趙凱營(yíng)口職業(yè)技術(shù)學(xué)院 遼寧營(yíng)口 115000

解析低頻功率放大器的選擇與應(yīng)用

趙凱
營(yíng)口職業(yè)技術(shù)學(xué)院 遼寧營(yíng)口 115000

本文討論了低頻功率放大器的放大原理，及如何使輸出功率為最大值，重點(diǎn)討論乙類互補(bǔ)推挽放大電路在實(shí)踐應(yīng)用中的作用，以體積小、重量輕，便于集成化等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電器中。

推挽放大；自舉電路；交越失真

隨著電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，電子技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越普及，電器的更新速度也越來(lái)越快。生活中，有些電器需要放大信號(hào)的功率，使信號(hào)具有足夠的功率去控制或驅(qū)動(dòng)一些設(shè)備工作，例如控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器使之發(fā)聲等，分析討論以低頻功率放大器作為基本功率放大器電路，在實(shí)踐教學(xué)中有著重要的意義。下面我們來(lái)具體解析低頻功率放大器的選擇與實(shí)際應(yīng)用。

功率放大器和電壓放大器，由于工作任務(wù)的不同，作用也不盡相同。電壓放大器的主要任務(wù)是把微弱的信號(hào)電壓進(jìn)行放大，一般輸入和輸出的電壓和電流都較小，是小信號(hào)放大器，它消耗的能量少，信號(hào)失真較少，輸出的功率相應(yīng)也小。功率放大器的主要任務(wù)是放大信號(hào)的功率，它的輸入、輸出電壓和電流都較大，是大信號(hào)放大器，它消耗的能量多、信號(hào)容易失真，輸出信號(hào)的功率大，因此，研究功率放大器電路時(shí)應(yīng)特別注意用電效率、功率傳輸效率及防止信號(hào)失真等問(wèn)題。

根據(jù)功率放大器晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)Q在交流負(fù)載線上A、B的位置不同，可分為甲類、乙類、甲乙類三種。1.甲類功放：Q點(diǎn)在交流負(fù)載線的中點(diǎn)在整個(gè)周期內(nèi)，晶體管都處于放大狀態(tài)，輸出的是沒(méi)有削波失真的完整信號(hào)，但靜態(tài)電流大、效率低。2.乙類功放：Q點(diǎn)在交流負(fù)載和IB =0輸出特性曲線交點(diǎn)處。在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)，晶體管是半個(gè)周期在放大區(qū)工作，另半個(gè)周期在截止區(qū)，放大器只有半波輸出。如果采用兩個(gè)晶體管組合起來(lái)交替工作，則可以放大輸出完整的全波信號(hào)。此種電路幾乎沒(méi)有靜態(tài)電流，效率高。3.甲乙類功放：Q點(diǎn)在交流負(fù)載上，略高于乙類工作點(diǎn)處，它的靜態(tài)電流仍較小，效率高，輸出波形比乙類“削波”程度小些，不是把整個(gè)半周全削掉。

功率放大器按照輸出端特點(diǎn)可分為：1.有輸出變壓的功放電路。2.無(wú)輸出變壓的功放電路(又稱OTL功放電路)。3.無(wú)輸出電容器的功放電路(又稱OCL功放電路)。4.橋接無(wú)輸出變壓器功效電路(又稱BTL功放電路)。這些電路在應(yīng)用中存在很多不足之處，如何尋找將這些電路優(yōu)點(diǎn)集于一身的功率放大器，更好的應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)與維修，是我們接下來(lái)要討論的問(wèn)題。

一個(gè)性能良好的功率放大器需要滿足以下幾個(gè)基本要求：1.信號(hào)失真??；2.有足夠的輸出功率；3.電路效率高；4.電路的散熱性能好。

下面，我們就互補(bǔ)對(duì)稱式推挽OTL功率電路進(jìn)行剖析?；パa(bǔ)對(duì)稱式推挽電路是由兩個(gè)導(dǎo)電極性不同的晶體管組成，其中NPN型管對(duì)正半周信號(hào)導(dǎo)通放大，PNP型管對(duì)負(fù)半周信號(hào)導(dǎo)通放大，它們彼此互補(bǔ)推挽放大一個(gè)完整信號(hào)，不需要輸入變壓器對(duì)信號(hào)進(jìn)行倒相。為了信號(hào)不失真，兩個(gè)互補(bǔ)功放管的β值和飽和壓降等參數(shù)應(yīng)保持一致，即兩個(gè)互補(bǔ)管電路要完全對(duì)稱，所以稱為互補(bǔ)對(duì)稱式功放電路。

一、電路結(jié)構(gòu)

電路如圖所示,該圖是典型的互補(bǔ)對(duì)稱式推挽OTL功放電路，V1是激勵(lì)放大管，它給功率放大輸出級(jí)以足夠的推動(dòng)信號(hào)；R1,R2,R3是V1的偏置電阻；R4,R3,RP2是V1集電極負(fù)載電阻；V2,V3是互補(bǔ)對(duì)稱推挽功率放大管，組成功率放大級(jí)；C1是輸入耦合電容；C2是V1射極電阻旁路電容，它可以減小信號(hào)的損耗；C3是輸出耦合電容，并充當(dāng)V3回路直流電源，它的容量較大，常選在幾百至幾千微法之間；R4,C4組成自舉電路，RL為負(fù)載。在實(shí)踐中證明，引入R4,C4組成的自舉電路，可使放大器功率增益提高10—15dВ。

由于大容量輸出電容V3的存在，此電路采用單電源供電，充電后的C3充當(dāng)V3管回路的電源。A點(diǎn)電位應(yīng)是VG/2，C3兩端充電后，電壓也是VG/2，通常A點(diǎn)的電壓為“中點(diǎn)電壓”。

為了克服交越失真，在無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，推挽管V2和V3應(yīng)有一定的靜態(tài)電流，為此，它們的發(fā)射結(jié)應(yīng)加有一定的正向電壓，鍺管應(yīng)加0.2V，硅管應(yīng)加0.6V，故V2、V3基極間應(yīng)有0.4V左右的電位差。所以，兩管基極不應(yīng)直接連在一起，而需要串入電阻RP2，當(dāng)V1的靜態(tài)集電極電流流過(guò)RP2時(shí)，RP2兩端的到上正下負(fù)的電壓，這個(gè)電壓就是V2,V3發(fā)射結(jié)所需要的靜態(tài)正向偏壓之差，調(diào)節(jié)RP2可以改變兩推挽管的基極電位差，使之滿足靜態(tài)工作點(diǎn)的需要。

R4,C4是為了提高互補(bǔ)對(duì)稱式推挽功放電路的功率增益而引入的，通常稱為“自舉電路”，它的工作原理如下：

首先先討論不接C4的情況。此時(shí)兩互補(bǔ)管均為共集極電路，當(dāng)輸入端有信號(hào)輸入時(shí)V1管集電極電阻上就有放大的信號(hào)電壓出現(xiàn)，一般R3遠(yuǎn)大于R4,RP2，所以信號(hào)電壓主要降落在R3上，如果略去R4和RP2上的信號(hào)電壓，則可清楚地看出，R3兩端的信號(hào)電壓對(duì)V2和V3來(lái)說(shuō)都是從b、c兩極之間輸入，這是共集電極電路輸入方式，放大器的功率增益低。其次討論C4接入電路后的情況，由于C4容量較大，對(duì)于低頻信號(hào)而言，A、B兩點(diǎn)短路。這時(shí)的R3兩端的信號(hào)電壓無(wú)論對(duì)V2或V3來(lái)說(shuō)都變成從b、e兩極間輸入。十分清楚，這就是共發(fā)射極輸入方式。這時(shí)輸出信號(hào)取自集電極和發(fā)射極之間，從而提高了功率增益?？梢奀4的作用的作用是使V2和V3由共集電極接法轉(zhuǎn)換共發(fā)射極接法，從而使放器的功率增益增大，由于C4的存在，對(duì)交流信號(hào)而言，當(dāng)A點(diǎn)電位升高或降低時(shí)B點(diǎn)的電位會(huì)自動(dòng)隨著升高或降低，使AB間的電位差變化等于零，所以C4稱為自舉電量，R4稱為隔離電阻，對(duì)交流信號(hào)而言它把B點(diǎn)電位和“地”點(diǎn)的電位分開。

二、信號(hào)的放大過(guò)程

當(dāng)輸入信號(hào)Vi為負(fù)半周時(shí)，經(jīng)過(guò)V1的一級(jí)放大在V2和V3的基極，獲得放大并倒相了信號(hào)，是正半周信號(hào)，它使V2的發(fā)射結(jié)變成正偏而導(dǎo)通，V3的發(fā)射結(jié)反偏而截止。電流I2流通方向是由V2經(jīng)C3、RL、VG回到V2，如圖實(shí)線所示。當(dāng)輸入信號(hào)VI為正半周時(shí)，通過(guò)V1的一級(jí)放大并倒相，是負(fù)半周信號(hào)，這時(shí)V2的發(fā)射結(jié)變成反偏置，管子截止，而V3的發(fā)射結(jié)變?yōu)檎?，管子?dǎo)通并放大信號(hào)，電流I3流通方向是由V3經(jīng)過(guò)RL,C3回到V3如圖虛線所示此時(shí)電容C3上的充電電壓1/2VG兼作電源用。如此兩管輪流工作在負(fù)載RC上·得到完整的信號(hào)。這種互補(bǔ)對(duì)稱推挽電路，由于不用輸入輸出變壓器，頻率特性較好，功率增益較高。

三、最大輸出功率

由于互補(bǔ)對(duì)稱OTL功放電路也是工作在乙類推挽狀態(tài)，所以功率的計(jì)算方法是相同的，再如上圖電路中每個(gè)功放管的電源電壓為1/2VG若集電極負(fù)載為RL則在放大器輸出最大功率時(shí)輸出管的集電極電壓和集電極電流峰值各為：

OTL功放電路由于去掉了輸入輸出變壓器，具有失真小優(yōu)點(diǎn)，故有“高傳真”的稱號(hào)，是許多高傳真低頻放大器常采用的功放電路，所以該電路在高傳真放大電路中應(yīng)用較為廣泛。

通過(guò)以上的推理解析可見，互補(bǔ)推挽電路由于頻率特性較好，功率增益較高等特點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)突出，便于生產(chǎn)與維修，在生活中使用最為廣泛。因此，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)好該電路的實(shí)際應(yīng)用，在教學(xué)中有著非常重要的意義。

[1]陳其純.電子線路.高等教育出版社,1998年

[2]李西平.電工電子技術(shù).中央廣播電視大學(xué)出版社,2006年

[3]周紹敏.電工基礎(chǔ).高等教育出版社,1999年

[4]何豐.低頻電子電路.人民郵電出版社,2011年

趙凱(1959—),男,遼寧營(yíng)口人,學(xué)士,講師,從事電子技術(shù)應(yīng)用研究.