解析低频功率放大器的选择与应用

2014-12-17赵凯营口职业技术学院辽宁营口115000

决策与信息 2014年36期

关键词：增益静态功率

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解析低频功率放大器的选择与应用

赵凯
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本文讨论了低频功率放大器的放大原理，及如何使输出功率为最大值，重点讨论乙类互补推挽放大电路在实践应用中的作用，以体积小、重量轻，便于集成化等优点，广泛应用于现代电器中。

推挽放大；自举电路；交越失真

随着电子技术的发展日新月异，电子技术的应用越来越普及，电器的更新速度也越来越快。生活中，有些电器需要放大信号的功率，使信号具有足够的功率去控制或驱动一些设备工作，例如控制电动机的转动、驱动扬声器使之发声等，分析讨论以低频功率放大器作为基本功率放大器电路，在实践教学中有着重要的意义。下面我们来具体解析低频功率放大器的选择与实际应用。

功率放大器和电压放大器，由于工作任务的不同，作用也不尽相同。电压放大器的主要任务是把微弱的信号电压进行放大，一般输入和输出的电压和电流都较小，是小信号放大器，它消耗的能量少，信号失真较少，输出的功率相应也小。功率放大器的主要任务是放大信号的功率，它的输入、输出电压和电流都较大，是大信号放大器，它消耗的能量多、信号容易失真，输出信号的功率大，因此，研究功率放大器电路时应特别注意用电效率、功率传输效率及防止信号失真等问题。

根据功率放大器晶体管静态工作点Q在交流负载线上A、B的位置不同，可分为甲类、乙类、甲乙类三种。1.甲类功放：Q点在交流负载线的中点在整个周期内，晶体管都处于放大状态，输出的是没有削波失真的完整信号，但静态电流大、效率低。2.乙类功放：Q点在交流负载和IB =0输出特性曲线交点处。在输入信号的整个周期内，晶体管是半个周期在放大区工作，另半个周期在截止区，放大器只有半波输出。如果采用两个晶体管组合起来交替工作，则可以放大输出完整的全波信号。此种电路几乎没有静态电流，效率高。3.甲乙类功放：Q点在交流负载上，略高于乙类工作点处，它的静态电流仍较小，效率高，输出波形比乙类“削波”程度小些，不是把整个半周全削掉。

功率放大器按照输出端特点可分为：1.有输出变压的功放电路。2.无输出变压的功放电路(又称OTL功放电路)。3.无输出电容器的功放电路(又称OCL功放电路)。4.桥接无输出变压器功效电路(又称BTL功放电路)。这些电路在应用中存在很多不足之处，如何寻找将这些电路优点集于一身的功率放大器，更好的应用于实际生产与维修，是我们接下来要讨论的问题。

一个性能良好的功率放大器需要满足以下几个基本要求：1.信号失真小；2.有足够的输出功率；3.电路效率高；4.电路的散热性能好。

下面，我们就互补对称式推挽OTL功率电路进行剖析。互补对称式推挽电路是由两个导电极性不同的晶体管组成，其中NPN型管对正半周信号导通放大，PNP型管对负半周信号导通放大，它们彼此互补推挽放大一个完整信号，不需要输入变压器对信号进行倒相。为了信号不失真，两个互补功放管的β值和饱和压降等参数应保持一致，即两个互补管电路要完全对称，所以称为互补对称式功放电路。

一、电路结构

电路如图所示,该图是典型的互补对称式推挽OTL功放电路，V1是激励放大管，它给功率放大输出级以足够的推动信号；R1,R2,R3是V1的偏置电阻；R4,R3,RP2是V1集电极负载电阻；V2,V3是互补对称推挽功率放大管，组成功率放大级；C1是输入耦合电容；C2是V1射极电阻旁路电容，它可以减小信号的损耗；C3是输出耦合电容，并充当V3回路直流电源，它的容量较大，常选在几百至几千微法之间；R4,C4组成自举电路，RL为负载。在实践中证明，引入R4,C4组成的自举电路，可使放大器功率增益提高10—15dВ。

由于大容量输出电容V3的存在，此电路采用单电源供电，充电后的C3充当V3管回路的电源。A点电位应是VG/2，C3两端充电后，电压也是VG/2，通常A点的电压为“中点电压”。

为了克服交越失真，在无信号输入时，推挽管V2和V3应有一定的静态电流，为此，它们的发射结应加有一定的正向电压，锗管应加0.2V，硅管应加0.6V，故V2、V3基极间应有0.4V左右的电位差。所以，两管基极不应直接连在一起，而需要串入电阻RP2，当V1的静态集电极电流流过RP2时，RP2两端的到上正下负的电压，这个电压就是V2,V3发射结所需要的静态正向偏压之差，调节RP2可以改变两推挽管的基极电位差，使之满足静态工作点的需要。

R4,C4是为了提高互补对称式推挽功放电路的功率增益而引入的，通常称为“自举电路”，它的工作原理如下：

首先先讨论不接C4的情况。此时两互补管均为共集极电路，当输入端有信号输入时V1管集电极电阻上就有放大的信号电压出现，一般R3远大于R4,RP2，所以信号电压主要降落在R3上，如果略去R4和RP2上的信号电压，则可清楚地看出，R3两端的信号电压对V2和V3来说都是从b、c两极之间输入，这是共集电极电路输入方式，放大器的功率增益低。其次讨论C4接入电路后的情况，由于C4容量较大，对于低频信号而言，A、B两点短路。这时的R3两端的信号电压无论对V2或V3来说都变成从b、e两极间输入。十分清楚，这就是共发射极输入方式。这时输出信号取自集电极和发射极之间，从而提高了功率增益。可见C4的作用的作用是使V2和V3由共集电极接法转换共发射极接法，从而使放器的功率增益增大，由于C4的存在，对交流信号而言，当A点电位升高或降低时B点的电位会自动随着升高或降低，使AB间的电位差变化等于零，所以C4称为自举电量，R4称为隔离电阻，对交流信号而言它把B点电位和“地”点的电位分开。

二、信号的放大过程

当输入信号Vi为负半周时，经过V1的一级放大在V2和V3的基极，获得放大并倒相了信号，是正半周信号，它使V2的发射结变成正偏而导通，V3的发射结反偏而截止。电流I2流通方向是由V2经C3、RL、VG回到V2，如图实线所示。当输入信号VI为正半周时，通过V1的一级放大并倒相，是负半周信号，这时V2的发射结变成反偏置，管子截止，而V3的发射结变为正偏置，管子导通并放大信号，电流I3流通方向是由V3经过RL,C3回到V3如图虚线所示此时电容C3上的充电电压1/2VG兼作电源用。如此两管轮流工作在负载RC上·得到完整的信号。这种互补对称推挽电路，由于不用输入输出变压器，频率特性较好，功率增益较高。