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互补对称功率放大器又称OTL(Output Transformerless)电路,传统的功率放大器采用变压器耦合,经输出变压器与负载连接,而在互补对称功率放大器中没有输出变压器。
OTL基本功率放大电路
(1)OTL基本功率放大电路的工作原理
图10-6所示为OTL基本功率放大电路。OTL基本功率放大电路采用一对特性相同但极性不同的配对管,基极相连为信号的输入端,发射极相连为信号的输出端。
图10-6 OTL基本功率放大电路
在输入信号的正半周,两管的基极电压都升高,对于PNP型VT 2 来说,发射结因加反向偏置电压而截止,没有输出信号;对于NPN型管VT 1 来说,发射结因加正向偏置电压而导通,VT 1 导通后从发射极输出放大后的正半周信号,此时流过扬声器的电流方向如图中的带箭头的实线所示。与此同时电源向电容器 C 充电,使电容器 C 充有左正右负的电压,为负半周的工作做好准备。
在输入信号的负半周,两管的基极电压同时下降,VT 2 因发射结正偏转为导通,VT 1 因发射结反偏转为截止,这时电源无法向VT 2 供电,只能靠电容器 C 的放电为VT 2 供电,在负载BL上得到负半周放大后的信号,此时流过扬声器的电流方向如图中的虚线所示。
(2)OTL基本功率放大电路的特点与应用
①OTL电路采用单电源供电,输出端 O 点直流电压为电源电压的一半。
②输出端与负载之间采用大容量电容器耦合,没有输出变压器。
③额定输出功率约为
为提高输出功率,可采用较高的直流电源供电。 ④OTL电路由于采用单电源供电,电路简单,是目前应用最为广泛的一种功率放大器。
实用OTL功率放大电路
电路结构和工作原理(1)
图10-7所示电路为实用OTL功率放大电路,VT 1 (NPN型)和VT 2 (PNP型)是两个不同类型的三极管,两管特性相同。
图10-7 OTL互补对称功率放大器
在静态时,调节 R 3 ,使A点的电位为1/2Ucc,输出耦合电容 C 1 上的电压即为 A 点和“地”之间的电位差,也等于1/2Ucc并获得合适的直流电压 U B1B2 ,使VT 1 和VT 2 两管工作在甲乙类状态。 当输入交流信号 u I 时,在uI的正半周,VT 1 导通,VT 2 截止,电流 i C1 的通路如图中实线所示;在uI的负半周,VT 1 截止,VT 2 导通,电容 C 2 放电,电流 i C2 的通路如图中虚线所示。
由此可见,在输入信号 u I 的一个周期内,电流 i C1 和iC2 以正反方向交替流过扬声器,在扬声器上合成而获得一个交流输出信号电压 u O 。为了使输出波形对称,在C2放电过程中,其上电压不能下降过多,因此 C 2 的容量必须足够大。
此外,由于二极管的动态电阻很小, R 1 的阻值也不大,所以VT 1 和VT 2 的基极交流电位基本相等,否则会造成输出波形正、负半周不对称的现象。
由于静态电流很小,功率损耗也很小,因而提高了效率。在理论上可以证明其效率可达78.5%。
(2)复合管
上述互补对称功率放大器要求有一对特性相同的NPN型和PNP型功率输出管,在输出功率较小时,可以选配这对晶体管,但在要求输出功率较大时,就很难配对。因此在输出功率大的场合,往往采用复合管来代替互补对称管。复合管是由两个或两个以上的三极管采用复合法而构成的高 β 值大功率管,复合管有两种类型,即NPN型复合管和PNP型复合管,如图10-8所示。
图10-8 复合管
当多个三极管构成复合管时,复合管的管型由第一个管子决定,复合管的 β 值等于各个管子 β 值之积。
OTL电路中的自举电路
OTL功率放大器中要设自举电路,如图10-9所示。电路中的 C 1 、 R 1 和R2构成自举电路。 C 1 为自举电容, R 1 为隔离电阻, R 2 将自举电压加到晶体三极管VT 2 的基极。
图10-9 OTL功率放大器中的自举电路
(1)自举电路的作用
不加自举电路,晶体三极管VT 1 集电极信号为正半周期间VT 2 导通放大,当输入到VT 2 基极的信号比较大时,VT 2 基极信号电压增大。由于VT 2 发射极电压跟随基极电压变化而变化,使VT 2 发射极电压接近直流工作电压+ U CC ,造成VT 2 集电极与发射极之间的直流工作电压 U CE 减小,VT 2 容易进入饱和区,使三极管基极电流不能有效地控制集电极电流。
换句话讲,三极管集电极与发射极之间的直流工作电压 U CE 减小后,基极电流需要增大许多才能使三极管电流有一些增大,显然使正半周大信号输出受到限制,造成正半周大信号的输出不足,所以必须采用自举电路加以补偿。
(2)自举电路静态工作原理
静态时,直流工作电压+ U CC 经电阻 R 1 对电容 C 1 进行充电,使电容 C 1 上充有上正下负的电压 U C1 , B 点的直流电压高于 A 点电压。
(3)电路的自举过程
加入自举电压后,由于 C 1 容量很大,它的放电回路时间常数很大,使C1上的电压 U C1 基本不变。正半周大信号出现时, A 点电压升高导致 B 点电压也随之升高。
电路中, B 点升高的电压经电阻 R 2 加至三极管VT 2 基极,使VT 2 基极上信号电压更高(正反馈),有更大的基极信号电流激励VT 2 ,使VT 2 发射极输出信号电流更大,补偿因VT 2 集电极与发射极之间直流工作电压 U CE 下降而造成的输出信号电流不足。
(4)自举电路中隔离电阻的作用
自举电路中,电阻 R 1 用来将 B 点的直流电压与直流工作电压+ U CC 隔离,使B点直流电压有可能在某瞬间超过+ U CC 。当VT 2 中正半周信号幅度很大时, A 点电压接近+ U CC , B 点直流电压更大,并超过+ U CC ,此时 B 点电流经 R 1 流向电源+ U CC (对直流电源+ U CC 进行充电)。
OTL功率放大器输出电路特征
(1)分立元件OTL功率放大器输出电路特征
如图10-10(a)所示是分立元件OTL放大器输出电路,这一电路的特征如下。
图10-10 OTL功率放大器输出电路特征
①输出端接有两个电解电容器。
②输出端通过一个大容量的耦合电容 C 2 与扬声器相连。
③输出端耦合电容容量很大,自举电容容量较大。输出功率较小的放大器中,可以不设自举电容。
(2)集成OTL功率放大器输出电路特征
如图10-10(b)所示是OTL功率放大器集成电路输出电路,①脚是接地引脚,②脚是输出引脚,③脚是电源引脚。这一电路的特征是:OTL功率放大器集成电路输出引脚②通过一个容量很大的电容器与扬声器相连。