研究OTL功率放大器的实验

【实验目的】

(1)理解OTL功率放大器的工作原理并掌握其分析方法。

(2)掌握OTL电路性能指标的测试方法。

(3)了解用集成运放构成单电源供电交流放大器的方法。

(4)了解OTL电路对放大电路输出功率的扩展作用。

【实验任务】

1.OTL电路的调测

被测电路如图7.7.1所示。

(1)静态工作点的测试

分别测量电路中A、B两点对地的直流电位,判断电路处于正常静态,否则查找原因排除故障。

(2)测量电路的电压放大倍数

输入信号选适当频率和幅度的正弦信号,观察输入、输出波形并测量电路的电压放大倍数。

(3)测量最大输出功率和效率、B点波形

输入信号选适当频率的正弦信号,测量在有、无自举电容两种情况下,电路的最大输出功率和效率。定量画出有自举电容时,电路工作于最大不失真输出时的B点波形,标注关键点的值。分析B点波形最大值为何可以超过电源电压。

(4)测量交越失真

选择适当频率和幅度的正弦输入信号,在输入信号不变的情况下,观察二极管VD1和VD2被短路、不被短路两种情况下,电路的输出信号波形,并定量画出两种情况下示波器显示的输入、输出波形,标出关键参数值。对两个输出波形进行对比,讨论二极管VD1、VD2的作用。

2.μA741构成的交流放大电路的测量

测试电路如图7.7.2所示。

图7.7.1　OTL电路

图7.7.2　集成运放构成的交流放大器

(1)静态工作点的测试

测量电路中集成运放芯片的同相输入端、反相输入端和输出端的直流电位,判断电路处于正常静态,否则查找原因排除故障。

(2)测量电路的电压放大倍数

输入适当频率和幅度的正弦信号,观察输入、输出波形并测量电路的电压放大倍数。

(3)测量最大输出功率

输入适当频率的正弦信号,测量电路的最大输出功率。

3.测量OTL电路对交流放大电路输出功率的放大

将图7.7.2所示电路的输出端电容CO和负载电阻去掉后,其输出端接入图7.7.1所示电路的输入端,两个电路级联,利用OTL电路将交流放大器的输出功率进行放大。

(1)测量电路的电压放大倍数

输入信号参数选择与测量任务2(2)相同时,观察总电路的输入、输出波形,并测量总电路的电压放大倍数。

(2)测量最大输出功率和效率

输入适当频率的正弦信号,测量总电路的最大输出功率和效率。

以上结果与2中的结果相比较,理解OTL电路的功率放大作用。

【实验预习】

(1)查阅所用晶体管和集成运算放大器的数据手册,了解器件重要极限参数的意义,判断器件的极限参数对电路性能有无限制。

(2)阅读本实验【相关知识】并参考相关文献,理解OTL电路的工作原理和特点。

(3)使用电路仿真软件对实验电路进行仿真。(www.xing528.com)

(4)参照相关测量方法,拟定实验详细操作和测量步骤,设计相关数据表格,并列出实验注意事项。

(5)选出实验用元件并检测,在面包板上搭接实验用电路。

(6)预习思考题:

①图7.7.1所示OTL电路在正常情况下,A、B两点的直流电位应是多少?图7.7.2所示交流放大器在正常情况下,同相输入端、反相输入端、输出端的直流电位各应是多少?

②图7.7.1所示的OTL电路中,晶体管的基极偏置电阻R1、R2、R3与实验六中单级晶体管放大电路中的基极偏置电阻相比,阻值明显偏小至少一个数量级,为什么?R1、R2、R3的阻值大小对电路的效率有无影响?

③当OTL电路中的晶体管VT1和VT2的基极之间出现开路或者短路情况时,电路分别会出现什么现象?

④使用二极管VD1和VD2时,应该注意哪些问题或如何操作才能避免VT1和VT2的基极之间出现开路或者短路情况?

【报告撰写】

实验之前

◆参考本书附录“实验报告格式”,结合实验预习过程完成报告1～5项。

实验之后

◆结合实验过程继续完成报告6～9项。

◆思考题:

①对比分析实验结果,总结OTL电路对交流放大器的功率扩展效果以及其他性能的影响。

②从B点波形分析自举电容的作用和充放电回路。

③总结VD1、VD2克服交越失真的原理和效果,提出其他克服交越失真的方法。

【相关知识】

1.OTL功率放大器

功率放大器以输出较大功率为目的,带载能力强,可以直接驱动负载工作,如扬声器发声、继电器工作、电机转动等。因此功率放大器通常工作在大信号状态。

在实际应用中常用的功率放大器有分立元件组成的推挽电路,如OTL电路、OCL电路以及集成功率放大电路。

分立元件构成的推挽电路是功率放大电路的基本形式。图7.7.3所示OTL低频功率放大电路由参数对称的NPN型晶体管VT1和PNP型晶体管VT2组成互补推挽结构。VT1、VT2都接成射极输出形式,因此电路具有输出阻抗低、负载能力强等优点,适合用做功率输出级。在集成运算放大器、集成功率放大器等集成电路中,输出级常采用这种推挽电路形式。

图7.7.3　OTL低频功率放大器

图7.7.3所示电路中,用于克服交越失真的二极管VD1、VD2为VT1、VT2提供合适的静态电压,使电路工作于甲、乙类状态;两个发射极电阻RE1和RE2对晶体管起保护作用,但也会影响电路的性能,所以阻值不宜太大;偏置电阻R1和R2之和与R3相当,以保持电路上下的对称性。因为电路的输入信号耦合至PNP管的基极,由于VD1、VD2的存在,若电路中无自举电容C,则输出信号正半周动态范围将小于负半周。

当电路输入正弦交流信号ui时,ui的正半周使VT1导通而VT2截止,VT1的发射极电流通过负载RL,同时向电容C2充电;在ui的负半周VT2导通而VT1截止,此时电容器C2起电源的作用,通过RE2、VT2和负载RL形成的回路放电,这样在RL上就得到完整的正弦波。

功率放大器中的晶体管工作在大信号极限运用状态,因此在选择晶体管时,应特别注意其极限参数应满足电源电压及输出功率的要求,保障器件的使用安全。电路的负载也应注意阻抗匹配问题,尽量选用最佳负载。

2.功率放大器的主要参数及测试

(1)最大输出功率Pom

最大输出功率Pom是当功率放大器输入为正弦信号,且输出为最大不失真输出时,负载上所能够获得的交流功率。

测试时,输入信号选用中频正弦信号,用示波器监测输入、输出波形确保电路正常工作。增加输入信号的幅度,使输出信号在满足失真度要求的前提下达到最大,用交流毫伏表或数字示波器测量负载RL上的输出电压有效值uorms,则负载上的功率即为电路最大输出功率Pom,可由下式计算:

(2)电源供给功率Pd

电源供给功率是电路正常动态工作时,电源UCC为电路提供的功率。电路的输入信号幅度不同,输出信号的大小不同,则电源供给功率也不一样。测量时注意对电路工作状态的具体要求。

测量电源供给功率时,应使电路正常工作于要求的工作状态,然后用直流电流表串入供电支路,测得电源为电路提供的平均电流IQ,则电源供给功率为:

(3)效率ƞ

功率放大器的效率衡量的是放大器将直流电源能量转换为交流功率输出的能力,是功率放大电路的重要指标。效率的定义为电路的输出功率与电源供给功率之比: