功率放大器的制作与调试

时间：2023-02-14 理论教育版权反馈

【摘要】：图2-6-1是功率放大器的组成框图。功率放大器的主要任务是输出大的信号功率，它的输入、输出电压和电流都较大，是大信号放大器。表2-6-1列出了电压放大器与功率放大器在功能、工作方式、主要指标以及电路分析方法等方面的区别，以供比较。频率响应简称频响，在电子学上用来描述一台仪器对于不同频率的信号的处理能力的差异。

2．6．1 任务目标

(1)会进行OTL功率放大器的制作。

(2)会进行OTL功率放大器的调试。

2．6．2 基本知识一

低频功率放大器概述

电子电路一般都由多级放大器组成。多级放大器在工作过程中，一般先由小信号放大电路对输入信号进行电压放大，再由功率放大电路进行功率放大，以控制或驱动负载电路工作。这种以功率放大为目的的电路，就是功率放大电路。能使低频信号功率放大的放大器，即为低频功率放大器，简称功率放大器。图2-6-1是功率放大器的组成框图。

图2-6-1 功率放大器组成框图

2．6．2．1 低频功率放大器的基本要求

功率放大器和电压放大器是有区别的，电压放大器的主要任务是把微弱的信号电压进行放大，一般输入及输出的电压、电流都比较小，是小信号放大器。它消耗能量少，信号失真小，输出信号的功率小。功率放大器的主要任务是输出大的信号功率，它的输入、输出电压和电流都较大，是大信号放大器。它消耗能量多，信号容易失真，输出信号的功率大。这就决定了一个性能良好的功率放大器应满足下列几点基本要求:

1．具有足够大的输出功率

为了得到足够大的输出功率，三极管工作时的电压和电流应尽可能接近极限参数。

2．效率要高

功率放大器是利用晶体管的电流控制作用，把电源的直流功率转换成交流信号功率输出，由于晶体管有一定的内阻，所以它会有一定的功率损耗。我们把负载获得的功率Po与电源提供的功率PE之比定义为功率放大电路的转换效率η，用公式表示为

显然，功率放大电路的转换效率越高越好。

3．非线性失真要小

功率大、动态范围大，由晶体管的非线性引起的失真也大。因此提高输出功率与减少非线性失真是有矛盾的，但是依然要设法尽可能减小非线性失真。

4．散热性能好

表2-6-1列出了电压放大器与功率放大器在功能、工作方式、主要指标以及电路分析方法等方面的区别，以供比较。

表2-6-1 电压放大器与功率放大器的比较

2．6．2．2 低频功率放大器的分类

1．以晶体管的静态工作点位置分类

常见的功率放大器按晶体管静态工作点Q在交流负载线上的位置不同，可分为甲类、乙类和甲乙类3种，如图2-6-2所示。

图2-6-2 功率放大器的三种工作状态

(1)甲类功率放大器

工作在甲类工作状态的晶体管，静态工作点Q选在交流负载线的中点附近，如图2-6-2(a)所示。在输入信号的整个周期内，晶体管都处于放大区内，输出的是没有削波失真的完整信号，如图2-6-2(b)所示。它允许输入信号的动态范围较大，但其静态电流大、损耗大、效率低。

(2)乙类功率放大器

工作在乙类工作状态的晶体管，静态工作点Q选在晶体管放大区和截止区的交界处，即交流负载线和IB=0的交点处，如图2-6-2(a)所示。在输入信号的整个周期内，三极管半个周期工作在放大区，半个周期工作在截止区，放大器只有半波输出，如图2-6-2(c)所示。乙类工作状态的静态电流为零，故损耗小、效率高，但非线性失真太大。如果采用两个不同类型的晶体管组合起来交替工作，则可以放大输出完整的不失真的全波信号。

(3)甲乙类功率放大器

工作在甲乙类工作状态的晶体管，静态工作点Q选在甲类和乙类之间，如图2-6-2(a)所示。在输入信号的一个周期内，晶体管有时工作在放大区，有时工作在截止区，其输出为单边失真的信号，如图2-6-2(d)所示。甲乙类工作状态的电流较小，效率也比较高。

2．以功率放大器输出端特点分类

以功率放大器输出端特点可分为:

(1)有输出变压器功放电路。

(2)无输出变压器功放电路(又称OTL功放电路)。

(3)无输出电容器功放电路(又称OCL功放电路)。

(4)桥接无输出变压器功放电路(又称BTL功放电路)。

3．功率管的安全使用知识

就功率管而言，为了保证其安全运用，必须做到以下几个方面:

(1)避免发生集电结的击穿。

(2)避免集电结过热，集电极的功率损耗应低于最大容许值PCM。晶体管的集电极容许损耗PCM不是一个固定不变的值，它和器件的散热情况有关，根据环境温度和器件的散热装置不同而有所不同。

(3)功率管在工作时不能进入二次击穿区。

2．6．2．3 变压器耦合单管甲类功率放大器

1．电路与元器件作用

(1)电路的组成，如图2-6-3所示。

图2-6-3 变压器耦合单管甲类功率放大器

(2)元器件功能

ug——信号源内电势;

Rg——信号源内电阻;

RB1、RB2、RE——稳定静态工作点的分压式偏置电阻;

CB——耦合电容;

CE——旁路电容;

Tr——变压器。

2．电路的工作原理

(1)静态分析

图2-6-4(a)为功率管的输出特性曲线。先求IBQ:

图2-6-4 功率管的输出特性曲线

估算得

IBQ=0．2m A

根据方程UCEQ=UCC-ICQ(RE+RT1)作直流负载线，因RE、RT很小，为分析方便，令为零，则UCEQ≈UCC=6V。

作直流负载线EF，如图2-6-4(b)所示。

(2)动态分析

根据方程作交流负载线，交流负载线为过Q点斜率为-1/R'L的直线MN，如图2-6-4(c)所示。

3．能量值的计算

(1)直流电源供给功率: PD=ICQUCC;

(2)集电极输出功率: Po=(1/2)IcmVcm;

(3)集电极平均管耗: PC=PD-Po，Pcmax=PD(Ui=0时);

(4)集电极效率: ηc=Po/PD≤ηcmax=(1/2)Pcmax/PD=50%(匹配又充分激励时)。

4．存在问题与解决途径

(1)问题: 管耗大，输出功率小，效率低( ＜50%)。

(2)原因: 静态工作点的电流、电压过大。(在Ui=0时，PC=Pcmax=PD，即使匹配又充分时Pomax=PD/2)

(3)措施: 降低工作点→减小φ↓→φ=90°(乙类)。为使输出电流、电压波形不失真，采取平衡推挽电路形式。

2．6．2．4 变压器耦合推挽功率放大器

图2-6-5为变压器耦合推挽功率放大器。图中T1和T2为同型号特性对称的功放管。Tr1和Tr2分别为输入变压器和输出变压器，起阻抗变换作用。Rb1、Rb2和Re为分压式偏置电阻，使T1和T2静态时有一较小的电流，用来消除交越失真。

图2-6-5 变压器耦合推挽功率放大器

1．电路工作原理

当输入信号电压正半周时，T1管导通，T2管截止，负载上输出正半周电压;当输入信号电压负半周时，T1管截止，T2管导通，负载上输出负半周电压。

2．输出功率、管耗和效率的计算

由于两只功放管工作在接近乙类状态，因此，计算公式与互补对称电路相似。需要注意的是，功放管的负载为

式中: N1为Tr2原边绕组总匝数的一半，N2为副边绕组匝数。

集电极输出最大功率

式中: ηr为输出变压器的效率，一般情况下约为80%。

管耗

PTmax=0．2Pocmax

功放管集电极效率在理想情况下为78．5%。

2．6．3 基本知识二

互补对称功率放大器

2．6．3．1 OTL功率放大器电路组成

图2-6-6所示为OTL低频功率放大器。其中由晶体三极管T1组成推动级(也称前置放大级)，T2、T3是一对参数对称的NPN和PNP型晶体三极管，它们组成互补推挽OTL功放电路。由于每一个管子都接成射极输出器形式，因此具有输出电阻低、负载能力强等优点，适合于作功率输出级。

图2-6-6 OTL功率放大器实验电路

2．6．3．2 OTL功率放大器电路工作原理

T1管工作于甲类状态，它的集电极电流IC1由电位器RW1进行调节。IC1的一部分流经电位器RW2及二极管D，给T2、T3提供偏压。调节RW2，可以使T2、T3得到合适的静态电流而工作于甲、乙类状态，以克服交越失真。静态时要求输出端中点A的电位UA=12UCC，可以通过调节RW1来实现，又由于RW1的一端接在A点，因此在电路中引入交、直流电压并联负反馈，一方面能够稳定放大器的静态工作点，同时也改善了非线性失真。

当输入正弦交流信号ui时，经T1放大、倒相后同时作用于T2、T3的基极，ui的负半周使T2管导通(T3管截止)，有电流通过负载RL，同时向电容C0充电; 在ui的正半周，T3导通(T2截止)，则已充好电的电容器C0起着电源的作用，通过负载RL放电，这样在RL上就得到完整的正弦波。

C2和R构成自举电路，用于提高输出电压正半周的幅度，以得到大的动态范围。

2．6．3．3 OTL电路的主要性能指标

1．最大不失真输出功率Pom

理想情况下，，在实验中可通过测量RL两端的电压有效值，来求得实际的。

2．效率η

PE——直流电源供给的平均功率。

理想情况下，ηmax=78．5%。在实验中，可测量电源供给的平均电流Id C，从而求得PE=UCC˙Id C，负载上的交流功率已用上述方法求出，因而也就可以计算实际效率了。

3．频率响应

频率响应简称频响，在电子学上用来描述一台仪器对于不同频率的信号的处理能力的差异。频响也称频响曲线，是指增益随频率的变化曲线。任何音响设备都有其频响曲线，理想的频响曲线应当是平直的，声音信号通过后不产生失真。

4．输入灵敏度

输入灵敏度是指输出最大不失真功率时，输入信号Ui之值。

2．6．4 技能实训

OTL功率放大器的制作与调试

2．6．4．1 实训目标

(1)增强专业意识，培养良好的职业道德和职业习惯。

(2)熟悉带有前置放大的OTL功放结构。

(3)理解OTL功放的静态工作点调节原理、中点电位调节原理以及自举电路的作用。

(4)会制作OTL功放，并能完成电路的静态工作点调节与中点电位调整。

2．6．4．2 实训器件

(1) +5V直流电源;

(2)函数信号发生器;

(3)双踪示波器;

(4)交流毫伏表;

(5)直流电压表;

(6)直流毫安表;

(7)频率计;

(8)晶体三极管3DG6(9011)、3DG12(9013)、3CG12(9012);

(9)晶体二极管1N4007;

(10)8Ω扬声器、电阻器、电容器。

2．6．4．3 实训内容与步骤(在整个测试过程中，电路不应有自激现象)

(1)识别与检测元器件。若有元器件损坏，请说明情况。

(2)按图2-6-7所示进行电路连接，RW1置中间，RW2置零。

(3)接通+5V电源，用手触摸功放管T2与T3，若管子温升明显，说明电路存在故障，应立即关闭电源并进行故障排查，并记录如下: 。

图2-6-7 带有前置放大级的OTL功率放大器

(4)静态工作点的测试

将输入信号旋钮旋至零(ui=0)，电源进线中串入直流毫安表，电位器RW2置最小值， RW1置中间位置。接通+5V电源，观察毫安表指示，同时用手触摸输出级管子，若电流过大，或管子温升显著，应立即断开电源检查原因(如RW2开路，电路自激，或输出管性能不好等)。如无异常现象，可开始调试。

①调节输出端中点电位UA

调节电位器RW1，用直流电压表测量A点电位，使。

②调整输出级静态电流及测试各级静态工作点

调节RW2，使T2、T3管的IC2=IC3=5～10m A。从减小交越失真角度而言，应适当加大输出级静态电流，但该电流过大，会使效率降低，所以一般以5～10m A为宜。由于毫安表是串在电源进线中，因此测得的是整个放大器的电流，但一般T1的集电极电流IC1较小，从而可以把测得的总电流近似当作末级的静态电流。如要准确得到末级静态电流，则可从总电流中减去IC1之值。

调整输出级静态电流的另一方法是动态调试法。先使RW2=0，在输入端接入f=1k Hz的正弦信号ui。逐渐加大输入信号的幅值，此时，输出波形应出现较严重的交越失真(注意:没有饱和和截止失真)，然后缓慢增大RW2，当交越失真刚好消失时，停止调节RW2，恢复ui=0，此时直流毫安表读数即为输出级静态电流。一般数值也应在5～10m A，如过大，则要检查电路。

输出极电流调好以后，测量各级静态工作点，记入表2-6-2。

表2-6-2 各级静态工作点数据记录表(IC2=IC3= m A，UA=2．5V)

注意: ①在调整RW2时，一是要注意旋转方向，不要调得过大，更不能开路，以免损坏输出管。②输出管静态电流调好，如无特殊情况，不得随意旋动RW2的位置。

(5)最大输出功率Pom和效率η的测试

①测量Pom

输入端接f=1k Hz的正弦信号ui，输出端用示波器观察输出电压uo波形。逐渐增大ui，使输出电压达到最大不失真输出，用交流毫伏表测出负载RL上的电压Uom，则

②测量η

当输出电压为最大不失真输出时，读出直流毫安表中的电流值，此电流即为直流电源供给的平均电流Id C(有一定误差)，由此可近似求得PE=UCCId C，再根据上面测得的Pom，即可求出。