9.4 集成功率放大电路

OTL、OCL 和 BTL 电路均有各种不同输出功率和不同电压增益的集成电路。应当注意，在使用 OTL 电路时，需外接输出电容。为了改善频率特性，减小非线性失真，很多电路内部还引入深度负反馈。这里以低频功放为例。

一、集成功率放大电路的分析

1、LM386 内部电路

LM386 内部电路原理图如图9.4.1所示，与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路，如点划线所划分。

第一级为差分放大电路，$T_1$ 和 $T_3$、$T_2$ 和 $T_4$ 分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；$T_5$ 和 $T_6$ 组成的镜像电流源作为 $T_1$ 和 $T_2$ 的有源负载；信号从 $T_3$ 和 $T_4$ 管的基极输入，从 $T_2$ 管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。镜像电流源作为差分放大电路有源负载，使单端输出电路的增益近似等于双端输出电路的增益。
第二级为共射放大电路，$T_7$ 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 $T_8$ 和 $T_9$ 管复合成 PNP 型管，与 NPN 型管 $T_{10}$ 构成准互补输出级。二极管 $D_1$ 和 $D_2$ 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，固为 OTL 电路。输出端（引脚 5 ）应外接输出电容后再接负载。
电阻 $R_7$ 从输出端连接到 $T_2$ 的发射极，形成反馈通路，并与 $R_5$ 和 $R_6$ 构成反馈网络，从而引入了深度电压负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。
应当指出，在引脚 1 和 8（或者 1 和 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9.4.1中所示。外接不同阻值的电容式，电压放大倍数的调节范围为 $20\sim 200$，即电压增益的调节范围为 $26\sim 46\text{dB}$。

2、LM386 的引脚图

LM386 的外形和引脚的排列如图9.4.2所示。

引脚 2 为反相输入端，3 为同相输入端；引脚 5 为输出端；引脚 6 和 4 分别为电源和地；引脚 1 和 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 $10\text{μF}$。

二、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有最大输出功率、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 $4\sim 12\text{V}$，LM386 - 4 的电源电压为 $5\sim 18\text{V}$。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将不同；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将不同。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。
几种典型产品的性能如表9.4.1所示。$$表1几种集成功放的主要参数$$

型号	LM386 - 4	LM2877	TDA1514A	TDA1556
电路类型	OTL	OTL（双通道）	OCL	BTL（双通道）
电源电压范围/V	5.0 ~ 18	6.0 ~ 24	±10 ~ ±30	6.0 ~ 18
静态电源电流/mA	4	25	56	80
输入阻抗/kΩ	50		1000	120
输出功率/W	1（$V_{CC}=16\text{V}$，${R}_L=32\Omega$）	4.5	48（$V_{CC}=\pm 23\text{V}$，${R}_L=4\Omega$）	22（$V_{CC}=14.4\text{V}$，${R}_L=4\Omega$）
电压增益/dB	26 ~ 46	70（开环）	\, 89（开环） \\\, 30（闭环）	26（闭环）
频带宽/kHz	300 \\\, （1，8开路）		0.02 ~ 25	0.02 ~ 15
增益频带宽积/kHz		65
总谐波失真/%（或 dB）	0.2%	0.07%	-90 dB	0.1%

表9.4.1中的电压增益均在信号频率为 $1\text{kHz}$ 条件下测试所得。应当指出，表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。

三、集成功率放大电路的应用

1、集成 OTL 电路的应用

图9.4.3所示为 LM386 的一种基本用法，也是外接元件最少的一种用法，$C_1$ 为输出电容。由于引脚 1 和 8 开路，集成功放的电压增益为 26 dB，即电压放大倍数为 20。利用 $R_w$ 可调节扬声器的音量。$R$ 和 $C_2$ 串联构成校正网络用来进行相位补偿。

静态时输出电容上电压为 $V_{CC}/2$，LM386 的最大不失真输出电压的峰 - 峰值约为电源电压 $V_{CC}$。设负载电阻为 $R_L$，最大输出功率表达式为$$P_{om}\approx \frac{(\frac{V_{CC}/2}{\sqrt{2}}{)}^2}{R_L}=\frac{V_{CC}^2}{8R_L}(\mathrm{9.4.1})$$此时的输入电压有效值的表达式为$$U_{im}=\frac{\frac{V_{CC}}{2}/\sqrt{2}}{A_u}(\mathrm{9.4.2})$$当 $V_{CC}=16\text{V}$、$R_L=32\Omega$ 时，$P_{om}\approx 1\text{W}$，$U_{im}\approx 283\text{mV}$。
图9.4.4所示为 LM386 电压增益最大时的用法，$C_3$ 使引脚 1 和 8 在交流通路中短路，使 $A_u\approx 200$；$C_4$ 为旁路电容；$C_5$ 为去耦电容，滤掉电源的高频交流成分。当 $V_{CC}=16\text{V}$、$R_L=32\text{Ω}$ 时，与图9.4.3所示电路相同，$P_{om}$ 仍约为 $1\text{W}$；但输入电压的有效值 $U_{im}$ 却仅需 $28.3\text{mV}$。

图9.4.5所示为 LM386 的一般用法，图中利用 $R_2$ 改变 LM386 的电压增益。

2、集成 OCL 电路的应用

图9.4.6所示为 TDA1521 的基本用法。TDA1521 为 2 通道 OCL 电路，可作为立体声扩音机左右两个声道的功放。其内部引入了深度电压串联负反馈，闭环电压增益为 30 dB，并具有待机、净噪功能以及短路和过热保护等。

查阅手册可知，当 $\pm V_{CC}=\pm 16\text{V}$、$R_L=8\text{Ω}$ 时，若要求总谐波失真为 $0.5\%$，则 $P_{om}\approx 12\text{W}$。由于最大输出功率的表达式为$$P_{om}=\frac{U_{om}^2}{R_L}$$可得最大不失真输出电压 $U_{om}\approx 9.8\text{V}$，其峰值约为 $13.9\text{V}$，可见功放内部压降的最小值约为 $2.1\text{V}$。当输出功率为 $P_{om} $ 时，输入电压有效值 $U_{im}\approx 310\text{mV}$。

3、集成 BTL 电路的应用

TDA1556 为 2 通道 BTL 电路，与 TDA1521 相同，也可作为立体声扩音机左右两个声道的功放，图9.4.7所示为其基本用法，两个通道的组成完全相同。TDA1556内部具有待机、净噪功能，并有短路、电压反向、过电压、过热和扬声器保护等。

TDA1556 内部的每个放大电路的电压放大倍数均为10，当输入电压为 $U_i$ 时，$A_1$ 的净输入电压 ${\dot{U}}_{i1}={\dot{U}}_{p1}-{\dot{U}}_{p2}={\dot{U}}_i$，${\dot{U}}_{o1}={\dot{A}}_{u1}{\dot{U}}_i$；$A_2$ 的净输入电压 ${\dot{U}}_{i2}={\dot{U}}_{p2}-{\dot{U}}_{p1}=-{\dot{U}}_i$，${\dot{U}}_{o2}=-{\dot{A}}_{u2}{\dot{U}}_i$；因此，电压放大倍数$${\dot{A}}_u=\frac{{\dot{U}}_o}{{\dot{U}}_i}=\frac{{\dot{U}}_{o1}-{\dot{U}}_{o2}}{{\dot{U}}_i}=\frac{{\dot{A}}_{u1}{\dot{U}}_i-(-{\dot{A}}_{u2}{\dot{U}}_i)}{{\dot{U}}_i}=2{\dot{A}}_{u1}=20$$电压增益 $20\lg |{\dot{A}}_u|\approx 26\text{dB}$。
为了使最大不失真输出电压的峰值接近电源电压 $V_{CC}$，应设置放大电路同相输入端和反相输入端的静态电位均为 $V_{CC}/2$，输出端静态电位也为 $V_{CC}/2$，因此内部提供的基准电压 $U_{REF}$ 为 $V_{CC}/2$。当 $u_i$ 由零逐渐增大时，$u_{O1}$ 从 $V_{CC}/2$ 逐渐增大，$u_{O2}$ 从 $V_{CC}/2$ 逐渐减小；当 $u_i$ 增大到峰值时，$u_{O1}$ 达到最大值，$u_{O2}$ 达到最小值，负载上电压可接近 $+V_{CC}$。同理，当 $u_i$ 由零逐渐减小时，$u_{O1}$ 和 $u_{O2}$ 的变化与上述过程相反；当 $u_i$ 减小到负峰值时，$u_{O1}$ 达到最小值，$u_{O2}$ 达到最大值，负载上电压可接近 $-V_{CC}$。因此，最大不失真输出电压的峰值可接近电源电压 $V_{CC}$。
查阅手册可知，当 $V_{CC}=14.4\text{V}$、$R_L=4\text{Ω}$ 时，若总谐波失真为 $0.1\%$，则 $P_{OM}\approx 22\text{W}$。最大不失真输出电压 $U_{om}\approx 9.38\text{V}$，其峰值约为 $13.3\text{V}$，因而内部放大电路压降的最小值约为 $1.1\text{V}$。为了减小非线性失真，应增大内部放大电路压降的最小值，当然势必减小电路的最大输出功率。