功率放大器的基本结构和工作原理

功率放大器的基本结构和工作原理功率放大器的基本结构和工作原理功率放大器的基本结构和工作原理扩音机是一种对声音信号进行放大的电子设备，其基本结构如图5-1所示，常分为前置放大器(简称前级)和功率放大器(简称后级)两大部分。

前置放大器通常由输人选择与均衡放大电路、等响音量控制电路、音调控制电路等组成，而功率放大器常由功率放大电路和扬声器保护电路组成。

扩音机工作时，输人选择电路主要对收音调谐器、录音座、CD唱机和Av辅助输入等信号源的信号进行选择切换控制，得出所需的信号输入，输入后的信号经均衡放大电路进行频率特性的校正和放大，使输入信号的频率特性变得较为平坦，同时使各种信号源输入的信号电平基本趋于一致，避免在转换不同的信号源时，声音响度出现较大的变化，影响使用效果。

均衡放大后的信号则由等响音量控制电路控制信号的强弱，从而调节音量的大小。

等响控制的目的主要是在音量较小时提升高、低频信号成分，以补偿人耳听觉的不足，在低响度时得到较丰满的声音信号。

而音调控制电路则主要是根据个人的喜好调节电路的频率特性，适当提升或衰减声音中的高、低频成分，以满足听音者的需求。

经前置放大器放大处理后的信号被送人功率放大器进行功率放大，以推动扬声器重放出声音。

扩音机中为了保护扬声器免受电路冲击电流的干扰，或在电路出现故障时烧毁扬声器，常在功率放大器中加入扬声器保护电路。

在高保真的音响设备中，扩音机常有两种组合结构形式，一种是把前置放大器和功率放大器组合在一起，称作合并式扩音机，这种形式把“前置”和“功放”合并在一起，这时由于小信号电压放大的前置级和大信号电流放大的功率放大在电性能上不能互相兼顾，因而不能使扩音机达到最佳的工作状态，特别是前、后级的电源馈电，电源变压器的电磁干扰，印制电路板的走线排列，共用地线的走向等方面总会存在一定的相互干扰，影响整机性能的提高。

另一形式是在设计制造上把前置放大器和功率放大器彻底分开，分别使用独立电源，单独的机壳，使前、后级之间互不干扰，形成前、后级分体式的结构，在使用时再把它们用信号传输线连接起来，这种分体式结构的扩音机可获得极高的性能指标。

以上所述是单声道扩音机的结构和工作原理，而立体声扩音机则是两部性能一致的单声道扩音机的组合，分别放大左和右声道的信号。

功率放大器功率放大器是扩音机的后级，是高保真音响设备的关键核心部分。

它的作用是对音频信号进行不失真的功率放大，以足够的电功率去推动扬声器。

随着电子应用技术的进步和各种元器件的变革，其电路结构形式已经发生了很大的变化，从传统的变压器耦合式推挽电路，发展为OTL、OCL、BTL以及全对称、全直流等多种形式。

下面对目前使用较多的OCL、BTL、全对称、直流以及V-MOS场效应管等功放电路进行学习。

一、OCL功率放大电路在OTL功放电路中，由于接有输出电容Co，它的容抗会影响电路输出的低频响应;同时，OTL电路上、下两路推挽功放管的供电方式不同，上路由电源供电，下路则由Co利用其充电电压进行供电，从而造成了功放上、下两路电路工作的不对称，使电路失真增大。

为了避免输出电容Co对电路造成的不良影响，要求较高的放大器往往采用OCL 电路，又称直接耦合互补功率放大器。

电路采用正、负两电源供电使推挽电路较为对称地工作，同时，省去了输出电容，使低频端没有衰减，一直可以延伸到10Hz 以下，其电声性能指标远远超过OTL电路。

1(OCL基本电路的结构和原理OCL(Output Condenser Less)功放电路的基本结构如图5-40所示。

VT1、VT2是两个不同极性的功放三极管，组成互补推挽功放电路，每个功率管分别由各自的电源Vcc1和Vcc2供电，且Vcc1=Vcc2，即VCE1=Vcc1，VEC=Vcc2。

两管的发射极与扬声器直接相连接，从而省去了输出电容。

此时，OCL电路输出的中点电位VA不再是OTL 时的Vcc/2，而是变成VA=0。

因为这时输出与扬声器间是直接耦合，若输出中点的电位VA不为零的话，将有直流电流流人扬声器，使音圈偏离中点，产生额外的失真，严重时可能烧毁扬声器，所以OCL 电路的中点必须确保直流零电位。

当输入信号ui加于电路输入端时，对于ui的正半周，VT1导通而VT2截止，产生电流ic1从左向右流经负载RL;对于ui的负半周，VT1截止而VT2导通，产生电流ic2从右向左流经负载RL;从而在负载RL上得到一个完整的放大了的输出信号。

OCL功放电路的输出功率与电源电压VCC1(Vcc2)、负载电阻RL，的关系为其中，Vcc1(Vcc2)为每侧电源电压之值。

若以Vcc=Vcc1+Vcc2， Vcc1=Vcc/2表示，其输出功率则与OTL功放电路的输出功率Pcm=Vcc×Vcc/8RL完全一样。

2(差分输入放大电路OCL电路各级晶体管间均采用直接耦合，温度的变化，电源电压的波动，都会产生零点漂移现象，使OCL电路输出的中点偏离零电位。

这种现象在OTL电路中同样存在，它的中点电压也会偏离，但不是偏离零点，而是偏离原来的中点电压。

这对OTL电路来说，由于输出中点与扬声器间接人的大电容器起了隔直作用，问题不大，而OCL电路产生零点漂移却是不允许的。

因此，OCL电路往往在前级采用温度稳定性极好的差分(差动)放大电路来克服零点漂移，稳定电路的输出中点，确保中点为直流零电位。

(1).差分放大电路的基本原理图5-41所示为带有差分输入电路的OCL功放电路，由VT4、VT5及R1,R4组成差分电路。

它是一个单端输入、单端输出电路。

要求两只晶体管的特性参数对称，其本身的工作点通过基极所接的两只偏置电阻R2和R3来确定。

这两个电阻数值相等，一个接至公共端(零电位)，另一个接到功放输出的中点A。

在电路正常情况下，VA=0。

这样，两个电阻都与零电位接通，两管的发射极相互连接并通过共用发射极电阻R1接至电源+Vcc，对VT4、VT5提供偏置电压。

这时流过R1的电流是两管发射极电流之和。

VT4集电极电流流过电阻R4，R4作为VT4的集电极负载电阻，又是VT1偏置电阻，其压降VR4就作为VT1的偏置电压。

VT5集电极不接电阻，并不影响它的集电极电流Ic5的大小，因为它的集电极电流是由它的基极电流IB5所决定的。

由于两差分管的参数对称，所以它们的Ic、IE均相等。

假如温度升高，使得Ic4、Ic5同时增加，则流过R1的2Ic也增大，两管的发射极电位就下降。

此时对于PNP型管来说，发射结将得到一个反向偏置信号，也就是它的结电压减小，从而使两管的IB减小，Ic也减小，稳定了工作点。

其作用过程 : 若Ic4、Ic5??VR1??VEB4、VEB5??Ic4、Ic5?差分电路工作点的稳定是靠发射极公用电阻R1的电流反馈作用来完成的，且R1愈大，稳定效果愈好，但过大又会影响电路的工作点和动态范围。

差分电路本身必须具有极好的温度稳定性，才能对OCL电路的输出中点起到良好的稳零作用。

这就要求差分管的特性(ICEO、β及输入特性)要对称一致。

一般是在Ic?1mA条件下配β，并观察输入特性是否一致;至于ICEO，对于硅材料管来说，ICEO往往很小，不是主要问题。

在要求高的场合，往往采用一种差分电路专用的差分对管，它的结构是把两只特性相同的晶体管装于同一个管壳里，使其各项参数均能对称。

(2).OCL电路输出中点电压的稳定在图5-41所示电路中，设电路已调试至正常状态，在使用中由于温度的变化或电源的波动，引起中点A的电位发生漂移。

例如，当VT2基极注入的电流增大时，相当于管子的内阻rce2变小，在它上面的分压就小，因而A点电位上升。

这时，如能设法使VT2的基极电流减小，或使VT3的基极电流也增大，或者两种方式同时进行，使得VT2、VT3的内阻rce2和rce3一样，分压相等，A点就自然会回复到零位。

这个作用过程就要靠差分放大电路来完成。

若A点电位上升，经过R3的作用，使VT5的基极电位上升，它的偏压减小，发射极电流IE5减小，使射极电位VE因R1、上压降减小而上升。

VE的上升，对VT4来说，可使其偏置电压VEB4增大，使电流Ic4增大。

只要R1足够大，差分电流IE5的减小量与Ic4的增加量的差值就很小，因而，整个差分电路的总IE基本不变，使得差分电路能稳定地正常工作。

随着VE的上升，Ic4增大，使得VT4的集电极电位即VT1的基极电位上升，Ic1增大而Vc1下降。

这时，VT2基极电位下降，减小基极电流的注入;同时，VT3基极电位下降，增加基极和集电极电流，使得VT2、VT3的内阻发生相应的变化，中点A电压下降而保持零电位。

其作用过程如下:差分电路的自动稳零作用，就是靠这个直流负反馈过程来完成的。

(3).交流负反馈的引入差分放大电路除了利用直流负反馈来稳定中点外，还利用交流负反馈的作用来改善提高电路的各项交流指标。

交流负反馈工作原理如图5-42所示。

电路中，省去了在交流时可视作短路的电容器。

VT4、VT5构成差分放大器;VT1,VT3是推动级和互补功放级，用方框表示。

方框输入端是VT1的基极，输出端是OCL 电路的输出中点(参看图5-41)。

由于VT1工作于共发射极电路，VT2、VT3均工作于共集电极电路，所以方框的输入和输出反相。

在电路输出中点除了接人负载RL之外，还接人了R3、R5的分压支路，分压后把R5上电压反馈至VT5的基极，构成电路的交流负反馈支路。

设在VT4的基极输入一个正信号，则集电极将输出一个反相的负信号送人VT1的基极，经VT1,VT3放大后，由中点输出正信号。

该信号经R3、R5分压后反馈至VT5的基极，在VT5的发射极产生正信号。

该信号与输入VT4的正信号刚好同相，但一个从基极输入，一个从射极输入，使得输入信号被削弱，起到了负反馈的作用。

负反馈的强弱由R3、R5的分压比决定，因而整个电路的反馈系数为R5/(R3+R5)。

调节负反馈量的大小可以改变OCL功放电路的增益。

3(OCL电路静态工作电流的稳定从图5-41可以知道，OCL互补功放管的直流偏置由两管基极间的偏置电阻R得到，在推动管VT1集电极电流的作用下，该偏置电阻将产生压降VR。

这时，B点电位VB对VA呈现高电位，C点电位Vc对VA呈现低电位，分别使互补管得到合适的偏置。

然而，温度的变化将引起VT1的Ic发生变化，从而使VR也发生变化，影响到功放级的静态电流也随之变化。

针对这一问题，往往在互补功放级的偏置电路中采用二极管稳压或热敏电阻补偿、晶体管恒压偏置等方式，以稳定两互补管的偏置电压，从而实现静态电流的稳定，如图5-43所示。

(1).二极管稳压补偿方式图5-43(a)所示电路在互补管的两基极间加入二极管进行稳压，利用二极管的正向压降(硅材料管为0.7V，锗材料管为0.3V)的特点，可用多个不同材料的二极管串联，使其两端(B、C端)压降满足互补管的要求，或者在二极管稳压后再加入可变电阻R对偏压进行调节(如图中虚线所示)。