11.2 对称功率放大器

 

11.2  对称功率放大器

早期的功率放大电路多采用变压器耦合方式作为功率输出级，这种耦合方式的缺点是：变压器体积大，比较笨重，消耗有色金属，而且在低频和高频部分所具有的相移将使放大电路在引入负反馈时容易产生自激振荡。所以，近些年来，变压器耦合方式逐渐被废除，取而代之的是直接耦合的方式。

互补对称功率放大器是一种典型的无变压器功率放大器。早期的变压器耦合方式功率放大器，是利用输入变压器的倒相作用来实现两管轮流工作和利用输出变压器来实现输出波形合成的。而在互补对称功率放大器中，则是利用特性对称的NPN型和PNP型三极管在信号的正、负半周轮流工作、互相补充，实现整个信号的放大输出。

目前，互补对称功率放大电路有两种形式。一种称之为OTL（Output Transformer Less）无输出变压器互补对称功率放大电路，采用单电源及大容量电容器与负载和前级耦合；另一种称之为OCL（Output Capacitor Less）无输出电容互补对称功率放大电路，采用双电源，不需用耦合电容的直接耦合互补对称电路。两者的工作原理基本相同。由于OCL电路破广泛地应用于集成电路的直接耦合式功率输出级，下面只对OCL电路作重点讨论。

11.2.1  电源互补对称电路（OCL电路）

1．电路结构及工作原理

OCL互补对称功率放大电路如图11-2所示。它是由一对特性及参数完全对称、类型却不相同（NPN和PNP）的两个晶体管组成射极输出器电路，并由正、负等值双电源供电。输入信号接于V₁、V₂管的基极，负载R_L接于V₁、V₂管的发射极。

设两管的门限电压均等于零。当输入信号u_i=0，则I_CQ=0，两管均处于截止状态，故输出u_o=0。当输入端加一正弦信号，在正半周时，由于u_i>0，因此V₁导通、V₂截止， 流过负载电阻R_L；在负半周时，由于u_i＜0，因此V₁截止、V₂导通，电流通过负载电阻R_L，但方向与正半周相反。

                                  （a）                               （b）                  （c）

图11-2  OCL互补对称功率放大电路

即V₁、V₂管交替工作，流过R_L的电流为一完整的正弦波信号。由于该电路中两个管子导电特性互为补充，电路对称，因此该电路称为互补对称功率放大电路。

2．性能指标分析

（1）输出功率P_o。输出功率是指当输入正弦波信号时，在输出波形基本不失真的情况下，电路向负载所提供的交流功率。图11-3为互补对称功率放大电路中一管工作时对应某负载R_L的特性曲线，用图解法分析计算P_o。

（a）                                （b）

图11-3  OCL互补对称功率放大电路的图解法

输出功率指交流信号一周内的平均功率，所以用正弦信号的有效值表示。P_o等于只R_L两端交流电压有效值和交流电流有效值的乘积

                          （11.2.1）

当考虑饱和压降U_ces时，输出的最大电压幅值为

                                                    （11.2.2）

一般情况下，输出电压的幅值U_cem总是小于电源电压U_CC值，故引入电源利用系数ξ

                                                        （11.2.3）

把式（11.2.3）带入式（11.2.1）得

                                           （11.2.4）

在理想情况下，若忽略管子两端的压降（U_ces≈0），则负载两端输出电压U_ces≈U_CC，则最大输出功率P_om为

                                            （11.2.5）

（2）效率。

                                         （11.2.6）

为此应先求出电源供给功率P_E。直流电源U_CC供给的功率为

                                （11.2.7）

因考虑是正负两组直流电源，故总的直流电源的供给功率为

                                         （11.2.8）

则                                                                         （11.2.9）

当=1时，效率最高，即

                                      （11.2.10）

（3）管耗P_C。静态时，管子基本不取电流，在动态情况下，管子出现集电极电流（如图11-4），此时，消耗在T上的功耗

                               （11.2.11）

图11-4  P_C与的关系图

对其求导

                                     （11.2.12）

可得

                                                   （11.2.13）

故其最大管耗为

                             （11.2.14）

这就说明：每只管的最大管耗为电路最大不失真输出功率的0.2倍。

（4）功率管的选择。根据乙类工作状态及理想的条件，管子的极限参数应满足以下几点：

① 每只管的最大管耗P_cm≥0.2P_om。

② 功放管c-e间的最大电压应满足BU_ceo≥2U_CC。

② 功放管的集电极最大电流安I_cm≥。

3．交越失真及消除方法

在乙类工作状态的功率放大电路中，由于发射结存在死区电压，因此当输入信号u_i在正负半周过零的一段时间内，u_i值较小，小于死区电压，这样两管均处于截止状态。V₁、V₂管的实际导通时间均小于半个周期，如图11-5所示。这种当输出信号在正、负半周交接处产生的波形失真，称为交越失真。

图11-5  互补对称功率放大电路的交越失真

当u_i=0时，若给VD₁、VD₂两管提供较小的能消除交越失真所需的正向偏置电压，使两管均处于微导通状态，那么放大电路处在接近于乙类工作状态的甲乙类工作状态。消除交越失真的具体方法如图11-5所示。VD₁、VD₂的正向偏置电压通过R_W及VD_l、VD₂提供。由于VD_l、VD₂两管特性参数完全一样，在静态时，U_E=0。在输人信号作用下，由于R_W的阻值以及VD₁、VD₂的动态电阻都很小，因此V₁、V₂管的基极电位对交流信号而言可认为是相等的。在正半周时，V_l继续导通，V₂截止；在负半周时，V₂继续导通，V_l截止。这样，在负载R_L上的输出波形即为已消除交越失真的正弦波形。

11.2.2  OTL互补对称功率放大器

OCL互补对称功率放大器中需要正、负两个电源。但在实际电路中，如收音机、扩音机中，为了简化，常采用单电源供电。为此，可采用如图11-6所示的单电源供电的互补对称功率放大器。这种形式的电路无输出变压器，而有输出耦合电容，简称为OTL电路。

图11-6  OTL乙类互补对称电路

在图11-6电路中，管子工作于乙类状态。静态时因电路对称，两管发射极e点电位为电源电压的一半U_CC/2，负载中没有电流。动态时，在输入信号正半周，V₁导通，V₂截止，V₁以射极输出的方式向负载R_L提供电流，使负载R_L上得到正半周输出电压，同时对电容C充电。在输入信号负半周，V₁截止，V₂导通，电容C通过V₂、R_L放电，V₂也以射极输出的方式向R_L提供电流，在负载R_L上得到负半周输出电压。电容器C在这时起到负电源的作用。为了使输出波形对称，即与大小相等，必须保持C上电压恒为U_CC/2不变，也就是C在放电过程中其端电压不能下降过多，因此，C的容量必须足够大。

由上述分析可知，单电源互补对称电路的工作原理与正、负双电源互补对称电路的工作原理相似，不同之处只是输出电压幅度由U_CC降为U_CC/2，因而在前面OCL各性能指标的计算式中，只要将U_CC改为U_CC/2，就可用于OTL互补对称功率放大器。

11.2.3  集成功率放大器

近些年来，随着集成技术的发展，集成功率放大器产品越来越多。由于集成功放成本不高、使用方便，因而被广泛应用在收音机、录音机、电视机及直流伺服系统中的功率放大部分。这里只简单介绍LM386集成功率放大器。

LM386是一种通用型集成功率放大器，其电路图如图11-7所示。它的特点是频带宽（可达几百千赫兹）、功耗低（常温下为660 mW）、适用的电源电压范围宽（4~16V），因而广泛用于收音机、对讲机、方波和正弦波发生器等。

图11-7  LM386集成功率放大器工作原理图

其应用接线图如图11-8所示。LM386为8脚器件，1、8两脚为增益设定端，通过改变1、8间外加元件参数可改变电路的增益。如当1、8间断开时，A_u=20；当接入10mF电容时，A_-u=200；当接入R_-1=1.2kW、C_-1=10mF的串联支路时，A_-u=50。

C₅为防自激电容，C₆为电源退耦电容。R₁、C₄支路组成容性负载，抵消扬声器部分的感性负载，防止在信号突变时扬声器上呈现较高的瞬时电压而使其损坏。

图11-8  LM386集成功率放大器接线图