如何优化管功率放大器的效率？

甲类功率放大的效率很低，是因为存在较大的静态电流，使得电源的功率大部分被晶体管消耗。为提高功率放大器的效率，就应将静态电流减小，当它减小到零时（晶体管的静态工作点在截止区内），管子的静态损耗为零（但还存在动态的损耗），效率大大提高。这种静态电流为零的功率放大器称为乙类功率放大。当静态电流为零时，管子只能放大半周信号，所以要将两个晶体管组合起来，一只放大正半周，另一只放大负半周，这种用两只晶体管组成的功率放大器称为对管功率放大器。根据电路的结构不同，对管功率放大器有推挽、OTL、OCL、BTL等多种形式。

1.乙类推挽功率放大器的结构和特点

（1）电路结构。图3-44是乙类推挽功率放大器电路。它是由两个特性相同的晶体管组成的对称电路，T₁、T₂为有中心抽头的输入、输出变压器。

（2）两管交替工作原理。当输入信号为正半周时，变压器的二次绕组中的极性是上正下负，则VT₁导通，VT₂截止。VT₁中集电极电流经输出变压器耦合到它的二次绕组，在负载上形成的电流如图3-44a中虚线所示，是输出信号的正半周信号。

当输入信号为负半周时，VT₂导通，VT₁截止，根据上文所述方法可分析在负载上得到输出信号的负半周的情况。这样输入的正弦波信号就分别由两只晶体管放大以后在负载上再合成为一个交流信号，完成了信号的放大。

由此可见，变压器在电路中的作用是让两个晶体管轮流在正、负半周导通，并在负载上获得合成信号，另外还有一个作用是实现阻抗匹配。

（3）最大输出功率。乙类功率放大器的最大输出功率的含义与甲类相同，输出功率与电路参数的关系是：

式中，E_C为电源电压，R_L′为变压器一次绕组的阻抗。

图3-44 乙类推挽功率放大器

a）电路 b）有交越失真的输出波形

（4）效率。理论上乙类推挽功率放大器的效率最大值为78%，在考虑各种因素的影响后，它的实际效率约为60%～70%。由此可见，乙类功率放大器明显比甲类功率放大器的效率高。

（5）交越失真。在分析乙类推挽功率放大器的工作原理时，一般认为VT₁在整个正半周都导通。而实际上，由于静态电流为零，正半周信号很小（<0.5V）时，硅晶体管并没有导通，这时有输入信号而没有输出信号，就造成失真。同样，在负半周时VT₂也存在这个问题。这样在负载上得到的信号如图3-44b所示，在正、负半周的交界处产生失真，将这种失真称为交越失真（交越失真波形可用示波器检测显示）。

要克服交越失真，可分别给两个晶体管的发射结上各加一个很小的正向偏压，让两只晶体管在静态时处于微导通状态（截止区与放大区的交界处）。这样只要有信号，工作的晶体管就能导通放大，另一只晶体管则由微导通状态退到截止区，电路如图3-45所示。由于这种电路的静态工作点处于甲、乙类之间，因此也称为甲乙类功率放大器。

图3-45 克服交越失真的乙类推挽功率放大器

2.OTL电路的结构和特点

在推挽功率放大器中要使用输入、输出变压器，会有一系列的缺点，如变压器的体积大、重量重、存在损耗，使得电路的效率低、频响差等。为解决这个问题，就要去掉变压器，使用无变压器的功率放大器。这类电路有许多，其中最常用的是互补对称推挽功率放大器。

互补对称推挽功率放大器一般可以分为两种，由单电源供电的互补对称功率放大器，常将之称为OTL；由双电源供电的互补对称功率放大器，常将之称为OCL。

（1）OTL电路构成及工作原理。OTL电路如图3-46所示。电路VT₁、VT₂是一对特性近似相同的异型管，所以A点电压为U_C/2，U_B取值为U_C/2静态时，使得VT₁、VT₂均工作在乙类状态。(www.xing528.com)

当输入信号为正半周时，对于VT₁（NPN型管），基极为正，发射极为负，发射结正偏，VT₁导通，集电极电流i_c1开始对电容C充电并流过负载。VT₂（PNP型管）的发射结反偏，VT₂截止。当输入信号为负半周时，VT₁截止，VT₂（PNP型管）发射结正偏，VT₂导通，电容C放电，电流i_c2流过负载。两只晶体管分别工作在正、负半周，使负载R_L上获得一个完整的正弦波。

从上面的分析中可以看出，输出耦合电容C有两个作用，一个是作为耦合电容，另一个是给PNP晶体管供电。

（2）改善交越失真的OTL电路。由于OTL电路工作在乙类状态，所以也存在交越失真，常用的改善交越失真的OTL电路如图3-47所示。在这个电路中VT₁构成甲类放大推动级，VT₂和VT₃构成OTL输出。

图3-46 OTL电路

图3-47 改善交越失真的OTL电路

在讨论乙类推挽功率放大器时，已经知道了改善交越失真的方法是使两晶体管工作在微导通的状态。VD₁、VD₂两个二极管串联接在OTL输出级的两晶体管基极之间，它的静态电压约为1.2V，正好使两个晶体管都有处于微导通状态。二极管的交流电阻非常小，所以它对交流信号几乎没有任何影响，VT₂和VT₃两晶体管得到的输入信号基本相同，不会造成输出信号的正负不对称。

在实际应用中，这两只二极管也可用一只二极管和一只电阻相串联代替，或用电阻和电容的并联电路代替，但用两只二极管串联方式是最常见的。

（3）有自举的OTL电路。图3-48为典型自举OTL电路，它的电路结构与图3-47所示电路基本相同，但做了一些改变。

图3-48 典型自举OTL电路

电路中C₂、R_C′为自举电路，这个电路的作用是使两只晶体管都得到充分的利用，在负载上得到最大的输出电压，并提高功率。

RP₂的作用是克服交越失真，与图3-47中的VD₁、VD₂作用相同。RP₁除了作为VT₁的上偏置电阻，还有进行温度补偿的功能。

（4）OTL电路工作点的调整。典型的OTL电路如图3-48所示，调整静态工作点靠两个电位器。首先调VT₁的基极偏置电位器RP₁，使A点电位为V_CC/2，然后调VT₂、VT₃的偏置电位器RP₂，使交越失真消失。根据两只晶体管的材料不同，调整的电压也不相同。在调整过程中，RP₂的变化可能会影响A点的电位，RP₁的变化可能会影响交越失真，所以要反复调整，直到找到最佳值。

3.OCL电路的结构和特点

（1）OCL电路的工作原理。图3-49为OCL电路，从图中可以看出，它的结构与OTL电路差不多。实际上，它的工作原理也与OTL电路相似，不同点在于OCL电路中用不到输出耦合电容，因此若还采用单电源供电，就会使得VT₂没有电源。为解决这个问题，用了两个电源分别给VT₁、VT₂供电，所以说OCL是双电源供电的互补对称功率放大器，也叫无输出电容功率放大器。

（2）OCL电路的特点。由于OTL电路中用到了输出耦合电容，这个电容的大小决定了放大器的低端频率响应，所以电容应大些。但是，即使电容量非常大，很低的频率也不能通过此电容，而且电解电容本身就是用卷绕的方法制成的，不可避免地存在电感的效应，还会影响高端频响特性。这就要求去掉输出耦合电容，来克服上面所提到的缺点，也就是OCL电路的优点所在。由于输出采用直接耦合，要设法避免直流进入负载（中点电位为零），否则会给扬声器等负载带来不必要的麻烦。

图3-49 OCL电路