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音頻功率放大器的知識大全

1.電路組成方框圖

音頻功率放大器電路組成方框圖。這是一個多級放大器，由最前面的電壓放大級、中間的推動級和最后的功放輸出級共三級電路組成。

重要提示

電路分析中，時常需要識別一個電路的前、后相關(guān)聯(lián)電路，這有利于了解信號的“來龍去脈”。與音頻功率放大器前、后連接的電路是：負(fù)載為揚(yáng)聲器電路，輸入信號Ui來自音量電位器RP1動片的輸出信號。

2.音頻功率放大器中各單元電路作用

(1)電壓放大級。用來對輸入信號進(jìn)行電壓放大，使加到推動級的信號電壓達(dá)到一定的程度。根據(jù)機(jī)器對音頻輸出功率要求的不同，電壓放大器的級數(shù)不等，可以只有一級電壓放大器，也可以是采用多級電壓放大器。

(2)推動級。用來推動功放輸出級，對信號電壓和電流進(jìn)行進(jìn)一步放大，有的推動級還要完成輸出兩個大小相等、方向相反的推動信號。推動放大器也是一級電壓、電流放大器，它工作在大信號放大狀態(tài)下。

(3)輸出級。用來對信號進(jìn)行電流放大。電壓放大級和推動級對信號電壓已進(jìn)行了足夠的電壓放大，輸出級再進(jìn)行電流放大，以達(dá)到對信號功率放大的目的，這是因為輸出信號功率等于輸出信號電流與電壓之積。

重要提示

一些要求輸出功率較大的功率放大器中，功放輸出級分成兩級，除輸出級之外，在輸出級前再加一級末前級，這一級電路的作用是進(jìn)行電流放大，以便獲得足夠大的信號電流來激勵功放輸出級的大功率三極管。

功率放大器以功放輸出級電路形式來劃分種類，常見的音頻功率放大器主要有：OTL、OCL和BTL。

OTL功率放大器應(yīng)用最多，所以必須深入掌握。掌握了典型的分立元器件OTL功率放大器工作原理后，才能比較順利地分析各種OTL功率放大器的變形電路、集成電路OTL功率放大器、OCL功率放大器和BTL功率放大器。

甲類、乙類和甲乙類放大器

根據(jù)功放輸出三極管在放大信號時的信號工作狀態(tài)和三極管靜態(tài)電流大小劃分，常見放大器有甲類、乙類和甲乙類3種。

1.甲類放大器

單級放大器包括共發(fā)射極、共集電極和共基極放大器，這幾種放大器是根據(jù)三極管輸入、輸出回路共用哪個電極劃分的。如果根據(jù)三極管在放大信號時的信號工作狀態(tài)和三極管靜態(tài)電流大小劃分，放大器主要有甲類、乙類和甲乙類3種，此外還有超甲類等許多種放大器。

甲類放大器就是給放大管加入合適的靜態(tài)偏置電流，這樣用一只三極管同時放大信號的正、負(fù)半周。在功率放大器中，功放輸出級中的信號幅度已經(jīng)很大，如果仍然讓信號的正、負(fù)半周同時用一只三極管來放大，這種電路稱為甲類放大器。

重要提示

在功放輸出級電路中，甲類放大器的功放管靜態(tài)工作電流設(shè)得比較大，要設(shè)在放大區(qū)的中間，以便使信號的正、負(fù)半周有相同的線性范圍，這樣當(dāng)信號幅度太大時(超出放大管的線性區(qū)域)，信號的正半周進(jìn)入三極管飽和區(qū)而被削頂，信號的負(fù)半周進(jìn)入截止區(qū)而被削頂，此時對信號正半周與負(fù)半周的削頂量相同，這樣非線性失真才最小。

(1)音質(zhì)好。由于信號的正、負(fù)半周用一只三極管來放大，這樣信號的非線性失真很小，聲音的音質(zhì)比較好，這是甲類放大器的主要優(yōu)點之一，所以一些音響中采用這種放大器作為功率放大器。

(2)輸出功率不大。信號的正、負(fù)半周用同一只三極管放大，使放大器的輸出功率受到了限制，即一般情況下甲類放大器的輸出功率不可能做得很大。

(3)電源消耗大。功率三極管的靜態(tài)工作電流比較大，沒有輸入信號時對直流電源的消耗比較大，當(dāng)采用電池供電時這一問題更加突出，因為對電源(電池)的消耗大。

音頻功率放大器

2.乙類放大器

乙類放大器不給三極管加靜態(tài)偏置電流，而且用兩只性能對稱的三極管來分別放大信號的正半周和負(fù)半周，在放大器的負(fù)載上將正、負(fù)半周信號合成為一個完整周期的信號。

圖2-27所示是沒有考慮這種放大器非線性失真時的乙類放大器工作原理示意圖。

(1)輸出管無直流偏置電流。VT1和VT2構(gòu)成功率放大器輸出級電路，兩只放大管基極沒有靜態(tài)工作電流。輸入信號Ui1加到VT1基極，輸入信號Ui2加到VT2基極。

(2)正半周情況。由于加到功放級的輸入信號Ui1、Ui2幅度已經(jīng)足夠大，所以可以用輸入信號Ui1本身使VT1進(jìn)入放大區(qū)，這一信號經(jīng)VT1放大后加到負(fù)載RL，其信號電流方向，即從上而下流過RL，在負(fù)載RL上得到半周信號1。VT1進(jìn)入放大狀態(tài)時，VT2管處于截止?fàn)顟B(tài)。

(3)負(fù)半周情況。半周信號1過去后，另半周信號Ui2加到VT2基極，由輸入信號Ui2使VT2進(jìn)入放大區(qū)，VT2放大這一半周信號，VT2的輸出電流方向，即從下而上地流過負(fù)載電阻RL，這樣在負(fù)載電阻上得到負(fù)半周信號2。VT2進(jìn)入放大狀態(tài)時，VT1處于截止?fàn)顟B(tài)。

(4)輸出功率大。輸入信號的正、負(fù)半周各用一只三極管放大，可以有效地提高放大器的輸出功率。

(5)用信號直接導(dǎo)通輸出管。輸入功率放大管的信號幅度已經(jīng)很大，可以用輸入信號自身電壓使功率放大管正向?qū)?，進(jìn)入放大狀態(tài)。

(6)省電。在沒有輸入信號時，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，不消耗直流電源，這樣比較省電，這是這種放大器的主要優(yōu)點之一。

(7)交越失真。由于三極管工作在放大狀態(tài)下，三極管又沒有靜態(tài)偏置電流，而是用輸入信號電壓給三極管加正向偏置，這樣在輸入較小的信號時或大信號的起始部分，信號落到了三極管的截止區(qū)，由于截止區(qū)是非線性的，將產(chǎn)生如圖2-28所示的失真。

沒有考慮非線性失真時乙類放大器工作原理圖

從乙類放大器輸出信號波形中可以看出，其正、負(fù)半周信號在幅度較小時存在失真，放大器的這種失真稱為交越失真。這種失真是非線性失真中的一種，對聲音的音質(zhì)破壞嚴(yán)重，所以乙類放大器不能用于音頻功率放大器中，只用于一些對非線性失真沒有要求的功率放大場合。

3.甲乙類放大器

為了克服交越失真，必須使輸入信號避開三極管的截止區(qū)，可以給三極管加入很小的靜態(tài)偏置電流，以使輸入信號“騎”在很小的直流偏置電流上，這樣可以避開三極管的截止區(qū)，使輸出信號不失真。

VT1和VT2構(gòu)成功率放大器輸出級電路，電阻R1和R2分別給VT1和VT2提供很小的靜態(tài)偏置電流，以避開兩管的截止區(qū)，使兩管進(jìn)入微導(dǎo)通狀態(tài)，這樣輸入信號便能直接進(jìn)入三極管的放大區(qū)。

輸入信號Ui1和Ui2分別“騎”在一個直流偏置電流上，用這一很小的直流偏置電流避開三極管的截止區(qū)，使兩個半周信號分別工作在VT1和VT2的放大區(qū)，達(dá)到克服交越失真的目的。

(1)功率放大管剛進(jìn)放大區(qū)。甲乙類放大器同乙類放大器一樣，用兩只三極管分別放大輸入信號的正、負(fù)半周信號，但是給兩只三極管加入了很小的直流偏置電流，以使三極管剛剛進(jìn)入放大區(qū)。

(2)具有甲類和乙類放大器的優(yōu)點，且克服了它們的缺點。由于給三極管所加的靜態(tài)直流偏置電流很小，在沒有輸入信號時放大器對直流電源的消耗比較小(比起甲類放大器要小得多)，這樣具有乙類放大器的省電優(yōu)點，同時因為加入的偏置電流避開了三極管的截止區(qū)，對信號不存在失真，又具有甲類放大器無非線性失真的優(yōu)點。所以，甲乙類放大器具有甲類和乙類放大器的優(yōu)點，同時克服了這兩種放大器的缺點。甲乙類放大器因無交越失真和省電的優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用于音頻功率放大器中。

重要提示

當(dāng)這種放大電路中的三極管靜態(tài)直流偏置電流太小或沒有時，就成了乙類放大器，將產(chǎn)生交越失真;如果這種放大器中的三極管靜態(tài)偏置電流太大，就失去了省電的優(yōu)點，同時也造成信號動態(tài)范圍的減小。

功率放大器的定阻式輸出和定壓式輸出

功率放大器的輸出特性有兩種：一是定阻式輸出，二是定壓式輸出。

1.定阻式輸出

變壓器耦合的功率放大器為定阻式輸出特性，在這種輸出式電路中要求負(fù)載阻抗確定不變，在功率放大器輸出級電路中的輸出變壓器一次側(cè)和二次側(cè)匝數(shù)確定后，揚(yáng)聲器的阻抗便不能改變。

2.定壓式輸出

所謂定壓式輸出是指負(fù)載阻抗大小在一定范圍內(nèi)變化時，功率放大器輸出端的輸出信號電壓不隨負(fù)載阻抗的變化而變化。OTL、OCL、BTL等功率放大器電路具有定壓式輸出的特性。

在定壓式輸出的功率放大器中，對負(fù)載(指功率放大器的負(fù)載)阻抗的要求沒有定阻式輸出那么嚴(yán)格，負(fù)載阻抗可以有些變化而不影響放大器的正常工作，但是負(fù)載所獲得的功率將隨負(fù)載阻抗不同而有所變化。

推挽、互補(bǔ)推挽和復(fù)合互補(bǔ)推挽放大器

1.推挽放大器

VT1和VT2構(gòu)成推挽輸出級電路，VT1和VT2是NPN型大功率三極管，性能參數(shù)非常接近(同型號三極管，所謂配對)，兩管構(gòu)成一級放大器。T1稱為輸入耦合變壓器，T2稱為輸出耦合變壓器。

(1)認(rèn)識T1的兩個輸出信號。二次側(cè)的中心抽頭通過電容C1交流接地。二次繞組兩端輸出大小相等、相位相反的兩組信號，用來驅(qū)動VT1和VT2，如圖2-31所示。

(2)分析VT1和VT2的導(dǎo)通與截止。VT1基極幅度很大的正半周信號使VT1導(dǎo)通，負(fù)半周給VT1反向偏置，VT1截止。VT2基極為正半周信號時VT2導(dǎo)通，信號為負(fù)半周時VT2截止。

(3)理解推挽工作狀態(tài)。VT1基極為正半周信號時，VT2基極為負(fù)半周信號;VT1基極為負(fù)半周信號時，VT2基極為正半周信號。兩只三極管一只導(dǎo)通、另一只截止，分別放大半周信號，因此稱為推挽工作狀態(tài)。

(4)電流回路分析。VT1導(dǎo)通時的電流回路是：+V→T2一次繞組上半部分→VT1集電極→VT1發(fā)射極→R2→地，圖2-32所示是VT1導(dǎo)通時電流回路示意圖。

VT2導(dǎo)通時的電流回路是：+V→T2一次繞組下半部分→VT2集電極→VT2發(fā)射極→R2→地，圖2-33所示是VT2導(dǎo)通時電流回路示意圖。

(5)正、負(fù)半周信號合成。VT1導(dǎo)通時信號一個半周的電流流過T2一次繞組，VT2導(dǎo)通時信號另一個半周的電流流過T2一次繞組，T2二次繞組輸出正、負(fù)半周一個完整的信號，加到揚(yáng)聲器上。

重要提示

對于直流電路而言，VT1和VT2的3個電極是并聯(lián)的，兩管基極通過T1二次繞組相連，兩管集電極通過T2一次繞組相連，兩管發(fā)射極直接相連。

當(dāng)一只三極管開路而另一只正常時，測量任何一只三極管的集電極、發(fā)射極或基極直流電壓都是正常的，不能發(fā)現(xiàn)開路故障的三極管，因為兩只三極管的3個電極直流電路是并聯(lián)的。

2.互補(bǔ)推挽放大器

互補(bǔ)推挽放大器電路。VT1是NPN型大功率三極管，VT2是PNP型大功率三極管，要求兩只三極管極性、參數(shù)十分相近，VT1和VT2構(gòu)成互補(bǔ)推挽輸出級電路。兩只三極管基極直接相連，在兩管基極加有一個音頻輸入信號Ui。

互補(bǔ)推挽放大器電路

(1)用一個激勵信號。利用不同極性三極管輸入極性不同，用一個信號來激勵兩只三極管，這樣可以不需要兩個大小相等、相位相反的激勵信號。兩管基極相連，由于兩只三極管的極性不同，基極上的輸入信號電壓對兩管而言一個是正向偏置，一個是反向偏置。

(2)工作過程。輸入信號為正半周時，兩管基極電壓同時升高，輸入信號電壓給VT1加正向偏置電壓，VT1進(jìn)入導(dǎo)通和放大狀態(tài);基極電壓升高對VT2是反向偏置電壓，所以VT2處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)輸入信號變化到負(fù)半周后，兩管基極電壓同時下降，使VT2進(jìn)入導(dǎo)通和放大狀態(tài)，而VT1進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。

(3)互補(bǔ)電路。利用NPN型和PNP型三極管的互補(bǔ)特性，用一個信號來同時激勵兩只三極管的電路，稱為“互補(bǔ)”電路。

(4)互補(bǔ)放大器。由互補(bǔ)電路構(gòu)成的放大器稱為互補(bǔ)放大器。

(5)互補(bǔ)推挽放大器。兩只不同極性的三極管在工作時，一只導(dǎo)通放大，另一只截止，工作在推挽狀態(tài)，稱為互補(bǔ)推挽放大器。

3.復(fù)合互補(bǔ)推挽放大器

互補(bǔ)推挽放大器中的兩只輸出管是不同極性的大功率三極管，要求兩管的性能和參數(shù)相同比較困難，配對時成本較高，采用復(fù)合互補(bǔ)推挽式電路就能夠解決這一問題，在實用電路中普遍采用復(fù)合互補(bǔ)推挽式電路。

復(fù)合互補(bǔ)推挽放大器電路，VT1和VT2構(gòu)成一只復(fù)合管，VT3和VT4構(gòu)成另一只復(fù)合管。VT2和VT4是兩只NPN型的大功率三極管，同極性大功率三極管性能相同容易做到。不同極性的小功率三極管VT1和VT3性能相同比不同極性的大功率三極管性能相同容易做到，這就是要采用復(fù)合互補(bǔ)推挽電路的原因。

復(fù)合互補(bǔ)推挽放大器

(1)互補(bǔ)電路。VT1和VT3構(gòu)成的是互補(bǔ)電路。

(2)輸出管驅(qū)動電流。VT2由VT1導(dǎo)通后的發(fā)射極電流驅(qū)動，兩管同時導(dǎo)通，同時截止;VT4由VT3導(dǎo)通后的集電極電流驅(qū)動，兩管同時導(dǎo)通，同時截止。

(3)推挽過程。將VT1和VT2兩管等效成NPN型三極管，VT3和VT4兩管等效成PNP型三極管，這樣可以方便地分析推挽工作過程。

推挽輸出級靜態(tài)偏置電路

重要提示

為了使功率放大管工作在甲乙類狀態(tài)，需要給功率放大管建立靜態(tài)偏置電路，以提供較小的靜態(tài)工作電流。功率放大器輸出級的工作電壓和電流比較大，所以故障發(fā)生率比較高。

在檢修放大器電路故障時，往往是通過檢測靜態(tài)電路的工作情況來推斷交流電路工作狀態(tài)，所以分析放大器電路的靜態(tài)偏置電路顯得非常重要。

推挽輸出級放大器的靜態(tài)偏置電路有多種形式，只有掌握這些電路的工作原理才能真正掌握推挽輸出級放大器的工作原理。

1.二極管偏置電路

二極管構(gòu)成的推挽輸出級靜態(tài)偏置電路。VT1是推動管，VT2和VT3構(gòu)成推挽輸出級，VD1和VD2是輸出管VT2和VT3的偏置二極管，給VT2和VT3很小的靜態(tài)偏置電流，使兩管工作在甲乙類狀態(tài)。A點是這一放大器的輸出端。該電路的直流工作電壓是+12V。

理解偏置電路的工作原理關(guān)鍵是明確下列幾點。

(1)二極管導(dǎo)通后壓降。二極管VD1和VD2串聯(lián)，它們在由R1加來的直流工作電壓+V作用下處于導(dǎo)通狀態(tài)，其導(dǎo)通后的電流回路是：+V端→R1→VD1正極→VD1負(fù)極→VD2正極→VD2負(fù)極→VT1集電極→VT1發(fā)射極→地端，圖2-37所示是VD1和VD2導(dǎo)通電流回路示意圖。

每只二極管導(dǎo)通后的管壓降為0.6V，這樣VT2基極電壓比VT3基極電壓高出2×0.6V，為1.2V，使兩管基極之間有了直流電壓降，這就是兩管的靜態(tài)偏置電壓。圖2-38所示是偏置電壓示意圖。

(2)VT1集電極電壓是關(guān)鍵。VD1和VD2兩端的電壓不變，VT1集電極直流電壓不僅決定了VT3基極電壓大小，同時決定了VT2基極直流電壓大小。

重要提示

改變VT1集電極直流電壓大小的方法是改變它的靜態(tài)工作電流，即改變基極、集電極電流。集電極電流大時，在電阻R1上的壓降大，集電極電壓就低，反之則高。

只要適當(dāng)調(diào)整VT1靜態(tài)工作電流大小，就可以使電路中B點的直流電壓等于輸出端A點直流電壓。VT1集電極負(fù)載電阻主要是R1。

(3)輸出管偏置電路工作原理。由于VD1和VD2導(dǎo)通，VT2基極直流電壓高于發(fā)射極電壓0.6V，對于NPN型的VT2而言是正向偏置電壓;VT3基極直流電壓低于發(fā)射極電壓0.6V，對于PNP型的VT3而言是正向偏置電壓。這樣，兩只輸出管建立了靜態(tài)偏置電流，工作在甲乙類狀態(tài)。

(4)對VD1和VD2內(nèi)阻的理解。VD1和VD2二極管導(dǎo)通后，它們的內(nèi)阻很小，在進(jìn)行交流電路分析時，可以認(rèn)為兩只二極管的內(nèi)阻為0Ω。

2.輸出端直流電壓分析

輸出端的直流電壓等于工作電壓+V的一半，+V為12V時輸出端A點的直流電壓等于6V，電路可以說明這一問題。

VT1和VT2兩管有相同的正向偏置電流，VT1和VT2性能一致，所以VT1和VT2集電極與發(fā)射極之間內(nèi)阻大小相等，從等效電路中可以看出，兩只阻值相同的等效電阻構(gòu)成對直流工作電壓+V的分壓電路，由分壓電路特性可知，輸出端A點的直流電壓等于+V的一半。

3.電阻和二極管混合偏置電路

電阻和二極管構(gòu)成的推挽輸出級偏置電路。VT1是推動管，VT2和VT3構(gòu)成推挽輸出級電路，R2與VD1構(gòu)成VT2和VT3直流偏置電路，使兩管工作在甲乙類狀態(tài)。

R2與VD1串聯(lián)后接在VT2和VT3基極之間，電流從上而下地流過R2和VD1，在VT2、VT3基極之間產(chǎn)生了電壓差，這個電壓差為VT2和VT3提供靜態(tài)直流偏置電壓。

偏置二極管VD1導(dǎo)通電流回路示意圖。

OTL功率放大器輸出端耦合電容電路分析

OTL是英文Output Transformerless的簡寫，意思是無輸出變壓器。前面介紹的功率放大器要設(shè)輸出耦合變壓器，OTL功率放大器就是沒有輸出耦合變壓器的功率放大器。

重要提示

一個功率放大器采用輸出耦合變壓器后會帶來以下幾個問題。

(1)變壓器安裝不方便，成本高，體積大。

(2)對于低頻信號而言，由于一般輸出變壓器的電感量不足，放大器對低頻信號的放大倍數(shù)不夠，造成低音不足現(xiàn)象。

(3)變壓器的漏磁對整個放大器的工作構(gòu)成了危害，會干擾放大器的正常工作。

OTL功率放大器采用輸出端耦合電容取代輸出耦合變壓器解決了上述問題，所以應(yīng)用十分廣泛。圖2-42所示是OTL功率放大器輸出端耦合電容電路。VT1和VT2是OTL功率放大器輸出管，C1是輸出端耦合電容，BL1是揚(yáng)聲器。

1.輸出端耦合電容C1的兩個作用

(1)隔直通交作用。將功率放大器輸出端的交流信號耦合到揚(yáng)聲器BL1中，同時將輸出端的直流電壓與揚(yáng)聲器隔離。揚(yáng)聲器的直流電阻很小，沒有C1輸出端將直流短路。

(2)負(fù)半周為放大管提供電源作用。VT2進(jìn)入導(dǎo)通、放大狀態(tài)時，C1所充電作為VT2的直流電源。

2.輸出端耦合電容充電過程

通電后，直流工作電壓+V對電容C1充電的電流回路是：直流工作電壓+V→VT1集電極→VT1發(fā)射極(VT1已在靜態(tài)偏置電壓下導(dǎo)通)→C1正極→C1負(fù)極→BL1(直流電阻很小)→地線。圖2-43所示是電容C1充電回路示意圖。很快電容C1充電完畢，C1中無電流流過，揚(yáng)聲器BL1中也沒有直流電流流過。

靜態(tài)時OTL功率放大器輸出端直流電壓等于+V的一半。

電容C1一端接輸出端，另一端通過揚(yáng)聲器BL1接地，根據(jù)電容充電特性可知，靜態(tài)時在C1上充到+V一半大小的直流電壓，極性為左正右負(fù)，即C1兩端的直流電壓就是輸出端的直流電壓。

3.輸出端耦合電容的電源作用

輸出端耦合電容C1電源作用的理解主要掌握幾點。

(1)+V無法對VT2供電。VT2進(jìn)入導(dǎo)通、放大狀態(tài)時，VT1截止(推挽放大器中一只三極管導(dǎo)通，另一只截止)，VT1集電極與發(fā)射極之間相當(dāng)于開路，直流工作電壓+V不能通過VT1加到VT2發(fā)射極，在此期間直流電壓+V不對VT2供電。圖2-44所示是VT1和VT2導(dǎo)通、截止?fàn)顟B(tài)示意圖。

(2)輸出耦合電容上的電壓是VT2的電源。靜態(tài)時，電容C1上已經(jīng)充到左正右負(fù)的電壓，其值為+V的一半。VT2導(dǎo)通、放大期間的電壓供電就是C1的放電過程，其放電電流回路是：C1正極→VT2發(fā)射極→VT2集電極→地端→BL1→C1負(fù)極，構(gòu)成回路。是C1放電電流回路示意圖。