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管的電壓控制作用將電源的功率轉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是基極電流的β倍，β是三極管的交流放大倍數，應用這一點，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，這現象成為三極管的放大作用。經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的任務，這時就要在主機和播放設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中起到了“組織、協調”的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個系統能否提供良好的音質輸出。

一、功率放大器的特點

向負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換成負載上的交流功率。交流輸出功串和直流電源功率息息相關。一個功率放大器的直流電源提供的功率究竟能有多少轉換成交流輸出功率呢？我們當然希望功率放大器最好能把直流功率（PE= EcIc）百分之百轉換成交流輸出功率（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，就會出現非線性失真。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系在一起考慮。一般聲頻功率放大器都有兩個指標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

功率放大器按工作狀態的不同，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的中間位置，信號電流在整個周期內都流通，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流通，效率高，輸出功率大，但失真嚴重。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反饋偏置電路，為BG1、BG2提供穩定偏置。C1、C2、C3、C4為交流信號提供通路。經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之比n應滿足下面的關系：

n=N初級/N次級=√R`fz/Rfz

其中Rfz為負載電阻，R'fz為最佳負載電阻。例如，若一功率放大路最佳負載電阻為375歐，所接揚聲器音圈電阻為8歐時，變比n=√375/8≈7，即應選用初次級匝數比為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、主要參數相同的晶體管，采用變壓器耦合組成工作在乙類狀態的推挽功率放大器，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的兩個半周期內導通，一管導通，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極之間，當兩管交替輸出的集電極電流通過時，在變壓器次級感應出極性相反的電壓，最后正負半周合成為完整的波形。圖4一70中所標正負號不加圈者表示Usr，正半周時的情況，加圈者表示負半周的情況。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時，兩管基極都未設偏置。由于晶休管輸入特性曲線上存在一段“死區”，在信號正負半周交接的零值附近，出現沒有放大輸出的情況，反映到負載上就會出現波形的兩半周交界處有不銜接的現象。這種現象叫“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，仍處于良好導通狀態。

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50％～70%。

變壓器耦合方式雖然有根多優點，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，線圈所呈現的阻抗也不同。為了提高低頻響應，電磁要很大，線圈圈數就要很多才行。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。還有，從變壓器輸出端引人深度負反饋也容易自激，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，集成化的優點，在聲頻放大等方面應用日益廣泛。

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半周的放大，并在負載上合成波形。當信號輸人時，在正半周，BG1導通，BG2截止。BG1把正半周放大，發射極信號電流流過負載電阻Rfz，輸出正半周信號電壓。在信號負半周到來時，BG2導通，BG1截止，發射極信號電流同樣流過負載電阻Rfz，輸出負半周信號電壓，這樣就在負載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和兩管發射極間串聯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，下面著重談談C的作用。

當BG1導通、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。圖4－73中的RB是兩管的偏置電阻。當推動管BG靜態集電極電流Ic通過Rb時，Rb兩端上正下負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。

“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的，所以輸出電阻很小，可以帶低阻抗的負載。聲頻放大時，輸出負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造了條件。

2.OTL準互補對稱推挽功率放大器

在要求輸出功率大的場合，可以采用復合管代替互補對稱管，構成OTL準互補對稱推挽功率放大器。復合管系由兩只晶休管采用復合接法構成的高B大功率管，，如圖4一74所示。每只復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。由于復合管的B等于每管電流放大系數之積。我們選擇功放中的復會管時，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是采用復合管的準對稱互補功放電路圖。圖中BG1、BG2組成NPN型復合管，BG3、BG4組成PNP型復合管。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，實現自動調節偏壓的目的。

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于OTL電路在高保真（HiFi）擴音系統中被廣泛采用。

如前所述，OTL電路中輸出電容的接入是為了代替一組電源，實現單電源供電。但電容直接影響著放大器頻率響應的擴展，帶來頻率失真。如果采用正負兩組電源供電，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，負載（揚聲器）直接接在兩復合管的集一射極間，構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點通過負載對“地”有了直流電壓，內阻很小的負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↓→復合管的Ube6.7↓→Ic6.7↑→Uce6.7↓（內阻減小）↓UA→。反之，則A點電位上升。這樣就達到A點電位的穩定。

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組成分壓式交流負反饋電路，R5越大，負反饋越深。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。輸出管的發射極電阻要選用功率（瓦數）比較大的電阻。互補對稱電路PNP和NPN復。合管的偏置電阻，最好數值相等，誤差不能太大。特別是OCL電路中的電阻器要選用穩定性高的碳膜或金屬膜電阻。半可變電阻要質量好，接觸牢靠。OCL、OTL電路中做復合管基極偏置電阻的可調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，耐壓高的優質電容器。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。晶體管的主要極限多數是：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，這三項參數都不能超過晶休管手冊繪出的數值，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，電源電壓應考慮用得高一些。

工北管工作在極限狀態，因此散熱措施也很重要。散熱片最好使用銅質或鋁質的。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。

?