设计功率放大器电路

【任务目标】

（1）理解低频功放的特点、分类和应用；

（2）掌握互补对称功率放大电路的工作原理；

（3）掌握功放管的复合与并联。

一、功率放大电路概述

前面已经介绍了各种放大器，但经过这些放大器处理的信号通常还不足以驱动负载正常工作，例如扩音机的扬声器或自动控制系统中的电动机。因此，在设计电路中要考虑的不仅是输出电压或电流的大小，还要求放大器要有一定的功率输出。这种以输出功率为主要目的的放大器称为功率放大器。前面所介绍的放大器主要是针对输出电压或电流有相当的放大能力，但其输出功率还是太小，通常都称为电压或电流放大器。无论哪种放大器，负载上都同时存在着输出电压、电流和功率，之所以有上述名称上的差别，主要为了强调功率输出的量要达到能直接驱动负载的程度。

功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源 （直流）电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。

1.功率放大器的要求

（1）具有足够大的输出功率。为了获得足够大的输出功率，功放管的工作电压和电流要有足够大的幅度，其工作状态往往接近于极限状态，因此功率放大器是一种大信号处理放大器。

（2）效率要高。功率放大器的输出功率是由直流电源的能量转换而来的。由于功放管有一定的内阻，因此整个电路，特别是功放管存在着一定的损耗。所谓效率，就是负载得到有用信号功率与电源提供的直流功率的比值，用η表示，并且希望这个值尽可能大。

（3）失真要小。晶体管的特性曲线是非线性的，在小信号放大器中，信号的动态范围小，非线性失真可以忽略不计。但功率放大器中输入和输出信号的动态范围都很大，其工作状态也接近截止和饱和，远超出特性曲线的线性范围，故非线性失真越加显现。特别是对于测量系统和电声设备中，对非线性失真指标要求很高，因此必须设法减小线性失真。

（4）功放管要有较好的散热条件。功放管由于工作在大电流、高压的环境下，有相当大的功率消耗在管子集电结上，结温和管壳温度会变得很高。因此，散热就成为一个重要的问题。通常，功放管或含有功放管的器件 （如各种IC）都需要通过硅酯贴装在足够大的散热器上。

2.功率放大器的分类

（1）按晶体管的工作状态，可以分为甲类、乙类和甲乙类，如图3－1所示。

图3－1 功率放大器的分类

（a）甲类；（b）乙类；（c）甲乙类

图3－1 功率放大器的分类 （续）

（d）工作点的位置

（2）按功放管选用的器件类型，可以分为晶体管 （分立元件）功放、电子管功放 （胆机）、集成电路功放、混合式功放。

以上功放各有特点。一般来讲，用晶体管分立元件制作功放，输出功率可以做得较大，但价格较高，工作点调整较复杂，音色相对较硬，较适合于节奏强烈的 “快”音乐，如摇滚音乐；采用集成电路 （IC）制作功放，输出功率不能做得很大，但价格较低，工作点免调试，性能稳定，音质较好；而采用电子管制作的功放，工作点调整较简单，但价格昂贵，音色纯厚、柔和、甜美，较适合欣赏乐器音乐或纯音乐，近年来被许多音乐发烧友追捧。

（3）按电路的结构形式常分为变压器输出式电路、OTL、OCL和BTL电路。

二、功率放大器的常见电路

（一）变压器输出式电路

1.电路组成

变压器输出式电路组成如图3－2所示，也称为变压器耦合乙类推挽功率放大电路。

图3－2 变压器耦合推挽功率放大器

2.工作原理

（1）在输入信号ui为正半周时，输入变压器的次级线圈得到上正下负的信号电压ui1与ui2，根据三极管的偏置原理可知，此时三极管VT1正偏导通，VT2反偏截止。在VT1集电极回路产生的电流如图中所标的io1，根据输出变压器的同名端的关系可知，在ui输出变压器的次级将产生向下的电流io，在负载中得到正半周输出电压uo。

（2）同理，在负半周时，三极管VT2正偏导通，VT1反偏截止。在负载中得到负半周输出电压uo。

经三极管VT1和VT2放大的正、负半周信号，在输出变压器的次级线圈上合成一个完整的正弦波形。由于两功放管交替导通，共同完成对信号的放大，所以也称为推挽功率放大器。

由于变压器体积大、笨重、成本也高，不符合电子设备向轻、薄方向发展的趋势，因此上述电路几乎退出了历史舞台 （早期的扩音机中多用这种电路），现在只是在胆机中仍然使用变压器输出电路。

（二）OTL电路

用一个大容量电容取代了变压器 （几百～几千微法的电解电容器）的功率放大器电路称为OTL电路 （无输出变压器的功率电路Output Transformerless）。

由于功率放大器的负载目前都是采用电动式扬声器，这就决定了扬声器的阻抗较小（一般为8Ω），因此如果不采用变压器进行阻抗变换，那么只有射极输出器容易和扬声器匹配；但如果采用单管射极输出放大正、负半周，则放大器必须要工作在甲类状态，这样无论是功放管还是扬声器都有很大的静态电流，这是不允许的。在组成无输出变压器的乙类推挽输出电路时，要解决 “两管交替工作”和 “输出波形合成”两个问题，首选射极输出的形式作为功率输出级。为了使放大器工作在乙类状态，在基极回路暂不引入偏流，可以利用晶体管具有NPN和PNP两种类型的特点，使NPN管负责正半周的功率放大，而PNP管负责负半周的功率放大，于是也就找到一种互补对称输出电路，包括OTL、OCL、BTL电路。首先来介绍OTL电路。

图3－3 OTL互补对称电路结构

如果在一个大容量电容中，利用电容的充放电代替一个电源，同时又隔断通过扬声器的直流电流，此时就构成了OTL电路，如图3－3所示为OTL互补对称电路结构。

1.电路组成

OTL电路组成如图3－4所示。

2.典型OTL功放电路中各元件的作用

VT1——电压放大管，属于共射极放大器，主要起电压放大作用（同时具有倒相作用）；

VT2、VT3——互补功放管，其中，VT2属于NPN型，VT3属于PNP型，构成射极输出器并共用一个负载（RL扬声器），其交流通路是并联的，而直流通路是串联的（每管分得总电压的一半）。

图3－4 典型OTL功放电路

D、RP2——组成双偏置电路（D同时具有温度补偿作用），即由VT1的集电极电流经过D和RP2后产生的电压，供给VT2和VT3作为偏置电压，故称为双偏置电路。

C1、C4——分别是输入、输出耦合电容，具有通交隔直的作用；

C3——射极旁路电容，也起通交隔直的作用，使得射极电阻R2只具直流负反馈作用，而无交流负反馈作用，从而保证VT1有一定的增益；

C2、R4——组成自举电路，以保证在输入信号幅度较大时不出现失真；

RP1和R1——构成分压式偏置电路，提供VT1偏置电压，调节RP1可以改变VT1的集电极电流和输出端的静态电压大小，使其具有合适的静态工作点，同时使输出端的静态电压等于总电源电压的一半；

RP2——是双偏置电压的微调电位器，调节RP2可以使得VT2和VT3具有合适的静态工作点，尽可能消除交越失真。

R3——是第一级放大器的集电极负反馈电阻，具有稳定VT1（以及VT2和VT3）的静态工作点的作用。

3.工作原理

（1）在输入信号的负半周，u I经C1耦合到VT1的输入端，被VT1倒相放大从其集电极输出，使A、B点的电压上升，根据三极管的偏置原理可知，此时VT2导通、VT3截止。VT2输出的信号电流i C2由电源VCC提供，经VT2的c、e极输出至电容C4，自上而下通过负载RL形成回路（并对C4充电），信号i C2在RL两端形成正半周的输出信号，如图3－5（a）所示。

图3－5 输入负半周和正半周的输出波形

（2）在输入信号的正半周，u I经C1耦合到VT1的输入端，由VT1倒相放大从其集电极输出，使A、B点的电压下降，根据三极管的偏置原理可知，此时VT3导通、VT2截止。从VT3输出的信号电流i C3输出至电容C4，并对C4充电。i C3在RL两端形成负半周的输出信号，如图3－5（b）所示。

以上放大的两个半周信号，在负载中合成一个完整的正弦波信号。

（3）自举升压原理。自举升压电路由C4和R4组成，C4称为自举升压电容，其电容值较大，相当于一个电源；R4称为隔离电阻，其阻值很小，直流压降也很小，故C4两端的电压近似等于电源电压的一半。如果没有自举电路，当VT2导通时（输入信号u I的负半周），随着输入电压u I幅度的增大，输出电流i C2↑→u CE2↓→uo↑，但VT2的直流电位不能随u I的增大而持续升高，于是限制了i C2的进一步增大。因此当输入信号幅度进一步增大时，输出信号的顶部将出现失真现象。

加入自举电路后，当VT2导通时（输入信号u I的负半周），随着输入电压u I幅度的增大，则有

u A↑→i B2↑→i C2↑→uo↑由于C2两端的电压基本不变，故

uo↑→u E↑→u A↑→i B2↑→i C2↑

输出信号的幅度达到最大值，克服了输出信号的顶部失真。

R4的作用是隔离C2与电源VCC，使C2上端的电位u E不被电源钳制，能随uo的升高而同步升高。

4.静态工作点的调整

1）调整原理

功放管的直流偏置由RP2、D来设定，调节RP2使功放管工作在甲乙类工作状态。RP2、D同时又是第一级放大器的集电极电阻的一部分，当VT1的静态电流ICQ1流过RP2、D时，即可在A、B两端产生上正下负的直流电压，该电压就是两功放管的静态偏置电压，称为双偏置电压。当两管为硅管时，UABQ应为1.4V左右；当两管为锗管时，UABQ应为0.6V左右。

由于调节RP1会改变VT1的集电极电流，而VT1的集电极电流的变化将会改变RP2、D两端的电压UABQ，故调节RP1，即中点电压时，会影响功放管的工作点，而调节双偏置电压也会或多或少地影响中点电压，即中点电压UOQ和双偏置电压UABQ的调节有一定的相互牵制。所以，在实际调整中，最好要反复操作1～2次。

2）调整方法

功放管的工作点调整主要是通过调节RP2来实现的。RP2过小，功放管工作点太低，将出现交越失真；RP2过大，功放管静态电流过大，将会使功放管温升过高、效率降低，甚至烧坏功放管。

（1）应该注意，通电调整前，应该将RP2调到最小值；

（2）粗调中点电压，一边调节RP1，一边测量输出端的电压 （两功放管发射极），使UOQ

（3）调双偏置电压，一边缓慢地调大RP2，一边测量UABQ，使UABQ为1.4V左右（针对硅管）；

（4）将第 （2）、（3）步反复进行1～2次。

（三）OCL电路

在OTL电路中，输出电容并不是单纯地为了起到耦合信号的作用而设置，还为了实现单电源供电的功能。OTL电路虽然实现了单电源供电，但由于输出电容的存在从而影响了放大器通频带的展宽。OCL电路 （无输出电容的功率放大电路Output Capacitorless）在性能上优于OTL电路，在高保真音响中常被广泛采用。OCL电路输出级如图3－6所示。

图3－6 OCL电路输出级

但是取消输出电容将带来新问题，一是需要采用双电源供电；二是当电路损坏时，将有很大的直流电流流过扬声器而烧坏它。采用OCL电路的中高档功放都需增加扬声器保护电路。

（四）功放管的复合与并联

1.复合管

将小功率管与大功率管按一定规则连接在一起而组成的电路称为复合管。使用复合管，可以提高管子的电流放大倍数β。适当采用异极性管复合，还可以改变大功率管的导电极性。在输出功率较大的功率放大器中，复合管被广泛应用，复合管的连接方式如图3－7所示。

图3－7 复合管的连接方式

（a）NPN型；（b）PNP型；（c）NPN型；（d）PNP型

2.功放管的并联

在供电电源电压一定的情况下，采用并联功率管的方法，可以提高功率放大器的最大输出电流，从而提高功率放大器的输出功率。