解析低频功率放大器的选择与应用
[摘要]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。
[关键词]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。
三、最大输出功率
由于互补对称OTL功放电路也是工作在乙类推挽状态，所以功率的计算方法是相同的，再如上图电路中每个功放管的电源电压为1/2VG若集电极负载为RL则在放大器输出最大功率时输出管的集电极电压和集电极电流峰值各为：
则OTL放大器最大输出功率为
OTL功放电路由于去掉了输入输出变压器，具有失真小优点，故有“高传真”的称号，是许多高传真低频放大器常采用的功放电路，所以该电路在高传真放大电路中应用较为广泛。
通过以上的推理解析可见，互补推挽电路由于频率特性较好，功率增益较高等特点在实际应用中的优势突出，便于生产与维修，在生活中使用最为广泛。因此，引导学生学好该电路的实际应用，在教学中有着非常重要的意义。
参考文献
[1]陈其纯.电子线路.高等教育出版社，1998年
[2]李西平.电工电子技术.中央广播电视大学出版社，2006年
[3]周绍敏.电工基础.高等教育出版社，1999年
[4]何丰.低频电子电路.人民邮电出版社，2011年
作者简介
赵凯（1959—），男，辽宁营口人，学士，讲师，从事电子技术应用研究.
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