分析甲乙类功率放大器的优化方法

知识储备

1.乙类OCL的缺点

实际上仅由两个射极输出器组成的乙类互补对称的电路并不能使输出波形很好地反映输入的变化。因为在乙类互补对称功率放大电路中，静态时三极管处于截止区。由于三极管存在死区电压（NPN硅管约为0.5V，PNP锗管约为0.1V），当输入信号小于死区电压时，三极管VT1、VT2都不导通，输出电压uo也为零。因此在输入信号正、负半周交界的附近，无输出信号，输出波形出现一段失真（死区），如图4.29（b）所示，这种失真称为交越失真。

自测习题答案

图4.29　交越失真波形

（a）乙类功率放大电路；（b）交越失真波形

图4.30　甲乙类互补对称式功率放大器

2.交越失真的消除电路（甲乙类OCL）

为了减小和克服交越失真，改善输出波形，通常给两个功放管的发射结加一个较小的正向偏置，使两功放管在输入信号为零（静态）时，都处于微导通状态，如图4.30所示。图中的R1、R2、VD1、VD2组成的偏置电路，提供VT1和VT2的偏置，适当选择R1、R2的阻值，可使VD1、VD2连接点的静态电位为0，VT1、VT2的发射极电位也为0，这样，VD1、VD2上的导通电位分别为VT1、VT2提供发射结正向偏置电压，使三极管在输入信号过零时都处于微导通，对小于死区电压的小信号也能正常放大，克服了交越失真。同时，VD1、VD2还有温度补偿作用，使VT1、VT2管的静态电流基本不随温度的变化而变化。

功放管静态工作点不为零，而是有一定的正向偏置，电路工作在甲乙类工作状态，把这种电路称为甲乙类OCL互补对称功率放大电路。

甲乙类互补对称功率放大电路中，两功放管发射结偏置在一定范围内增大时，功放管工作状态靠近甲类，有利于改善交越失真。两功放管发射结偏置在一定范围内减少时，功放管工作状态就靠近乙类，有利于提高功放电路的效率。

OCL电路两功放管互补对称，所以，把它们发射极的连接点称为中点，该点对地电压称为中点电压。在静态时，两功放管互补对称，导通能力相同，所以，中点电压为零。这是OCL电路的一个重要参数，它反映了两功放管的导通状态是否对称。同时，也决定了功放电路能否处于最佳工作状态。在功放电路的维修和调试中，经常需要测量中点电压。

3.带推动级的甲乙类OCL

在实际甲乙类互补对称功率放大电路中，通常带有推动级（激励级），如图4.31所示。图中由三极管VT1组成推动级。功放管VT2和VT3的基极偏置由R1、R2、VD1、VD2和VT1提供，静态时，调整Rw大小，可以改变VT1的静态工作点，从而改变VT2和VT3的导通状态，使中点电压也随之改变。例如，增大wR的电阻值时，中点电压将随之升高。

但采用二极管给功放管发射结提供偏置的电路的缺点是偏置电压不易调整。而在图4.32所示为UBE扩大偏置电路，VT1是激励（推动）放大管，工作在甲类工作状态，其任务是对输入信号进行放大，以输出足够的功率去激励（推动）VT2和VT3功率放大管工作。若VT4管的基极电流可忽略不计，则可求出UCE4=UBE4（R2+R3）/R3，适当调节R2和R3的比值，就可改变功放管VT2和VT3的偏压值。由于三极管VT4的负温度系数，能稳定静态电流，这种方法常在集成电路中采用。另外，在安装时通常把三极管VT4与功放管固定在同一块散热板上或贴装在其中一个功放管上。

图4.31　带推动级的OCL电路

图4.32　利用UBE扩大电路进行偏置的互补对称电路

图4.33　OTL甲乙类互补对称功率放大基本电路

4.甲乙类OTL电路结构

双电源互补对称功率放大电路由于静态时输出端电位为零，负载可以直接连接，不需要耦合电容，因而它具有低频响应好、输出功率大、便于集成等优点，但需要双电源供电，使用起来有时会感到不便，如果采用单电源供电，只需在两管发射极与负载之间接入一个大容量电容C2即可。这种电路通常又称为无输出变压器的电路，简称OTL电路，如图4.33所示。

值得指出的是，在进行主要参数估算时，其方法和前面OCL电路是相同的，只不过这时的电源已不是±VCC，而是±VCC/2，即前面导出的计算Pom、Pv、Pvmax、η、U（BR）CEO的公式中的VCC要以VCC/2代替。

为了提高电路工作点的稳定性能，常将A点通过电阻R1、R2组成的分压器与推动级的基极相连，以引入负反馈。例如，若由于温度变化使AU↑，则

其中IB1、IC1分别为管VT1的基极和集电极电流，引入负反馈的结果，最后使AU趋于稳定。值得指出，R1、R2还引入了交流负反馈，使放大电路的动态性能指标得到了改善。

5.带自举的OTL甲乙类互补对称功率放大电路

图4.34　带自举的OTL甲乙类互补 对称功率放大电路

与OCL电路相比，OTL电路少用了一个电源，但由于输出端的耦合电容容量大，则电容器内铝箔卷绕圈数多，呈现的电感效应大，它对不同频率的信号会产生不同的相移，输出信号有附加失真，这是OTL电路的缺点。

知识拓展

1.复合管互补对称功率放大电路

互补对称功率放大电路要求功放管要互补对称，但在实际情况中，功放需要输出足够大的功率，即要求功放管为一对大电流、高耐压的大功率管，对大功率NPN管和PNP管要配对是比较困难的，为此常常采用复合管的接法来实现互补，以解决大功率管互补配对困难的问题。

1）复合管的结构

把两个或两个以上的三极管的电极按一定原则连接起来，等效一个管子使用，即为复合管，又称为达林顿管。连接成复合管的原则是：在复合时，第一个管子为小功率管，第二个管子为大功率管；复合管内部各晶体管的各极电流方向都符合原来的极性，并符合基尔霍夫电流定律。

几种常见的复合管类型如图4.35所示。图4.35（a）、（b）由两只同类型管子构成复合管，图4.35（c）、（d）则由不同类型的两只管子构成复合管。

由图4.35可以看出，复合管的类型是由第一个管子的类型来决定的。图4.35（a）中，第一个管子为NPN型，第二个管子为NPN型，复合管等效为NPN型，图4.35（c）中，第一个管子为NPN型，第二个管子为PNP型，则复合管仍然等效为NPN型。

图4.35　4种常见复合管形式

（a）NPN管；（b）PNP管；（c）NPN管；（d）PNP管

图4.36　接有泄放电阻的复合管

2）复合管的特点

（1）电流放大系数很大。

复合管的电流放大系数大大提高，总的电流放大系数近似为两单管电流放大系数的乘积，即β≈β1β2。

（2）穿透电流大。

由于复合管中第一个晶体管的穿透电流会进入下一级晶体管进行放大，使得总的穿透电流比单管穿透电流大得多，使其温度稳定性变差，这是复合管的缺点。为了减小穿透电流的影响，常在两个晶体管之间并接一个泄放电阻，如图4.36所示。泄放电阻R的接入将VT1管的穿透电流ICEO1分流，R越小，分流作用越大，复合管总的穿透电流越小。但是，R的接入也会使复合管的电流放大倍数下降。

3）复合管构成的互补对称功率放大电路

（1）分立元件驱动的复合管互补对称功率放大电路。

图4.37所示是采用复合管的互补对称功率放大电路，其原理和图4.34相同，VT2和VT4复合成一个NPN型三极管，VT3和VT5复合成一个PNP型管。图中R6、R7分别为VT2、VT3的电流负反馈电阻，同时，也可以说为VT4、VT5提供基极偏置，有的也把R6、R7称为复合管的泄放电阻。R8和C4组成移相网络，改善输出的负载特性。

图4.37　采用复合管的互补对称功率放大器

图4.38所示是采用复合管的准互补对称功率放大器，图中VT2和VT4复合成一个NPN型三极管，VT3和VT5复合成一个PNP型管。由于VT4和VT5都为NPN型管，不是互补型管，但两个复合管是互补的，把这种情况的功率放大器称为准互补对称功率放大器。

图4.38　采用复合管的准互补对称功率放大器

（2）集成运放驱动的复合管互补对称功率放大电路。

图4.39是一种集成运放驱动、复合管构成的OTL功率放大电路。在图4.39中，运算放大器A对输入信号先进行适当放大，以驱动功放管工作，常称为前置放大级。其中R2、R3将运放输入端电位提升，是双电源集成运放在单电源供电下能正常工作。VT1～VT4构成OTL互补对称电路，其中，VT1和VT2组成NPN型复合管，VT3和VT4组成PNP型复合管。R4、R5、VD1、VD2和VD3为功放管的基极提供静态偏置电压，使其静态时处于微导通状态。R7和R8称为泄放电阻，用来减小复合管的穿透电流。电阻R6是VT1和VT3管的平衡电阻，电阻R9和R10用来稳定电路的静态工作点，减小非线性失真，并具有过流保护的作用。电阻R1和R11构成电压并联负反馈电路，用来稳定电路的输出电压，提高电路的带负载能力。

图4.39　集成运放驱动的互补对称功率放大电路

2.BTL功率放大电路

BTL功率放大电路是桥接式推挽电路的简称，也叫双端推挽电路，它是在OCL、OTL功放的基础上发展起来的一种功放电路。图4.40所示是BTL电路的结构，BTL电路的原理图如图4.41所示，4个功放管连接成电桥形式，负载电阻RL不接地，而是接在电桥的对角线上。

图4.40　BTL结构

图4.41　BTL电路的原理

BTL功率放大器的工作原理如下。

从电路结构上来看，两个OCL电路的输出端分别接在负载的两端。

电路在静态时，两个输出端保持等电位，这时负载两端电位相等，无直流电流流过负载。

在有信号输入时，两输入端分别加上了幅度相等、相位相反的信号。在输入正半周时，VT1、VT4导通，VT2、VT3截止。导通电流由电源→VT1→负载RL→VT4→地，电流流向如图4.41中实线所示，负载得到了正半周波形。

在输入负半周时，VT2、VT3导通，VT1、VT4截止。导通电流由电源→VT3→负载RL→VT2→地，电流流向如图4.41中虚线所示，负载得到负半周波形。(www.xing528.com)

4只功率放大管以推挽方式轮流工作，共同完成了对一个周期信号的放大。VT1导通时，VT4也导通，在这半个周期内，负载两端的电位差为2Δuo1。在理想情况下，VT1导通时uo1从0上升到VCC，即Δuo1=VCC；而VT4导通时uo2从0下降到-VCC，即Δuo2=-VCC。这样，负载上的电位差为ΔUL=2VCC。在另半个周期内，VT2和VT3导通，负载上的电位为ΔUL=2VCC，即BTL电路负载上的正弦波最大峰值电压为电源电压的两倍。由于输出功率与输出电压的平方成正比，因此在同样条件下，BTL的输出功率为OTL或OCL电路的4倍。

BTL功率放大器可以由两个完全相同的OTL或OCL电路按图4.41所示的方式组成一个BTL电路。由图可见，BTL电路需要的元件比OTL或OCL电路多一倍，因此用分立元件来构成BTL电路就显得复杂且成本也比较高。根据电桥平衡原理，BTL电路左右两臂的三极管分别配对即可实现桥路的对称。这种同极性、同型号间三极管的配对显然比互补对管的配对更加容易也更经济，特别适宜制作输出级为分立元件的功放。但由于集成功放的外接元件少，保护功能完备，加之集成芯片内部的差分对管、互补对管的一致性较好，因而实际产品普遍采用的是集成功放来制作BTL功放。

目前成熟的商品化BTL电路一般通过增加一级由三极管或运放等有源器件构成的反相电路以实现输入信号的反相；然后把这两路幅值相等、相位相反的信号经两组完全相同的放大器放大后输出至负载。

OTL电路采用BTL方式不仅可以获得较大的功率输出，而且由于两组放大器的中点电位都近似等于电源电压的一半，故可省去原有的大容量输出耦合电容，这在很大程度上改善了原有功放的低频响应。在BTL电路中一般都采用低噪声、高转换速率的优质集成运放作为倒相器。

自测习题答案

自测习题

1.填空

（1）甲乙类互补对称功率放大器中OCL电路是_________（单、双）电源供电，输出______（有/无）电容。

（2）加上直流电源后，甲乙类互补对称功率放大器工作在____________状态。

2.选择

（1）OCL功放电路中，中点电位应为（　　）。

A.0　B.VCC/2　C.VCC

（2）在OCL电路中，引起交越失真的原因是（　　）。

A. 输入信号大　B. 晶体管β过大

题2（3）图

C. 电源电压太高　D. 晶体管输入特性非线性

（3）题2（3）图是典型的（　　）功率放大电路。

A. 甲类　B. 乙类　C. 甲乙类

3.判断

（1）甲乙类功率放大电路不能克服交越失真。（　　）

（2）甲乙类功放电路信号在整个周期内导通。（　　）

（3）OTL功率放大电路是由单电源供电，输出端不接电容。（　　）

4.分析

（1）电路如题4（1）图所示，

1）按Q点的位置该电路VT1、VT2工作在哪一类？（甲类、甲乙类）

2）是OTL还是OCL电路？

3）若UCC=+15 V，静态时A点电位、B点电位是多少？

4）动态时若输出出现下图波形为何种失真？

5）若C足够大，UCC=+15 V，UCES忽略，RL=8 Ω，则RL上最大不失真输出功率POmax=？

题4（1）图

（2）试判断题4（2）中符合功率管子的类型？

题4（2）图

二维码：自测习题答案