功率放大电路教学重点剖析

摘 要：笔者学校针对现电子技术基础教材理论知识深而不详，实践操作内容与理论知识脱节的弊端，对现行的专业教材进行了精简、补充、组合，形成了模块式自编教材，并对其中的重点、难点进行了详细剖析。

关键词：自举电容 Proteus仿真 仿真电路调整

目前，职业学校电子技术基础专业教材版本较多，大多数理论教材以OTL互补对称功率放大电路为例讲解电路的组成、电路工作原理和功放的交越失真，而实习教材采用的是带自举电容的实用OTL功放电路。这两种教材衔接不紧密，内容介绍比较笼统，给教学带来一定困难。

图 实用OTL功率放大电路

如上图所示，若将理论教材上我们通常采用的功率放大电路应用于实际电路，实习教材上的实用OTL功率放大电路（电压表、四通道示波器是为电路仿真所设）它至少还存在下述几个问题。

一、设置静态工作点

首先，在电路中我们要设置直流偏置，否则放大信号将产生失真，对于直接耦合的放大器如何保证其静态工作点稳定，即保证中点A点电压为电源电压的一半。我们通过增加一个电阻R2（R2=R2+RW1，以下类同）的方法解决，其静态工作点及其稳定过程如下：

R2是Q1基极的上偏置电阻，其偏置电压取自中点电压VA，由于VA为中点电压，所以VB必须调整满足。因为，VB=Vcel，Vce1=Vcc-Ic1（R3+RW2）（RW2=RW2+RD1，以下类同），所以VB=Vcc-Ic1（R3+RW2），我们可以通过调整Q1的偏置电阻R2来达到改变Ic1的大小，使。注意的是调整R2的主要目的并不是要改变Ic1的大小，而是要使，即中点电压等于电源电压的一半。由于Q1发射结偏置电压通过R2取自中点电压VA，所以是中点电压的稳定得到了自动控制。下面我们来分析其自动控制过程。

设温度上升引起中点电压VA上升，那么R2电阻返回给Q1的电压也必然使Vbe1电压上升。由三极管特性可知，Vbe1上升将引起Ib1上升，Ic1上升，又引起VB下降。由于VA上升，VB下降，故Vbe3大大增加，即引起Q3导通而使中点电压VA下降。因此，若VA有上升的趋势，电路将产生上述的负反馈加以阻止，中点电压VA的自动稳定过程也可用下列方法表示：

由于A点是交流信号的输出端，因此，R2同样将音频信号负反馈到Q1的输入端，所以能起到改善音质的作用。

其次，为了克服放大器的交越失真，Q2、Q3发射结要提供适当的偏置电压，如图中增加的电阻RW2。Q2、Q3的静态偏置电压是取自Ic1在RW2上产生的直流电压降，对于锗三极管，RW2两端的电压降取0.4V左右，硅三极管取1.2V左右就能满足Q2和Q3发射结偏置的需要，就能克服交越失真。由于RW2两端的电压很小，所以就可以视B和B’点为交流等电位，因此，增加RW2这个电阻并不影响电路的交流工作状态，但它却使放大电路偏置正常。

二、提高OTL功率放大电路的功率增益

理论上的功率放大管是工作在共集电极工作状态，功率放大倍数低，那么如何提高功放电路的功率增益呢？

我们可以把基础电路改变一下并增加一个电解电容C2。如前文图所示，这样由Q1输出的信号电流在R3上信号电压降一端送Q2、Q3的基极，另一端通过C2耦合送给Q2、Q3的发射极。对于Q2、Q3而言增加一个电解电容器C2，输入信号从作用到三极管的基极与集电极转换为作用到三极管的基极与发射极，经这一转换后功放电路便成为共发射极放大电路，使功放电路功率增益得到提高。三种基本放大电路的特点对比如下表。

表 三种基本放大电路的特点

共发射极放大电路共基极放大电路共集电极放大电路

电流放大倍数大（10～250）最小（略小于1）大（10～250）

电压放大倍数大（大于1）大（大于1）小（略小于1）

功率放大倍数最大一般一般

电阻R5是为了防止在增加电解电容C2后将功放电路输出的交流信号短路而设置的。C2电解电容除上述作用外还有一个重要的功能，“自举”作用。因此，我们称C2为自举电容，下面我们详细分析自举电容C2的作用。

当没有自举电容C2时，设Q1输出正弦波的正半周B’点电压升高，使Q2导通，如果输入大信号时，即B’点变得很高，随着Q2的导通，A点电位也变得很高（靠近电源正电位），当A点电位接近B’点电位时，电源Vcc已无法通过R3向Q2提供基极电流。因此在大信号时，由于A点电位的变化限制了Q2的动态范围，使放大器在大信号时产生失真。当有自举电容C2时，在无外来信号输入时，A点电压为，这时C2电容也充有的直流电压，其电压极性为上正下负。由于电容器的电容量较大，所以在有外来信号输入时，可以认为电容C2两端直流电压Vc2不变，因此点C的电压为。由于R5的阻值较小，忽略其端电压。在静态时，Vc电压约等于电源电压Vcc。当Q1输出幅度较大的正半周时，Q2导通，VA电压上升为电源电压Vcc。由于电容两端电压不能突变，这时C点电压为，即C点电压被举高。正是由于C点电压被举高，它才能向Q2注入足够的基极电流。使Q2继续导通，VA电压从上升为Vcc。因此，自举电容的作用是在大信号时将C点电位举高到，从而增加了Q2的动态范围，使放大器在大信号输入时不产生信号失真，这就是自举电容C2的功能。

三、功率放大器静态工作点的调整与检修

包括激励级在内的实用互补对称OTL功率放大器，Q2、Q3为两个串联供电的对称管，必须使A点电压为电源电压的一半。由于中点A的电压，因此在电路中可通过调整Q1偏置电阻R2来改变Ic1的大小，使，即。

在图中，D1、RW2电阻的加入是向Q2、Q3提供一定的静态电流，消除放大器的交越失真。Q2、Q3的偏置电压是取自Q1集电极电流Ic1在D1、RW2两端产生的电压降VBB’。当Q1静态工作点Ic1确定之后，调节RW2的电阻值便可调节偏压VBB’。当RW2阻值上升时，VBB’电压值增大，即两个三极管Q2、Q3的Vbe电压增大，使Ic2、Ic3电流增大。因此，安装和调试这类放大器，RW2的电阻值必须由零阻值开始逐渐增大，切不能断开RW2，否则将造成VBB’很大，引起Ic2、Ic3很大，而烧坏Q2、Q3三极管。调整电路时，先调节VBB’为最小再调整A点中点电压，其目的是防止Ic1电流过大时，导致Ic2、Ic3太大而损坏Q2、Q3。根据图示，用Proteus软件绘成的实用OTL功率放大电路进行仿真测试，在A点加一个电压表可以监测VA的电压，在B、B’之间加一个电压表可以监测VBB’电压，调整RW1的电阻值，监测电压表，使中点电压，如果Vcc=5V，VA=2.5V。在调整过程中RW1阻值增大，VA电压数值升高；反之亦然。当中点电压VA=2.5V时，应确认RBB’电阻值为在最小的前提下。由于RW1和RW2电阻值变化会略微影响调定的电压值，因此需反复几次微调RW1和RW2的电阻值。确认VA=2.5V，VBB’=1.26V后，OTL功率放大器的偏置调整就结束了。然后，在电路的输出端接一个四通道示波器，通过示波器可以观察到：一是当RW2调到最小位置的交越失真。二是当断开自举电容C2，输入大信号时的顶部失真。三是当接入自举电容C2，输入大信号时，输出完整的波形。

在偏置的调整过程中，若无论怎么调节RW1都调不到VA=2.5V，故障可归纳为下面两类：一是VA调不小，数值始终大于2.5V，甚至接近电源电压，这是Q1的集电极电流Ic1数值太小的缘故。其原因是RW1损坏、Q1基极短路或Q1不良。二是VA调不大，数值始终小于2.5V，甚至接近零伏，这多数为Q1集电极电流Ic1数值太大的缘故，其原因是Q3和Q1的发射极与集电极极间击穿。

以前，学生了解的功率放大电路只是一个表面性的、理论性的。通过我们对实用OTL功率放大电路深入剖析，提高了学生分析问题的综合能力，这是知识的一种升华，为教师提高教学质量，增加学生的学习兴趣，开发学生的学习潜能打下坚实的基础。

参考文献：

[1]刘红兵，罗伟任，林波.电子EDA（proteus）[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2009.

[2]王一群，蔡声镇，詹仁辉.青少年无线电装配检修技术速成[M].福州：福建科学技术出版社，2002.

[3]廖惜春.模拟电子技术基础[M].北京：科学出版社，2011.

（作者单位：洛阳高级技工学校）