OTL功率放大器的实验研究

熊俊俏，戴丽萍，秦红波

(武汉工程大学电气信息学院，湖北 武汉 430205)

0 引言

OTL功率放大器实验为“模拟电子技术基础”课程的基本实验项目，实验时有些测试数据与理论分析相差较远，如输出最大不失真电压、输出功率与效率等。为此，不少同行开展了相关的理论和实验方法研究，提出了一些电路和测量方法的改进方案。文献[1]通过实验分析，认为效率低下的原因是前级驱动级的电压放大的动态范围小，导致推挽级输出的最大不失真电压降低，并提出了几种改进电路;文献[2]提出电流测量方法的改进，采用有效值表代替平均值表，测量脉冲电流的有效值;文献[3]通过实验研究了不同型号三极管电路的波形、功率与效率，提出了接近理论设计的器件与电路。笔者通过实验测试证明，OTL功率放大器实验电路输出电压幅度与效率低下的原因，并非是前一级驱动电路的动态范围，而与推挽电路的器件、电源、测量方法和计算方法均有关系。

1 实验线路简介与实验现象

OTL功率放大电路大多由前置电压放大的推动级和功率放大的推挽级组成，细微差别在于功率管和克服交越失真的器件选择、以及是否采用自举电路扩展推动级的动态范围等。图1为某公司提供的模拟电子技术实验装置所采用的实验电路。

在图1中，晶体三极管T1组成推动级(也称前置放大级)，T2、T3是一对参数对称的PNP和NPN型晶体三极管，它们组成互补推挽OTL功放电路。电位器RW1控制驱动三极管T1的基极电压，控制输入信号的动态范围;电位器RW2用于控制推挽管的工作状态，可用于消除交越失真。

在学生实验过程中，几乎所有的效率测试低于30%，甚至低于20%，与理论的最大效率78.5%相差甚远。在测试过程中有如下问题出现。

(1)三极管的静态工作点电压、电流与是否加载有密切关系;

(2)调整RW1和RW2会有相互影响，导致最大不失真输出时，A点电压并非在中心;

(3)调整RW2，消除交越失真，可以改善输出波形，但调节过度会导致电流急剧上升;

(4)电流的变化会导致放大电路的实际供电电压UCC变化(电流表的内阻影响)，从而引起整个放大电路的工作点变化。

图1 OTL功率放大实验电路

2 OTL功率放大器效率低下的原因

2.1 放大器测试条件和状态

多年的实验教学表明，OTL功率放大器功率低下的原因可归纳为以下几个方面:①前置级的动态范围不足;②负载引起射极跟随器的放大倍数降低;③三极管的饱和压降影响;④消除交越失真时导致功耗增大;⑤电源电压过低，电压利用系数偏小;⑥测量与计算方法不正确。表1为六组实验测试数据，包括实际电源电压、供电电流、三极管静态工作电压，以及输出信号有效值。

实验时采用的电源电压标称为5.0V，信号源为1kHz正弦波，串接电了一个流表，采用双踪示波器监测图1中A、B点波形，用交流毫伏表测量A、B点的电压有效值。

(1)状态1为空载时，调节RW1和RW2，使输出信号最大不失真的直流工作点电压、电流和输出信号幅度。此时，驱动级(图1中B点)输出电压为1.3V，推挽(图1中 A 点)输出为1.22V;

(2)状态2为状态1在空载和输入端短接时的静态电压与电流;

(3)状态3为一般实验教材介绍的方法测试的电压、电流和最大输出电压。调节RW1使A点电压为电源电压的一半，这里为2.5V，此时最大输出信号电压为1V;

(4)状态4为状态3加负载的情形。此时A点输出信号幅度为0.32V，驱动级B点输出为0.38V;

(5)状态5为处于状态4时，增大输入信号幅度后，获得最大输出不失真信号:A点为0.84V，B点为 0.86V;

(6)状态6为调节 RW1和RW2，带负载时，测输出最大不失真时的电压和电流，此时最大输出信号分别为:A点0.9V，B点1V。

表1 工作点的测试数据(A，B点信号为有效值)

2.2 推挽管的参数与电路参数计算

放大器推挽管采用了3DG130B和3CG130B硅三极管，其集电极—发射极饱和压降分别为0.6V和0.5V，基极—发射极饱和压降为1V。

OTL功率放大器通常采用8Ω负载电阻，由于三极管的输入阻抗较大，此时的放大倍数小于1。空载时有较大的输出，而加负载后输出幅度会下降。

推挽电路的电压增益为[4]

式中，β2为推挽管的电流放大倍数，3DG130B和3CG130B 的取值为 25 ～270，这里取 β2=60，RL=8Ω，而输入电阻rbe与工作电流有关:

显然，空载时电压增益为1，此时的最大输出电压大小取决于前一级输入电压大小，但受制于推挽管的饱和压降和电源电压的限制。

2.3 测试数据分析

根据上面的分析，以测试数据为基础，分析各种因素对输出信号幅度、效率的影响程度，从而获得OTL功率放大器效率低下的主要因素。

OTL功率放大器输出信号幅度的大小与前一级的输出电压密切相关。为了判断是否存在动态范围的影响，可以对电路A点和B点的电压波形进行比较。若当输入信号增大时，两点的电压波形同步出现削波失真，则可认为存在动态范围的问题。若增大信号时，B点波形没有失真而A点已经削波失真，则认为不存在动态范围的问题。

实验过程中，不同的线路模块出现不同的现象，部分模块存在动态范围不足的问题，大部分不存在该问题，少数还存在推挽管的对称性问题。以本实验的模块为例，空载时，A、B两点的电压波形几乎相等。从空载和加载后的输出波形看，A点与B点电压波形基本是相同的，即增大输入信号时，两者同时失真。

当三极管集电极—发射极饱和压降为VCE(sat)时，则最大输出信号峰—峰值VOP－P的理论值为

因此，电源电压的利用系数ξ的理论值为

根据文献[5]，考虑推挽管的饱和压降，推挽电路的最大效率ηmax为

本电路在单电源5V工作时，最大效率为60%。显然，电源电压越高，则效率越大，其极限值可达78.5%。

2.4 表1中状态4，5，6的参数值讨论

放大器处于表1中状态4，5，6时，其放大倍数和效率等各项参数值列于表2。

(1)状态4为推挽电路中点A的直流工作点设置为2.5V，在无负载时获得最大不失真的条件下，增加负载。这时RW1、RW2均不调整，此时由于输入信号并非最大，因此电压利用系数较小:0.18，效率最低:16.6%;

表2 放大倍数与效率

(2)状态5为推挽电路中点A的直流工作点设置为2.5V，增大输入信号幅度，直至输出削顶失真，获得最大输出信号。其中RW1不变，但调整RW2消除交越失真，此时输出信号幅度增大，电源利用率提高到 0.48，效率达到 29.7%;

(3)状态6为最佳工作状态。调整RW1、RW2，使输出信号幅度最大，并消除交越失真，此时电压利用系数上升到0.52，效率达到53.4%。

从上述分析中可以看出，OTL功率放大器由于三极管的饱和压降达到0.6V，占电压利用系数的比例达到24%，因此效率受到了限制。同时，根据计算结果来看，推挽电路的放大倍数一般小于0.9，状态5的放大倍数较大，这是由于为了消除交越失真，使得静态电流急剧增大到60mA，降低了推挽管的rbe2，提高了电压放大倍数，但电流的上升反过来导致效率下降。

3 提高效率的措施

3.1 提高电源电压

提高电源电压，可降低推挽管的饱和压降所占的比例，改善电源电压利用率。但对于OTL实验线路，为了实验线路的安全，大多采用3DG130B和3CG130B中功率管(负载为8Ω)，没有采用较高的电源电压。

3.2 更换大功率管和负载

若要进一步提高效率，可以考虑采用高压供电的大功率管组成的OTL电路。如大功率管3DD15D的集电极—发射极饱和压降为1.5V，功耗上限达到50W，对应的输出电阻小，可提高电压放大倍数和输出功率。

3.3 关于前一级驱动电路的动态范围

文献[1]将图1的OTL功率放大器的效率低下归为前一级驱动电路的动态范围偏小引起的。从表2的电压利用系数来看，的确存在提高动态范围的空间。如增大输入信号幅度，推挽电路的输出信号幅度进一步增大，可提高输出功率。实际上，图1电路已经决定了其驱动级电路的动态范围不可能使推挽级电路的电源利用系数达到理想值。

如表1中的状态1所示，当空载时，集电极(图1中B点)静态电压为2.304V，此时最大输出信号的有效值为1.3V，峰值为1.84V，已经达到驱动电路的输出极限。

当加载时，从表2中状态4变到状态6。由于负载电阻较小，输出信号幅度下降，导致自举电路的作用越来越小，集电极(图1中B点)静态电压也下降到1.705V，对应的最大输出信号的有效值为1V，峰值为 1.41V。

显然，输出级的负载导致驱动级电路的集电极(图1中B点)静态电压下降，从而降低了驱动级电路的动态范围。

可见提高驱动级电路的动态范围，可以采用增加隔离电路，减小推挽电路对前一级电路的影响。

3.4 测量方法与计算方法的改进

1)电源电压的影响

实验平台加上负载以及串接电流表均会引起实际供电电压下降，最大下降可达到0.1V。而计算仍采用5V而不是实际测量值，自然会使效率降低。

2)RW2补偿过度

RW2是用于消除交越失真的电位器。由于是否存在交越失真多为主观观察，若把握不准，使其重叠过大，一方面导致输出信号幅度下降，另一方面导致供电电流急剧增大，这两者均会使效率下降。

3)计算方法的影响

对于驱动级电路的功耗，通常较小而没有考虑。但在该电路中因输出功率和电源供电功率等均较小，驱动电路的功耗影响就不能忽略了。

4 结语

OTL功率放大器电路的效率低下是由多种因素决定的，包括器件、电路、测量方法和计算方法等。面对其理论与实验结果的不一致问题，应采用认真的分析来解决问题。在实际工作中，互补对称性和动态范围的影响是少数情况，大部分是由于测量和计算方法的问题导致的功率下降。因此，如何引导学生通过实验来提高分析问题和解决问题的能力，是电子技术实验的重要环节。

[1]葛有根.OTL功放实验效率低下的原因及解决方案[J].天津:实验室科学，2010，13(3):63 －65

[2]李春树，潘海军.OTL功率放大电路中供电电流的测量[J].永州:零陵学院学报，2003，24(5):32 －33

[3]陈庭勋.功率放大实验电路分析[J].舟山:浙江海洋学院学报(自然科学版)，2003，22(2):192 －196.

[4]康华光.电子技术基础.模拟部分(第五版)[M].北京:高等教育出版社，2006.1

[5]Paul R.Gray，Paul J.Hurst，etc.Analysis and design of analog integrated circuits[M].BeiJing:Higher education press，2005.12