高分模电实验9.1 9.2——分立与集成放大器实验

  • 实验目的
  • 掌握分离元件“OTL”功率放大器电路和集成放大电路的工作原理以及静态工作点的调试;
  • 掌握分立元件与集成功率放大电路的性能指标的基本分析方法和调试方法;
  • 理解影响功率放大电路的常见因素;
  • 掌握放大电路失真现象和消除失真的方法;
  • 实验仪器

数字示波器;数字万用表;交流毫伏表;各类三极管;集成功放芯片。

  • 实验原理
  1. OTL功率放大器

(1)工作原理:

电路的核心结构为T2、T3构成的互补输出极电路,当输出信号位于正半周期与负半周期时分别通过T2、T3输出。

为消除当输入信号较小时两个三极管均处于截至状态的交越失真,在T2、T3的基极并联两个二极管,使得三极管在无信号输入时处于微导通状态。在静态工作点时,D1、D2的电压应小于二倍的三极管开启电压。

输入极的R2、R1与Rw构成静态工作点稳定电路,构成深度电压并联负反馈,在稳定了静态工作点的同时也改善了非线性失真。

三极管T1构成共射放大电路,将输入电压放大并倒相。

电路为单电源电路,A点的静态电压为Ucc/2,输出电压uo在0-Ucc内变化,其幅值Uom=Ucc/2。

电容C与R构成自举电路,用于提高输出电压正半周期的幅度,以得到大的动态范围。

  • 参数计算:

所有三极管的饱和管压降都很小,可忽略不计。

当电路输入ui正弦信号时,输出电压的振幅值

输出功率:

直流电源的输入功率:

晶体管功率:

为使得功放电路正常工作,应满足以下参数:

  1. 集成功率放大器:

(1)LM386

芯片LM386是一种小功率集成功率放大器,可以处理300KHz以下的音频信号。

芯片的放大倍数Au由器件内部电阻以及1、8管脚之间的电阻R确定。当1、8开路时,放大倍数Au=20;当1、8之间接10μF的电容时,Au=200;当1、8之间接10μF电容以及100kΩ的电位器时,。

电容C4用于放大倍数较高时消弱电源波纹对电路的影响;电容C3为功放的旁路电容;R1与C1构成相位补偿网络,用于提高电路的稳定性,防止高频自激

  • TDA2030:

TDA2030为单声道音频功率放大电路,具有转换速度高,失真小,输出功率大等特点。内部构造为由电流源差动放大电路作为输入级,中间放大级,互补对称作为输出级,还有启动和偏置电路以及短路、过热保护电阻。

TDA2030的电源电压为+6V-+18V,静态电流为40mA,输入阻抗为5MΩ,当电压增益为30dB时,RL为4Ω,输出功率为12W.

当电源电压为 Ucc时,最大输出功率的理想值为:。

  • 实验内容:
  • 分立元件OTC电路实验

实验电路图:

(1)调试静态工作点:

将输入电压置零,调节Rw使得T2与T3中间点电压为Ucc/2即为6V,测量各晶体管各级电压记录结果。

T2 UB/V UC/V UE/V
估算值 6.60 12.00 6.00
仿真值 6.64 12.00 6.09
实验值 7.64 11.95 7.02
T3 UB/V UC/V UE/V
估算值 5.40 0 6.00
仿真值 5.37 0 5.91
实验值 6.65 0.01 7.00
T1 UB/V UC/V UE/V
估算值 1.00 5.40 0.30
仿真值 1.02 5.37 0.29
实验值 0.73 2.15 0.09

(2)交越失真的分析

用示波器观察负载两端电压波形,按动开关,使电路处在有交越失真与没有交越失真的状态,记录波形变化,分析二极管作用。

当没有二极管时,当输入的正弦电压信号变化到接近0时,两个三极管均截至,所以有交越失真;当加上二极管时,三极管处于微截至状态,当输入很小的电压就能使其基极电压高于开启电压,从而进入放大状态。

(3)功率指标的分析

逐渐加大输入信号,用示波器观察负载两端的电压波形,使之达到最大且不失真信号,测量此时的输入输出信号幅度,得到电路的输入灵敏度、输出功率、直流电源提供的功率,集电极效率和最大输出功率时单个功放管集电极损耗,记录数据。

调节输入电压幅值,当Ui=19mV时,恰好不饱和。

RL=4.7K

Ui=19mV(恰饱和) Uo/V PO/mW PE/mW η PT/mW
估算值 6 3.83 4.88 78.5 1.04
仿真值 5.51 3.23 4.48 72.1 1.25
测量值 5.91 3.56 4.75 75.2 1.15

(4)自举电容的作用:

观察将电容C断开前后的波形,记录结果。

断开前:

断开后:

前后对比:

观察波形可以看出,自举电容可以增大输出电压的幅值。

  • 集成芯片电路实验:
  1. LM386的实验:(multisim无相应芯片)

如图连接电路图:

选择Ucc=12V,RL=1kΩ。

  • 静态测试

将输入信号置为0,测量器件各引脚对地的电压并记录。

电压/V 1 2 3 4 5 6 7
仿真
测量 1.34 0 0.0025 0 5.91 11.85 5.84
  • 动态特性分析:

1.在同相输入端接入1KHz的正弦波输入电压ui,电位器R调节至0,逐渐增大输入信号的振幅,调节电位器Rp使电路获得最大不失真输出电压Uom,讨论Ucc=12V时性能指标。

Ucc=12V RL=4.7kΩ

Uim/V Uom/V Au Po PE η
C=10μF 仿真
实验 0.98 9.8 10 10.22mW 15.93mW 64.1%

将电位器R从0开始增大,观察输出电压的变化。

2.将负载改为8Ω,再次实验

Ucc=12V RL=8kΩ

Uim/V Uom/V Au Po PE η
C=10μF 仿真
实验 0.76 4.18 5.5 1.09w 3.99w 27.3%
  1. TDA2030实验:

如图连接电路:

  • 观察波形,将输入电压从0开始缓慢增大,用示波器观察输出波形。

分析:由于二极管的作用,波形没有出现交越失真;

在输入电压较高时,会出现顶部失真;

同相输入与反相输入:

分析:同相输入端波形与反相输入端波形几乎重合,说明在集成放大器的输入端是虚短路的。

恰饱和时

分析:负半波形首先出现底部失真。

(2)测量最大不失真输出功率:

在输出波形刚要出现削顶失真时,测量输出电压的电压值,计算输出功率;

同时测量电流源电流,计算直流电源提供的功率,得到最大效率。

Uo/mV Po/mW PE/mW η
仿真 843.43 44.46 160 27.79%
实验 845.21 43.56 485 29.65%
  • 实验思考:
  • 二极管D1D2的作用是什么?

抬高三极管基极电压,使得三极管处于微导通状态,消除交越失真。

  • 简述R5R6的限流原理。

在两个对称的三极管处于临界导通时,可能会出现微导通导致电流直接流过三极管的发射极集电极,近似于短路,会产生大电流烧坏三极管;有了限流电阻,即使是导通,电阻的存在使得电流不至于过大,起到保护三极管的目的。

  • 电源电压提供的功率还可以用何种方式计算?

可以使用万用表的交流档分别测量每个互补输出级的三极管和射极电阻上的电压有效值,算出功率后求和,即可得出电源电压提供的功率。

  • 实际电路实验中,功放管的饱和管压降是多少?

约为1-2V.

(5)功率放大电路与电压放大电路的区别是什么?

功率放大电路与其它放大电路在本质上没有根本的区别;只是功放既不是单纯追求输出高电压,也不是单纯追求输出大电流,而是追求在电源电压确定的情况下,输出尽可能大的功率;电压放大电路要求的功率不是很大,但要保证输出电压不失真。因此,从功放电路的组成和分析方法,到其元器件的选择,都与小信号放大电路有着明显的区别。

(6)分析电路为何负载电阻越小,输出电压越低,而输出功率却越高。

两个互补对称的三极管的射极的电阻会跟负载电阻分压,且实验中即使不接射极的稳定电阻,电路的输出电阻也有大约几十欧而达不到零,故负载电阻越小,输出电压越低,但输出电流大大增加,使得负载越小,输出功率越高。

  • 说明LM386电路中各电容的作用。

C1:C1与R1构成相位补偿网络,用于提高电路的稳定性,防止产生高频自激;

C2:为OTL电路的输出电容;  C3:为功放的旁路电容;

C4:用于放大倍数较高时消除电源波纹对电路的影响。

  • 若电位器R=10kΩ,电路的电压放大倍数大约是多少?

24倍

  • 分析图3-57(b)各元件作用

    R4和C7构成相位补偿网络,用于提高电路的稳定性,防止高频自激;二极管消除交越失真;R2做反馈电阻稳定电路。

  • 如何测量电源电流?

将电源与电流表串联后接入电路,测量电流大小。

  • 图3-57是否可以通过改变反馈量改变功放电路的输出功率?

    可以。电路处于深度负反馈,输出电压主要受到反馈回路的影响;改变反馈电阻可以改变输出电压,从而改变输出功率。

     分析电路为何负载电阻越小,输出电压越低,而输出功率却越高。

两个互补对称的三极管的射极的电阻会跟负载电阻分压,且实验中即使不接射极的稳定电阻,电路的输出电阻也有大约几十欧而达不到零,故负载电阻越小,输出电压越低,但输出电流大大增加,使得负载越小,输出功率越高。

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THE END
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