　34

2.4.7　總諧波失真　34

第3章　共集電極放大器　36

3.1　觀察射極跟隨器的波形　36

3.1.1　射極跟隨器的工作波形　36

3.1.2　較低的阻抗輸出　38

3.2　射極跟隨器的設計　39

3.2.1　確定電源電壓　39

3.2.2　晶體管的選擇　39

3.2.3　晶體管集電極損耗　40

3.2.4　發射極電阻Re的確定　40

3.2.5　基極偏置電路的確定　41

3.2.6　輸入輸出電容的確定　41

3.3　射極跟隨器的交流性能　41

3.3.1　輸入輸出阻抗　41

3.3.2　加重負載或增大輸入信號時的工作狀況　42

3.3.3　互補對稱功率放大器　45

3.3.4　改進後的互補對稱功率放大器　46

3.3.5　幅頻與相頻特性　48

3.3.6　噪聲及總諧波失真　49

第4章　小功率音頻放大器　51

4.1　“發熱”是功率放大器的重要問題　51

4.1.1　功率放大器的基本架構　51

4.1.2　功率管熱擊穿的機理　52

4.1.3　UBE倍增管與功率管熱耦合防止熱擊穿　54

4.2　小功率放大器的設計　55

4.2.1　設計規格　55

4.2.2　電源電壓的確定　57

4.2.3　靜態電流的確定　57

4.2.4　集電極與發射極電阻的確定　58

4.2.5　基極偏置電阻的確定　58

4.2.6　UBE倍增電路　59

4.2.7　功率管的損耗　61

4.2.8　輸出電路周邊的元件　63

4.3　小功率放大器的性能　63

4.3.1　靜態電流調整　63

4.3.2　工作波形與電壓增益　63

4.3.3　2kΩ的輸入阻抗　65

4.3.4　最大不失真輸出電壓　67

4.3.5　用PNP管作為放大極　68

4.4　小功率音頻放大器設計實例　69

4.4.1　電路結構及工作原理　69

4.4.2　功率管TIP41與TIP42　70

第5章　單管輸入級功率放大器　73

5.1　單管輸入級小功率放大器　73

5.1.1　單管輸入功放的電路結構　73

5.1.2　直流參數　74

5.1.3　提高的輸入阻抗　75

5.1.4　電壓放大倍數　75

5.1.5　負載揚聲器（8Ω）的工作波形　76

5.1.6　恆流源取代R5提高輸出電壓振幅　77

5.1.7　負反饋對電路性能的改善　80

5.1.8　用NPN管作前置級的小功率放大器　82

5.2　復合管輸出級中功率放大器　83

5.2.1　復合管輸出級的電路結構　83

5.2.2　靜態參數　85

5.2.3　自舉電路給激勵級供電的工作波形　86

5.2.4　恆流源給激勵級供電的工作波形　89

5.2.5　激勵級輸入端虛地　89

5.2.6　雙電源供電的OCL電路　91

5.2.7　茹貝爾電路　91

第6章　差動放大器　93

6.1　差動放大器的工作原理　93

6.1.1　溫度漂移　93

6.1.2　電路組成　94

6.1.3　對共模信號的抑製作用　95

6.1.4　對差模信號的放大作用　96

6.1.5　差動放大器的電壓傳輸特性　97

6.2　差動放大器的其他3種接法　100

6.2.1　雙端輸入—單端輸出　100

6.2.2　單端輸入—雙端輸出　101

6.2.3　單端輸入—單端輸出　102

6.2.4　差分對管參數對稱的重要性　103

6.3　觀察差動放大器的波形　103

6.3.1　實驗用差動放大器電路結構　103

6.3.2　差模放大的工作波形　105

6.3.3　共模放大的工作波形　108

6.3.4　共模電壓放大倍數與共模抑制比　110

6.3.5　發射極串接衰減電阻降低增益　111

6.3.6　輸入輸出阻抗　113

6.4　差動放大器的設計　114

6.4.1　恆流源參數的確定　114

6.4.2　電源電壓的確定　115

6.4.3　恆流源電流的確定　115

6.4.4　集電極電阻的確定　116

6.5　差動放大器在集成運放中的應用　116

第7章　差動輸入級功率放大器　119

7.1　功放歷史、電路結構與工作方式　119

7.1.1　功放的簡要歷史　119

7.1.2　三級功放的電路結構　120

7.1.3　功放的工作方式　121

7.2　差動功放的基本原理　122

7.2.1　差動功放是如何工作的？　122

7.2.2　功放的增益帶寬積　124

7.2.3　功放的主極點頻率　125

7.2.4　功放中的負反饋　125

7.3　差動輸入級功率放大器　126

7.3.1　差動功放的電路結構　126

7.3.2　靜態參數計算（電源電壓為±15.5V）　129

7.3.3　動態參數估算　130

7.3.4　工作波形　132

7.3.5　用NPN管作輸入級的功放　135

7.4　輸出級的結構類型　136

7.4.1　射極跟隨器類型　136

7.4.2　倒置達林頓類型　137

7.4.3　準互補輸出級　138

7.4.4　三重結構輸出級　138

7.4.5　大信號失真的機理　139

7.4.6　功率輸出管並聯能減小失真　140

7.4.7　功率管並聯輸出的功放電路　140

第8章　深入研究小信號放大級　145

8.1　差動輸入級　145

8.1.1　輸入級產生的失真　145

8.1.2　單獨測量輸入級的失真　147

8.1.3　直流平衡能減小總諧波失真　149

8.1.4　鏡像電流源負載能迫使差分對管電流精確平衡　151

8.1.5　輸入級的恆定跨導變換　152

8.1.6　直流失調電壓　153

8.2　電壓放大級　156

8.2.1　電壓放大級的失真　156

8.2.2　改善電壓放大級的線性：有源負載技術　157

8.2.3　電壓放大級的強化　158

8.2.4　50W（B類）Hi-Fi功放　159

8.2.5　“小鋼炮”—平衡式電壓放大級功放電路實例　162

8.3　轉換速率　164

8.3.1　放大器速率限制的基礎知識　164

8.3.2　轉換速率的提高　165

8.3.3　晶體管極間電容穿透效應對轉換速率

的影響　166

8.3.4　現實中的速率限制　166

8.3.5　其他影響速率的因素　167

8.3.6　具有電流補償功能的UBE倍增電路　168

8.3.7　改進轉換速率的50W（AB類）Hi-Fi功放設計實例　168

第9章　功率放大器設計實例分析　179

9.1　全互補對稱功率放大器　179

9.1.1　互補對稱差分輸入級　179

9.1.2　電壓放大級　183

9.1.3　功率輸出級　183

9.1.4　輸出電感的作用　184

9.1.5　大功率2SC2500和2SA1943對管　184

9.2　功率放大電路的安全運行　187

9.2.1　功率管的二次擊穿　187

9.2.2　功率管的安全工作區　187

9.2.3　功率管的散熱問題　188

9.3　用LM3886製作雙聲道功放　190

9.3.1　LM3886簡介　190

9.3.2　電路結構及工作原理　192

第　10章 A類功率放大器設計　201

10.1　準A類功率放大器　201

10.1.1　A類功放輸出級工作分析　201

10.1.2　準A類功放輸入級的工作狀況　203

10.1.3　準A類功放激勵級的靜態電流　205

10.1.4　輸出級的電流分配　205

10.1.5　功率輸出級的電流波形　205

10.1.6　電源電路及指示　208

10.1.7　場效應管2SK246、晶體管2SC2240和2SA970　209

10.2　集成運放+分立元件甲類功放　212

10.2.1　概述　212

10.2.2　元器件資料　215

10.3　A類功放　221

10.3.1　輸入級的工作狀況　221

10.3.2　電源電路　223

10.3.3　元器件資料　224

10.3.4　輸入級的級聯接法並沒有多大好處　228

10.4　音響發燒友經驗問答　230

結束語　233