-高阻抗（復(fù)合管）輸入級(jí)功率放大器

1、9高（輸入）阻抗的音頻功率放大器葛中海如圖1所示，這是筆者為中山技師學(xué)院電子專業(yè)三年級(jí)同學(xué)，在講授實(shí)用音響電路一書(shū)時(shí)，為大家設(shè)計(jì)的第一個(gè)中功率音頻功放電路。在此過(guò)程中，要明確如何設(shè)置直流工作點(diǎn)、如何消除交越失真、如何根據(jù)散熱器的大小確定末級(jí)的靜態(tài)電流等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)制作、電路調(diào)試、交直流參數(shù)測(cè)試、計(jì)算，理解、分析與體驗(yàn)高（輸入）阻抗的音頻功率放大器的工作原理、調(diào)試方法以及故障排查。圖1 高（輸入）阻抗的音頻功率放大器實(shí)物圖高阻抗信號(hào)源不適合于輸入阻抗較小的放大器。因此，若要與高阻抗信號(hào)源匹配，就需要提高放大器的輸入阻抗。比如，將信號(hào)輸入級(jí)直接改成復(fù)合管。復(fù)合管的接法有多種形成，最佳方案是采用如圖2

2、所示的接法，輸入級(jí)可以把動(dòng)態(tài)輸入阻抗提高到10K以上。圖2 高（輸入）阻抗的音頻功率放大器一、工作原理R1是輸入電阻，與C1組成低通濾波電路，濾除信號(hào)源或電路板引入的雜散高頻干擾。R2為C2提供放電通路，在系統(tǒng)斷電后放掉C2殘存的電荷。R5與C3 、C4組成去耦電路，消除輸出級(jí)電流波動(dòng)引起的電壓紋波對(duì)輸入級(jí)的影響。C3（瓷片電容）濾除高頻，C4（電解電容）濾除低頻?？烧{(diào)電阻VR1與固定電阻R3串聯(lián)分壓，給VT0提供合適的靜態(tài)偏置電壓。調(diào)節(jié)VR1、是輸出端Q點(diǎn)的靜態(tài)電壓約為Vcc/2。因此，正常工作時(shí)，A點(diǎn)比輸出端Q點(diǎn)高2個(gè)PN結(jié)壓降，B點(diǎn)比輸出端Q點(diǎn)低1個(gè)PN結(jié)壓降。VT2與VT4組合，等效為

3、一個(gè)NPN管，VT3與VT5組合，等效為一個(gè)PNP管。R9是激勵(lì)放大管VT1的集電極交流負(fù)載，R8與C6構(gòu)成自舉電路，提高正半波的輸出幅度。C7并聯(lián)在VT2、VT3基極之間，對(duì)VR2、VD1、VD2交流旁路，可使動(dòng)態(tài)工作時(shí)的uAB減小，一般取值47F即可。C8并聯(lián)在VT1的b-c之間，作為高頻補(bǔ)償電容，消除高頻相移，負(fù)反饋?zhàn)兂烧答伓鸬淖约ふ袷帯ｋ娐返目傒敵鼋?jīng)由C10耦合給負(fù)載，故，單電容電容耦合輸出，是為OTL電路。正半波時(shí)，C10耦合信號(hào)給負(fù)載；負(fù)半波時(shí)，C10充當(dāng)電源，把存儲(chǔ)能量釋放（給負(fù)載）。C9與R15構(gòu)成“茹貝爾”電路，可以消除疊加于音頻信號(hào)上的高頻寄生振蕩。若把VT0組成的差

4、動(dòng)放大電路等效成集成運(yùn)放，則其基極、發(fā)射極分別相當(dāng)于集成運(yùn)放的同相端和反相端，則電路的交流等效模型相當(dāng)于同相比例放大器，于是系統(tǒng)的分析就變得簡(jiǎn)單了。從交流通路而言，R6是反饋電阻，R7是采樣電阻，C5給R7的信號(hào)提供交流通路。則電壓放大倍數(shù)為Au=1+ R6/ R7（倍）二、靜態(tài)參數(shù)1靜態(tài)電壓設(shè)Vcc=+20V，調(diào)節(jié)VR1時(shí)，測(cè)量Q點(diǎn)直流電位，使其約為電源電壓的一半。然后調(diào)節(jié)VR2時(shí)（從零到大調(diào)節(jié)VR2，用數(shù)字萬(wàn)用表200mV擋），測(cè)量R13（或R14）電壓降，使其約為5-10mV。根據(jù)歐姆定律可知，這時(shí)功率管VT4、VT5集電極靜態(tài)電流約為22-45mA。這時(shí)，所有三極管發(fā)射結(jié)電壓都約為0.

5、6V左右，各個(gè)三極管都工作在放大狀態(tài)。實(shí)測(cè)電壓（測(cè)電流要斷開(kāi)路，操作起來(lái)不方便）、計(jì)算有關(guān)參數(shù)，如下表：晶體管基極集電極發(fā)射極發(fā)射結(jié)壓降VT07.85V736mV8.50VUeb0=Ve0-Vb0=0.65VVT1736mV（=Vc0）9.68V113mVUbe1=Vb1-Ve1=623mVVT211.55V20V10.91VUbe2=Vb2-Ve2=0.64VVT39.68V（= Vc1）556mV10.33VUeb3=Ve2-Vb2=0.65VVT410.91V（= Ve2）20VUbe4=Vb4-Ve4=0.58VVT5556mV（Vc3）10.33V0Vb4=Vc3=556mV說(shuō)明：V

6、eb0，指VT0的e-b壓降；Ve0指VT0的e極對(duì)地電位，Vb0指VT0的b極對(duì)地電位（其它類同）。2靜態(tài)工作電流 （1）R1的電流忽略VT0基極電壓，則VR1、R3電流約相等。即，R3的電流IR3為IR3= Vb0/R3 = 7.85V/47k = 167uA（2）VT0的電流VT0發(fā)射極電流就是反饋電阻R6的電流。已R6兩端的壓降為Ve4-Ve0=10.33V-8.50V=1.83V因此，VT0發(fā)射極電流Ie0為Ie0 = 1.83V/2 k= 915uA又，已測(cè)得VT0集電極電壓為736mV，因此，VT0集電極電流為Ic0 = Vc0/R4 = 736mV/820 = 897uA所以，

7、VT0基極電流為Ib0 = Ie0 - Ic0 = 915uA-897uA = 18uA當(dāng)我們忽略VT0基極電流時(shí)，則其發(fā)射極與集電極電流基本相等，即約為0.9mA這也是功放電路第一級(jí)的靜態(tài)電流！前面在計(jì)算電阻R3的電流時(shí)，之所以忽略不計(jì)VT0基極電流，就是因?yàn)閂T0基極電流太小了，為便于計(jì)算可以忽略不計(jì)。（3）VT1與R3的電流已知VT1發(fā)射極電壓Ve1=113mV，則其發(fā)射極電流為Ie1 = Ve1/R10 = 113mV/100 = 1.13mA當(dāng)我們忽略VT1基極電流時(shí)，則其發(fā)射極與集電極電流基本相等，即約為1.13mA。實(shí)測(cè)電阻R8壓降為916mV，因此R8的電流為IR3 = 916

8、mV/R8 = 916mV/820 = 1.11mA由此可以看出，當(dāng)我們忽略VT2、VT3基極電流時(shí)，流過(guò)電阻R8的電流與VT1的發(fā)射極電流基本相等這也是功放電路第二級(jí)的靜態(tài)電流?。?）VT2、VT3靜態(tài)電流由于R11、R12分別與VT4、VT5發(fā)射結(jié)并聯(lián)，當(dāng)忽略VT4、VT5基極電流時(shí)，則VT2、VT3靜態(tài)電流即為R11、R12的電流。即IR11 = Ube4/R11 = 0.58V/220 = 2.64mA或IR12 = Ube5/R7 = 556mV/220 = 2.52mA本來(lái)應(yīng)該IR11 = IR12。但是，由于Ube4是用兩點(diǎn)電位計(jì)算出的，單位是V。而Ube5是用2V檔直接測(cè)量出來(lái)

9、的，單位是mV。所以，才會(huì)出現(xiàn)這種誤差這也是功放電路第三級(jí)的靜態(tài)電流！（5）VT4，VT5靜態(tài)電流VT4，VT5靜態(tài)電流就是電阻R13的電流。實(shí)測(cè)R13（實(shí)際用0.25歐姆）的壓降為5mV，則靜態(tài)電流為IR13 = 5mV/0.25 =20mA當(dāng)然，調(diào)節(jié)VR2可以增大或減小VT4，VT5靜態(tài)電流。一般來(lái)說(shuō)，若散熱器足夠大，功率管的散熱良好，把VT4，VT5靜態(tài)電流可以設(shè)為30-50mA均可。這時(shí)，系統(tǒng)工作于甲乙類的靠近甲類狀態(tài)，失真更小、音質(zhì)會(huì)更好一些這也是功放電路第四級(jí)的靜態(tài)電流！從上面的靜態(tài)電流計(jì)算可以看出，功放電路的靜態(tài)電流，第一級(jí)最小，末級(jí)最大，從前級(jí)到后級(jí)，一級(jí)比一級(jí)增大。這正是功放

10、電路靜態(tài)電流的特點(diǎn)。三、交流參數(shù) 1、輸入級(jí)實(shí)測(cè)波形由上述分析可知，從直流狀態(tài)而言，晶體管VT0處于放大狀態(tài)，但它并不是共射放大電路的典型接法。VT0放大的不是其基極的單一信號(hào)，而是對(duì)b-e極信號(hào)的差值（見(jiàn)后文放大倍數(shù)分析與計(jì)算）進(jìn)行放大。其中b極是輸入信號(hào)，e極是輸出信號(hào)在經(jīng)R10、在R11的分壓，二者的差值是很小的！R4是VT0的交流負(fù)載電阻，由于R4阻值較小，故VT0單級(jí)電路的電壓放大倍數(shù)也較小，如圖3所示。圖3-1（R4=820）說(shuō)明：棕色波是VT0基極波形(1kHz正弦波)，藍(lán)色波是VT0集電極波形。由圖3所示波形圖可以看出：在輸入信號(hào)的正半波，VT0集電極為負(fù)半波；在輸入信號(hào)的負(fù)半

11、波，VT0集電極電壓只在對(duì)應(yīng)輸入信號(hào)的波峰處，有的些許的波形突起。也就是說(shuō)VT0集電極輸出電壓正負(fù)半波不對(duì)稱，且存在非線性失真！圖3-2（R4=1K）說(shuō)明：棕色波是VT0基極波形(1kHz正弦波)，藍(lán)色波是VT0集電極波形。如圖4所示，它是激勵(lì)放大管VT1的輸入、輸出波形。在輸入的負(fù)峰值、對(duì)應(yīng)著輸出的正峰值有輕微削頂失真，在輸入的微小正峰值、對(duì)應(yīng)著輸出的正峰值波形良好。也就是說(shuō)，激勵(lì)級(jí)對(duì)輸入的正負(fù)波放大效果稍有不同。然而，從輸入、輸出波形大小的可知，VT1輸出電壓幅度明顯增大了！圖4 說(shuō)明：棕色波是VT1基極波形(1kHz正弦波)，藍(lán)色波是VT1集電極波形雖然，輸入兩級(jí)電路都不理想，但是由于系

12、統(tǒng)是閉環(huán)負(fù)反饋，這種負(fù)反饋一方面可以改善輸出波形失真；另一方面，電壓放大倍數(shù)與每一級(jí)電路無(wú)關(guān)，而是由反饋電阻和采樣電阻的比值決定！2、輸入-輸出信號(hào)實(shí)測(cè)波形對(duì)比若“茹貝爾電路”開(kāi)路，放大器負(fù)載6電阻時(shí)，輸出1KHz信號(hào)，若靜態(tài)電流偏小，波形會(huì)出現(xiàn)疊加于正弦波上的高頻寄生振蕩，如圖5所示。圖5若“茹貝爾電路”開(kāi)路，放大器空載時(shí)，波形也會(huì)出現(xiàn)疊加于正弦波上的高頻寄生振蕩，且比載時(shí)電壓幅度大一些，如圖6所示。圖6恢復(fù)“茹貝爾電路”正常時(shí)，高頻寄生振蕩現(xiàn)象消失，輸入、輸出波形良好且對(duì)稱，如圖7所示。圖7 輸入、輸出波形良好接入音頻信號(hào)，隨機(jī)測(cè)試某歌曲波形，如圖8所示。圖8 隨機(jī)測(cè)試波形3、高頻補(bǔ)償電容

13、的作用若三極管VT2的B-C間高頻補(bǔ)償電不慎開(kāi)路，既使輸出端設(shè)有“茹貝爾”電路，輸出也會(huì)出現(xiàn)失真。但是，波形失真的現(xiàn)象與上面有所不同，如圖9所示。圖9 補(bǔ)償電容開(kāi)路失真四、特別現(xiàn)象分析（1）假設(shè)常溫下，功率管VT4、VT5的靜態(tài)電流為20mA（R8或R9的壓降約為5mV）；當(dāng)電路工作后，功率管溫升增大，靜態(tài)電流也隨之上升，有可能會(huì)超過(guò)50mA以上，即R13或R14的直流壓降增大。這種現(xiàn)象的解釋如下：常溫下，通過(guò)調(diào)節(jié)VR2，設(shè)置輸出級(jí)的靜態(tài)電流，功放管的發(fā)射結(jié)壓降UBE對(duì)應(yīng)著其輸入特性曲線上的某一個(gè)點(diǎn)，比如圖10所示中的IB2。當(dāng)功率管溫度上升后，其輸入特性曲線向左平移，對(duì)應(yīng)原來(lái)的UBE電壓，基極電流增大到IB1。另一方面外，溫度上升后，三極管的電流放大倍數(shù)也會(huì)增大，兩種因素疊加，致使Ic電流顯著上升。這就是常溫和高溫時(shí)，靜態(tài)電流變化的根本原因。圖10 晶體管輸入特性曲線（2）假設(shè)在高溫時(shí)調(diào)節(jié)VR2，設(shè)置靜態(tài)電流約為20mA，那么冷態(tài)時(shí)靜態(tài)電流更小或根本沒(méi)有靜態(tài)電流，這時(shí)電路處于乙類工作狀態(tài)，可能會(huì)出現(xiàn)輕度的交越失真。然而，當(dāng)電路工作一段時(shí)間后，功率管發(fā)熱，靜態(tài)電流可能會(huì)增大到為30mA以上。如此，電路處于甲乙類工作狀態(tài)，交越失真消除。所以，一般有經(jīng)驗(yàn)的電子工程師說(shuō)，熱機(jī)比冷機(jī)好聽(tīng)，就是指溫升后，電路達(dá)到合適的靜態(tài)電流了，不存交越失真，所以信號(hào)完美，感覺(jué)好聽(tīng)。以上分