功率放大器,功率放大器的特點及原理是什么?

利用三極管的電流控制作用或場效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號變化的電流。因為聲音是不同振幅和不同頻率的波，即交流信號電流，三極管的集電極電流永遠(yuǎn)是基極電流的β倍，β是三極管的交流放大倍數(shù)，應(yīng)用這一點，若將小信號注入基極，則集電極流過的電流會等于基極電流的β倍，然后將這個信號用隔直電容隔離出來，就得到了電流(或電壓)是原先的β倍的大信號，這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過不斷的電流及電壓放大，就完成了功率放大。
　　功率放大器，簡稱“功放”。很多情況下主機的額定輸出功率不能勝任帶動整個音響系統(tǒng)的任務(wù)，這時就要在主機和播放設(shè)備之間加裝功率放大器來補充所需的功率缺口，而功率放大器在整個音響系統(tǒng)中起到了“組織、協(xié)調(diào)”的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個系統(tǒng)能否提供良好的音質(zhì)輸出。

一、功率放大器的特點

向負(fù)載提供信號功率的放大器，通常稱為功率放大器。功率放大器工作時，信號電壓和電流的幅度都比較大，因此具有許多不同于小信號放大器的特點。

l．功率放大器的效率

功串放大的實質(zhì)是通過晶體管的控制作用，把電源提供給放大器的直流功率轉(zhuǎn)換成負(fù)載上的交流功率。交流輸出功串和直流電源功率息息相關(guān)。一個功率放大器的直流電源提供的功率究竟能有多少轉(zhuǎn)換成交流輸出功率呢？我們當(dāng)然希望功率放大器最好能把直流功率（PE= EcIc）百分之百轉(zhuǎn)換成交流輸出功率（Psc＝Uscisc）實際上卻是不可能的。因為晶體管自身要有一定的功率消耗，各種電路元件（電阻、變壓器等）要消耗一定的功率，這就有個效率問題了。放大器的效率η指輸出功率Psc與電源供給的直流動率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。

晶休管在大信號工作條件下，工作點會上下大幅度擺動。一旦工作點跳出輸入或輸出特性曲線的線性區(qū)，就會出現(xiàn)非線性失真。所以對聲頻功率放大器來說，輸出功率總要和非線性失真聯(lián)系在一起考慮。一般聲頻功率放大器都有兩個指標(biāo)棗最大輸出功率和最大不失真輸出功率。前者說明放大器的最大負(fù)載能力，后者表示不失真放大的能力。例如，兩臺擴音機最大輸出功率都是50瓦，但一臺的最大不失真功率是40瓦，另一臺的最大不失真功率是30瓦，前者的性能就要比后者好些。

3、三種工作狀態(tài)

功率放大器按工作狀態(tài)的不同，可分為甲類、乙類和甲乙類三種。甲類放大器的特點是工作點選在輸出特性曲線線性區(qū)的中間位置，信號電流在整個周期內(nèi)都流通，失真小但效率低，輸出功率也小。乙類放大器工作點選在基極電流等于零的那條輸出特性曲線上，信號電流只在半周期內(nèi)流通，效率高，輸出功率大，但失真嚴(yán)重。第三類放大器的工作點既不象乙類放大選得那樣低，也不象甲類那樣高，電流截止的時間小于半周期，工作性能介于甲類和乙類之間。圖4一68中對功率放大器的三種工作狀態(tài)進行了比較，可以幫助我們了解它們的特點。

二、變壓器耦合甲類功率放大器

圖4－69是變壓器耦合甲類聲頻功率放大器的典型電路。級間耦合采用了變壓器耦合方式。圖中Bl是輸入變壓器，B2是輸出變壓器。Rl、B2、R3和R4、R5、R6分別組成分壓式電流負(fù)反饋偏置電路，為BG1、BG2提供穩(wěn)定偏置。C1、C2、C3、C4為交流信號提供通路。經(jīng)BG1放大的交流信號電流ic1通過B1的初級線圈Ll，在次級線圈人兩端感應(yīng)出輸入信號電壓Usr2，加在BG2的基一射間進行功率放大。放大的信號再通過B2耦合到揚聲器放音。放大器為什么要采用變壓器耦合呢？這是因為根據(jù)理論分析，為使功率放大器有最大的不失真功率輸出和高的效率，放大器中晶體管集電極回路有一個最佳電阻值，而實際的負(fù)載電阻值并不等于最佳值，所以需要用變壓器進行阻抗變換，將實際負(fù)載電阻值變換到最佳值（稱為阻抗匹配）。為保證做到這一點，輸出變壓器初次級圈數(shù)之比n應(yīng)滿足下面的關(guān)系：

n=N初級/N次級=√R`fz/Rfz

其中Rfz為負(fù)載電阻，R'fz為最佳負(fù)載電阻。例如，若一功率放大路最佳負(fù)載電阻為375歐，所接揚聲器音圈電阻為8歐時，變比n=√375/8≈7，即應(yīng)選用初次級匝數(shù)比為7:1的輸出變壓器。

類似地，輸入變壓器將使功率放大器和前級實現(xiàn)阻抗匹配。

計算表明，變壓器耦合甲類功率放大器的實際效率為30％左右，常用做功率放大器的推動級。

三、乙類雙管推挽功率放大器

利用兩只型號相同、主要參數(shù)相同的晶體管，采用變壓器耦合組成工作在乙類狀態(tài)的推挽功率放大器，可以獲得高效率、低失真的功率放大。

乙類推挽功率放大器電路圖如圖4- 70所示。電路工作的主要特點是兩管交替工作，并將每管工作時所得半周期輸出波形進行合成，完成不失真的放大。由圖4- 70可以看出，輸入變壓器B1次級和輸出變壓器B2初級都有中心抽頭。B1次級的L1和L2分別接在BG1和BG2的基椛浼??洌?Ｖぴ諦藕諾繆?/FONT>Usr輸入時，兩管基一射極間的輸入信號ub1和Ub2大小相等，極性相反。由于兩管均未引人基極偏流，兩管將分別在Usr的兩個半周期內(nèi)導(dǎo)通，一管導(dǎo)通，一管截止，相互配合，交替工作／“推挽放大”的名稱由此得來。在輸出端，B2初級的L3和L4分別接在兩管集電極和電源負(fù)極之間，當(dāng)兩管交替輸出的集電極電流通過時，在變壓器次級感應(yīng)出極性相反的電壓，最后正負(fù)半周合成為完整的波形。圖4一70中所標(biāo)正負(fù)號不加圈者表示Usr，正半周時的情況，加圈者表示負(fù)半周的情況。讀者可自行分析每半周時電路的具體工作過程。

需要指出，電路工作在乙類狀態(tài)時，兩管基極都未設(shè)偏置。由于晶休管輸入特性曲線上存在一段“死區(qū)”，在信號正負(fù)半周交接的零值附近，出現(xiàn)沒有放大輸出的情況，反映到負(fù)載上就會出現(xiàn)波形的兩半周交界處有不銜接的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象叫“交越失真”，參看圖4一70。推挽放大器如果采用甲乙類放大方式，就可以大大減小交越失真。所以一般的實用電路，在靜態(tài)時都要給晶休管加上一定的正向偏壓。保證晶休管在信號電壓較低時，仍處于良好導(dǎo)通狀態(tài)。

圖4一71是甲乙類推挽功率放大器電路圖。電路中，Rb1、Rb2、Re共同組成分壓式電流負(fù)反饋偏置電路，同時供給兩管正向偏壓。

推挽功率放大器的效率是比較高的，一般可達(dá)50％～70%。

變壓器耦合方式雖然有根多優(yōu)點，但變壓器體積大而且笨重，功率損耗大。此外，變壓器是個電磁元件，通過變壓器的信號頻率不同，線圈所呈現(xiàn)的阻抗也不同。為了提高低頻響應(yīng)，電磁要很大，線圈圈數(shù)就要很多才行。這勢必增大了匝間、岐間分布電容造成高頻的損失，影響整個放大器的頻率響應(yīng)。還有，從變壓器輸出端引人深度負(fù)反饋也容易自激，影響非線性失真的改善。為克服上述缺點，可采用下面介紹的無變壓器功率放大器。

四、無變壓器的功率放大器

1.“OTL“互補對稱推挽功率放大器

“OTL”是無輸出變壓器推挽功率放大器的意思。實際OTL電路不僅不使用輸出變壓器，而且還去掉了輸入變壓器。它具有頻響寬、失真小、輸出功率大，有利小型化，集成化的優(yōu)點，在聲頻放大等方面應(yīng)用日益廣泛。

互補對稱電路的工作原理可用圖4－72來說明。從推挽和波形合成的角度來講，電路與變壓器耦會推挽放大電路的工作原理是相同的。但這種互補電路利用PNP型晶休管和NPN型晶體管導(dǎo)電極性相反的特點，將兩管分別接成射極輸出器的形式；兩管在作用上互相補償，在連接上互相對稱。它不需要專門的倒相電路就可以完成正負(fù)半周的放大，并在負(fù)載上合成波形。當(dāng)信號輸人時，在正半周，BG1導(dǎo)通，BG2截止。BG1把正半周放大，發(fā)射極信號電流流過負(fù)載電阻Rfz，輸出正半周信號電壓。在信號負(fù)半周到來時，BG2導(dǎo)通，BG1截止，發(fā)射極信號電流同樣流過負(fù)載電阻Rfz，輸出負(fù)半周信號電壓，這樣就在負(fù)載Rfz上獲得完整的信號波形。從理論上講，這種電路需要使用正負(fù)兩組電源。實用電路一般都采用一組電源供電。這時要在Rfz和兩管發(fā)射極間串聯(lián)一個大容量電解電容器，利用電容器充電后的直流電壓代替一組電源。同時電容器又為交流信號提供了通路。另外，還要給兩管的基極加一定偏置，以避免產(chǎn)生交越失真。

圖4－73是單電源供電的互補電路。

單電源供電的互補電路，信號放大原理與雙電源供電原理一樣。只是C的作用是代替一組電源，下面著重談?wù)凜的作用。

當(dāng)BG1導(dǎo)通、BG2載止時。Ic1流過Rfz，并向C正向充電。忽略BG1集一射間正向壓降和負(fù)載上的壓降不計時，C兩端電壓將充到與Ec。相等，在另外半周，BG2導(dǎo)通、BG1載止時，電源Ec加不到BG2上了，但電容C兩端已充好的電壓可為BG2供電，使BG正常工作。這時的Ic2，正是C的放電電流。C的容量一般要有幾百微法到幾千微法。它的大小直接影響放大器的低頻響應(yīng)。圖4－73中的RB是兩管的偏置電阻。當(dāng)推動管BG靜態(tài)集電極電流Ic通過Rb時，Rb兩端上正下負(fù)的壓降使兩管基極都獲得正向偏置，保證電路工作在甲乙類放大狀態(tài)。

“另外，因為放大輸出是射極輸出形式，同時從交流通道來看兩管又是并聯(lián)的，所以輸出電阻很小，可以帶低阻抗的負(fù)載。聲頻放大時，輸出負(fù)載棗揚聲器可以直接接入，省去了輸出變壓器。

綜上所述，互補電路革除了輸人、輸出變壓器，為加深度位反饋、改善失真和提高放大器的性能創(chuàng)造了條件。

2.OTL準(zhǔn)互補對稱推挽功率放大器

在要求輸出功率大的場合，可以采用復(fù)合管代替互補對稱管，構(gòu)成OTL準(zhǔn)互補對稱推挽功率放大器。復(fù)合管系由兩只晶休管采用復(fù)合接法構(gòu)成的高B大功率管，，如圖4一74所示。每只復(fù)合管都可看作是一個直接耦合的小放大器，其型屬由第一只管子是PNP型還是NPN型決定。由于復(fù)合管的B等于每管電流放大系數(shù)之積。我們選擇功放中的復(fù)會管時，可以通過搭配，得到特性接近一致的兩只管子。這就克服了較大功率的NPN管和NNP管特性難于一致的困難，避免了不對稱引起的失真。

周4－75是采用復(fù)合管的準(zhǔn)對稱互補功放電路圖。圖中BG1、BG2組成NPN型復(fù)合管，BG3、BG4組成PNP型復(fù)合管。二極管口的作用，是利用它在溫度升高時正向電阻下降的特性，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)偏壓的目的。

3.“OCL”，互補對稱功率放大器

“OCL”電路是沒有輸出電容的互補對稱電路。它與OTL電路的區(qū)別，是取消了單電源供電OTL電路中的輸出電容C。這就使得OCL放大器在性能方面優(yōu)于OTL電路在高保真（HiFi）擴音系統(tǒng)中被廣泛采用。

如前所述，OTL電路中輸出電容的接入是為了代替一組電源，實現(xiàn)單電源供電。但電容直接影響著放大器頻率響應(yīng)的擴展，帶來頻率失真。如果采用正負(fù)兩組電源供電，輸出電容就可以去掉了。OCL互補對稱電路如圖4?/FONT>76（a）所示。

由于電路去掉輸出電容，負(fù)載（揚聲器）直接接在兩復(fù)合管的集一射極間，構(gòu)成了全電路的直接耠合。于是，電路零點漂移問題就突出了。

OCL電路的“零點”指的是圖4－76（a）中的A點。A點的直流電位要始終保持為零。一旦偏離零位，A點通過負(fù)載對“地”有了直流電壓，內(nèi)阻很小的負(fù)載中就將有很大的直流電流通過，既威脅揚聲器的安全，又破壞了電路的對稱平衡。

采用差動電路和直流負(fù)反饋的辦法，可以抑制A點零位的漂移。如圖4一76（b）所示，BG1和BG2組成差動電路。當(dāng)A點電位偏高時，差動電路自動維持A點零電位的過程如下：A點電UA↑Ube2→Ie2↑→UR3↑→Ube1↑→Ic1↓→UR2↓→Ube3↓→Ic3↓→UR8.9↓→復(fù)合管的Ube6.7↓→Ic6.7↑→Uce6.7↓（內(nèi)阻減?。齍A→。反之，則A點電位上升。這樣就達(dá)到A點電位的穩(wěn)定。

圖4－76（a）電路中，C6叫自舉升壓電容，它能提高正向輸出幅度。Re、R5、C3組成分壓式交流負(fù)反饋電路，R5越大，負(fù)反饋越深。R4、C是差動管的電源濾波電路。C用以防止高頻自激。

無變壓器功率放大器中還有采用輸人變壓器或利用推動管集電極、發(fā)射極輸出相位相反來進行倒相的。其工作原理與互補電路大同小異，不再贅述。

五、功率放大器對元件的要求

功牢放大器通常工作在大電壓、大電流的情況下，這就要求放大器的無件要有一定的可靠性和穩(wěn)定性。

電阻器的選用

功放級輸出電流一般擁比較大。輸出管的發(fā)射極電阻要選用功率（瓦數(shù)）比較大的電阻?；パa對稱電路PNP和NPN復(fù)。合管的偏置電阻，最好數(shù)值相等，誤差不能太大。特別是OCL電路中的電阻器要選用穩(wěn)定性高的碳膜或金屬膜電阻。半可變電阻要質(zhì)量好，接觸牢靠。OCL、OTL電路中做復(fù)合管基極偏置電阻的可調(diào)電阻器一旦接觸不良，功串管就很容易因電流劇增而損壞，最好還是調(diào)好后用固定電阻代替。

電容器的選用

聲頻功放電路中使用最多的是電解電容，要選用漏電小，耐壓高的優(yōu)質(zhì)電容器。特別是OCL、OTL電路中使用的電解電容器，重要精選；電路的許多故障往往就出在電容器上。電解電密器的耐壓值必須高于實際的工作電壓。

3．對晶休管的主要要求

功率放大器為了獲得較大的輸出功率，在輸出信號不失真的前題下，”要求功放管的動態(tài)集電極電壓和電流有最大的幅度。所以，一般功率管都運用在極限狀態(tài)。晶體管的主要極限多數(shù)是：集電極最大允許電流ICM，反向擊穿電壓BVceo，集電極最大允許耗散功率Pcm等。使用時，這三項參數(shù)都不能超過晶休管手冊繪出的數(shù)值，否則將引起晶體管損壞。

在高保真聲頻放大器中，還要考慮管子的頻率特性。因為硅管的截止頻率比低頻鍺管高得多，一般OCL電路中功率管大都使用硅管。硅管飽和壓降大，電源電壓應(yīng)考慮用得高一些。

工北管工作在極限狀態(tài)，因此散熱措施也很重要。散熱片最好使用銅質(zhì)或鋁質(zhì)的。散熱片表面積大一些好。增加厚度要比增加面積有效。散熱片垂直放置比水平放置散熱效果好。

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