功率放大器,功率放大器的特点及原理

功率放大器,功率放大器的特点及原理是什么?利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。功率放大器，简称“功放”。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。一、功率放大器的特点向负载提供信号功率的放大器，通常称为功率放大器。功率放大器工作时，信号电压和电流的幅度都比较大，因此具有许多不同于小信号放大器的特点。l．功率放大器的效率功串放大的实质是通过晶体管的控制作用，把电源提供给放大器的直流功率转换成负载上的交流功率。交流输出功串和直流电源功率息息相关。一个功率放大器的直流电源提供的功率究竟能有多少转换成交流输出功率呢？我们当然希望功率放大器最好能把直流功率（PE=EcIc）百分之百转换成交流输出功率（Psc＝Uscisc）实际上却是不可能的。因为晶体管自身要有一定的功率消耗，各种电路元件（电阻、变压器等）要消耗一定的功率，这就有个效率问题了。放大器的效率η指输出功率Psc与电源供给的直流动率PE之比，即通常用百分比表示：η=Psc/PE通常用百分比表示：η=Psc/PE×100%效率越高，表示功率放大器的性能越好。晶休管在大信号工作条件下，工作点会上下大幅度摆动。一旦工作点跳出输入或输出特性曲线的线性区，就会出现非线性失真。所以对声频功率放大器来说，输出功率总要和非线性失真联系在一起考虑。一般声频功率放大器都有两个指标棗最大输出功率和最大不失真输出功率。前者说明放大器的最大负载能力，后者表示不失真放大的能力。例如，两台扩音机最大输出功率都是50瓦，但一台的最大不失真功率是40瓦，另一台的最大不失真功率是30瓦，前者的性能就要比后者好些。3、三种工作状态功率放大器按工作状态的不同，可分为甲类、乙类和甲乙类三种。甲类放大器的特点是工作点选在输出特性曲线线性区的中间位置，信号电流在整个周期内都流通，失真小但效率低，输出功率也小。乙类放大器工作点选在基极电流等于零的那条输出特性曲线上，信号电流只在半周期内流通，效率高，输出功率大，但失真严重。第三类放大器的工作点既不象乙类放大选得那样低，也不象甲类那样高，电流截止的时间小于半周期，工作性能介于甲类和乙类之间。图4一68中对功率放大器的三种工作状态进行了比较，可以帮助我们了解它们的特点。二、变压器耦合甲类功率放大器图4－69是变压器耦合甲类声频功率放大器的典型电路。级间耦合采用了变压器耦合方式。图中Bl是输入变压器，B2是输出变压器。Rl、B2、R3和R4、R5、R6分别组成分压式电流负反馈偏置电路，为BG1、BG2提供稳定偏置。C1、C2、C3、C4为交流信号提供通路。经BG1放大的交流信号电流ic1通过B1的初级线圈Ll，在次级线圈人两端感应出输入信号电压Usr2，加在BG2的基一射间进行功率放大。放大的信号再通过B2耦合到扬声器放音。放大器为什么要采用变压器耦合呢？这是因为根据理论分析，为使功率放大器有最大的不失真功率输出和高的效率，放大器中晶体管集电极回路有一个最佳电阻值，而实际的负载电阻值并不等于最佳值，所以需要用变压器进行阻抗变换，将实际负载电阻值变换到最佳值（称为阻抗匹配）。为保证做到这一点，输出变压器初次级圈数之比n应满足下面的关系：n=N初级/N次级=√R`fz/Rfz其中Rfz为负载电阻，R'fz为最佳负载电阻。例如，若一功率放大路最佳负载电阻为375欧，所接扬声器音圈电阻为8欧时，变比n=√375/8≈7，即应选用初次级匝数比为7:1的输出变压器。类似地，输入变压器将使功率放大器和前级实现阻抗匹配。计算表明，变压器耦合甲类功率放大器的实际效率为30％左右，常用做功率放大器的推动级。三、乙类双管推挽功率放大器利用两只型号相同、主要参数相同的晶体管，采用变压器耦合组成工作在乙类状态的推挽功率放大器，可以获得高效率、低失真的功率放大。乙类推挽功率放大器电路图如图4-70所示。电路工作的主要特点是两管交替工作，并将每管工作时所得半周期输出波形进行合成，完成不失真的放大。由图4-70可以看出，输入变压器B1次级和输出变压器B2初级都有中心抽头。B1次级的L1和L2分别接在BG1和BG2的基椛浼??洌?Ｖぴ谛藕诺缪?/FONTUsr输入时，两管基一射极间的输入信号ub1和Ub2大小相等，极性相反。由于两管均未引人基极偏流，两管将分别在Usr的两个半周期内导通，一管导通，一管截止，相互配合，交替工作／“推挽放大”的名称由此得来。在输出端，B2初级的L3和L4分别接在两管集电极和电源负极之间，当两管交替输出的集电极电流通过时，在变压器次级感应出极性相反的电压，最后正负半周合成为完整的波形。图4一70中所标正负号不加圈者表示Usr，正半周时的情况，加圈者表示负半周的情况。读者可自行分析每半周时电路的具体工作过程。需要指出，电路工作在乙类状态时，两管基极都未设偏置。由于晶休管输入特性曲线上存在一段“死区”，在信号正负半周交接的零值附近，出现没有放大输出的情况，反映到负载上就会出现波形的两半周交界处有不衔接的现象。这种现象叫“交越失真”，参看图4一70。推挽放大器如果采用甲乙类放大方式，就可以大大减小交越失真。所以一般的实用电路，在静态时都要给晶休管加上一定的正向偏压。保证晶休管在信号电压较低时，仍处于良好导通状态。图4一71是甲乙类推挽功率放大器电路图。电路中，Rb1、Rb2、Re共同组成分压式电流负反馈偏置电路，同时供给两管正向偏压。推挽功率放大器的效率是比较高的，一般可达50％～70%。变压器耦合方式虽然有根多优点，但变压器体积大而且笨重，功率损耗大。此外，变压器是个电磁元件，通过变压器的信号频率不同，线圈所呈现的阻抗也不同。为了提高低频响应，电磁要很大，线圈圈数就要很多才行。这势必增大了匝间、岐间分布电容造成高频的损失，影响整个放大器的频率响应。还有，从变压器输出端引人深度负反馈也容易自激，影响非线性失真的改善。为克服上述缺点，可采用下面介绍的无变压器功率放大器。四、无变压器的功率放大器1.“OTL“互补对称推挽功率放大器“OTL”是无输出变压器推挽功率放大器的意思。实际OTL电路不仅不使用输出变压器，而且还去掉了输入变压器。它具有频响宽、失真小、输出功率大，有利小型化，集成化的优点，在声频放大等方面应用日益广泛。互补对称电路的工作原理可用图4－72来说明。从推挽和波形合成的角度来讲，电路与变压器耦会推挽放大电路的工作原理是相同的。但这种互补电路利用PNP型晶休管和NPN型晶体管导电极性相反的特点，将两管分别接成射极输出器的形式；两管在作用上互相补偿，在连接上互相对称。它不需要专门的倒相电路就可以完成正负半周的放大，并在负载上合成波形。当信号输人时，在正半周，BG1导通，BG2截止。BG1把正半周放大，发射极信号电流流过负载电阻Rfz，输出正半周信号电压。在信号负半周到来时，BG2导通，BG1截止，发射极信号电流同样流过负载电阻Rfz，输出负半周信号电压，这样就在负载Rfz上获得完整的信号波形。从理论上讲，这种电路需要使用正负两组电源。实用电路一般都采用一组电源供电。这时要在Rfz和两管发射极间串联一个大容量电解电容器，利用电容器充电后的直流电压代替一组电源。同时电容器又为交流信号提供了通路。另外，还要给两管的基极加一定偏置，以避免产生交越失真。图4－73是单电源供电的互补电路。单电源供电的互补电路，信号放大原理与双电源供电原理一样。只是C的作用是代替一组电源，下面着重谈谈C的作用。当BG1导通、BG2载止时。Ic1流过Rfz，并向C正向充电。忽略BG1集一射间正向压降和负载上的压降不计时，C两端电压将充到与Ec。相等，在另外半周，BG2导通、BG1载止时，电源Ec加不到BG2上了，但电容C两端已充好的电压可为BG2供电，使BG正常工作。这时的Ic2，正是C的放电电流。C的容量一般要有几百微法到几千微法。它的大小直接影响放大器的低频响应。图4－73中的RB是两管的偏置电阻。当推动管BG静态集电极电流Ic通过Rb时，Rb两端上正下负的压降使两管基极都获得正向偏置，保证电路工作在甲乙类放大状态。“另外，因为放大输出是射极输出形式，同时从交流通道来看两管又是并联的，所以输出电阻很小，可以带低阻抗的负载。声频放大时，输出负载棗扬声器可以直接接入，省去了输出变压器。综上所述，互补电路革除了输人、输出变压器，为加深度位反馈、改善失真和提高放大器的性能创造了条件。2.OTL准互补对称推挽功率放大器在要求输出功率大的场合，可以采用复合管代替互补对称管，构成OTL准互补对称推挽功率放大器。复合管系由两只晶休管采用复合接法构成的高B大功率管，，如图4一74所示。每只复合管都可看作是一个直接耦合的小放大器，其型属由第一只管子是PNP型还是NPN型决定。由于复合管的B等于每管电流放大系数之积。我们选择功放中的复会管时，可以通过搭配，得到特性接近一致的两只管子。这就克服了较大功率的NPN管和NNP管特性难于一致的困难，避免了不对称引起的失真。周4－75是采用复合管的准对称互补功放电路图。图中BG1、BG2组成NPN型复合管，BG3、BG4组成PNP型复合管。二极管口的作用，是利用它在温度升高时正向电阻下降的特性，实现自动调节偏压的目的。3.“OCL”，互补对称功率放大器“OCL”电路是没有输出电容的互补对称电路。它与OTL电路的区别，是取消了单电源供电OTL电路中的输出电容C。这就使得OCL放大器在性能方面优于OTL电路在高保真（HiFi）扩音系统中被广泛采用。如前所述，OTL电路中输出电容的接入是为了代替一组电源，实现单电源供电。但电容直接影响着放大器频率响应的扩展，带来频率失真。如果采用正负两组电源供电，输出电容就可以去掉了。OCL互补对称电路如图4?/FONT76（a）所示。由于电路去掉输出电容，负载（扬声器）直接接在两复合管的集一射极间，构成了全电路的直接耠合。于是，电路零点漂移问题就突出了。OCL电路的“零点”指的是图4－76（a）中的A点。A点的直流电位要始终保持为零。一旦偏离零位，A点通过负载对“地”有了直流电压，内阻很小的负载中就将有很大的直流电流通过，既威胁扬声器的安全，又破坏了电路的对称平衡。采用差动电路和直流负反馈的办法，可以抑制A点零位的漂移。如图4一76（b）所示，BG1和BG2组成差动电路。当A点电位偏高时，差动电路自动维持A点零电位的过程如下：A点电UA↑Ube2→Ie2↑→UR3↑→Ube1↑→Ic1↓→UR2↓→Ube3↓→Ic3↓→UR8.9↓→复合管的Ube6.7↓→Ic6.7↑→Uce6.7↓（内阻减小）↓UA→。反之，则A点电位上升。这样就达到A点电位的稳定。图4－76（a）电路中，C6叫自举升压电容，它能提高正向输出幅度。Re、R5、C3组成分压式交流负反馈电路，R5越大，负反馈越深。R4、C是差动管的电源滤波电路。C用以防止高频自激。无变压器功率放大器中还有采用输人变压器或利用推动管集电极、发射极输出相位相反来进行倒相的。其工作原理与互补电路大同小异，不再赘述。五、功率放大器对元件的要求功牢放大器通常工作在大电压、大电流的情况下，这就要求放大器的无件要有一定的可靠性和稳定性。电阻器的选用功放级输出电流一般拥比较大。输出管的发射极电阻要选用功率（瓦数）比较大的电阻。互补对称电路PNP和NPN复。合管的偏置电阻，最好数值相等，误差不能太大。特别是OCL电路中的电阻器要选用稳定性高