甲类功放效率低,功放管的管耗大,其主要原因是静态工作点较高,无论有无信号输入,电源始终供给能量,当输入信号为零时,电源供给的功率全部变为功放管自身管耗(热量) ,因此静态损耗最大。只有当有信号输入时,放大器才将一部分电源功率转化成交流功率输出。因此静态工作点高是甲类功率放大器效率低的根本原因。如果不设静态工作点,即IBQ = 0 、ICQ = 0 时功效管的静态管耗低,效率较高。但是如果输入信号为正弦波信号,输出信号只有半周,将产生严重失真。如果利用两个性能相近的三极管,分别放大正负半周信号,则能较好地解决放大器的效率与波形失真的问题。利用这种工作方式的功率放大电路称为互补对称功率放大电路。
目前广泛使用的互补对称功率放大电路是OTL电路(无输出变压器的功率放大电路)、OCL电路(无输出电容功率放大电路)和BTL电路(桥式推挽功率放大电路)
1、OTL电路
单电源互补对称式功率放大器如图1所示。它只有一个电源UCC,在两功放管发射极与负载间串入大容量电容器C ,也称无输出变压器功率放大电路、简称OTL(Output Transformer-Less)
图1 OTL电路及电路分析 |
静态时,前级电路应使基极电位为,UCC/2,双管射极对地电位为UCC/2,电容器两端电压为UCC/2,极性如图1(b)所示。电容C在电路中起着负电源的作用,做T2的工作电源。
当输入信号为正半周时,忽略晶体管B-E极间的开启电压,T1的基极电位高于UCC/2, T1导通,T2截止,输出信号的正半周到负载RL ,此时UCC对电容C 充电。如图1(b)实线所标注。
当输入信号为负半周时,忽略晶体管B-E极间的开启电压,T1与T2的基极电位低于UCC/2,T1 截止,T2导通,T2以射极输出的形式将信号传给负载,此时电容器放电,电容C相当于电源。如图1(b)虚线所标注。
T1、T2轮流工作,负载RL上得到一个完整的波形,电路工作于乙类工作状态。电容器C的容量应选得足够大,使电容器的充放电时间远大于信号周期,使电容器在T2导通时,充分体现其担任电源的重任。由于电容器容量大且时间常数大,可以认为电容器两端电压在信号的变化过程中基本不变。由于电容的阻抗与信号频率相关,一般C的容量应大于300μF ,容量太小,低频响应不好。
2、OCL电路
采用正负电源的互补对称功率放大器的原理电路如图2所示,T1为NPN 管,T2为PNP 管,参数要求一致,两个管的发射极连在一起接负载RL ,两基极连在一起,接输入信号ui,NPN集电极接电源正极,PNP 管集电极接电源的负极,两管分别为射极输出器。
图2 OCL电路及电路分析 |
当ui = 0 时,电路处于静止状态,因无静态偏置,两管都截止, IBQ = 0 ,ICQ = 0 ,不消耗电源功率,由于电路对称,两管射极电位为零。
当输入信号为正半周时,ui>0;上端NPN 管因uBE1>0而导通,而PNP 管截止,负载RL 获得上半周信号。如图2 (b)实线所标注。
当输入信号为负半周时,ui<0;下端PNP 管因uBE2<0而导通,NPN管截止,负载RL 获得下半周信号,如图2 (b)虚线所标注。
因此两个三极管交替推挽工作,互相补充,使负载获得完整的正弦波,这称为互补对称推挽功率放大器,又称OCL 电路(OCL ,Output Capacitor Less 的简称) ,此电路工作时,正半周时T1饱和,负半周时T2饱和,因此最大输出电压幅度是UCC 。
3、桥式推挽功率放大电路
在OCL电路中采用了双电源供电,没有了大容,但是在制作负电源时仍需用变压器或带铁芯的电感、大电容等,所以就整个电路系统而言未必是最佳方案。(http://www.ippipp.com/版权所有)为了实现单电源供电,且不使用变压器和大电容,可采用桥式推挽功率放大电路,简称BTL(Balanced Transformr-Less)电路。
图3中4只管子特性,静态时均处于截止状态,负载上电压为零。设晶体管b-e极间的开启电压可忽略不计;输入电压为正弦波,假设正方向如图3中所标注。当ui为正半周时,T1和T4管导通,T2和T3管截止,电流如图3中实线所示,负载上获得正半周电压;当ui为负半周时,T1和T4管截止,T2和T3管导通,电流如图3中虚线所示,负载上获得负半周电压;因而负载获得交流功率。BTL电路所用管子数量最多,难以做到4只管子特性理想对称;且管子的总损耗大,必然使得转换效率降低;电路的输入和输出均无接地点,因此有些场合不适用。综上所述,OTL、OCL和BTL电路中的晶体管均工作在乙类状态,它们各有优、缺点,且均有集成电路,使用时应根据需要合理选择。
图3 桥式推挽功率放大电路 |