OCL,OTL,BTL,甲類(lèi),乙類(lèi),甲乙類(lèi)各種放大電路的原理詳解,優(yōu)缺點(diǎn)分析,以及應(yīng)用說(shuō)明

1、OCL，OTL，BTL，甲類(lèi)，乙類(lèi)，甲乙類(lèi)各種放大電路的原理詳解，優(yōu)缺點(diǎn)分析，以及應(yīng)用說(shuō)明清華大學(xué) 張小斌（教授）一OCL電路OCL（output capacitor less）的英文本意是說(shuō)沒(méi)有電容的輸出級(jí)（這樣可以使輸出在低頻時(shí)變得平滑），你一定認(rèn)為這個(gè)稱(chēng)謂怪怪的，那是因?yàn)镺CL不是最早的職業(yè)輸出級(jí)電路而是最終的。OTL（OCL從它發(fā)展而來(lái)）電路的標(biāo)配有上一句所說(shuō)的奇怪的電容。OTL在后面談?wù)摗Ｖ哉f(shuō)OCL是“最終的”是因?yàn)樗亲钣霞呻娐汾厔?shì)的（集成電路中最容易制造的類(lèi)型）。 OCL電路的基本形式如下圖所示： 它的最重要的特點(diǎn)是雙電源，注意電源在集成電路中可不是什么難題。正是這個(gè)雙電

2、源的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)讓電容下崗了。Ui作為輸出信號(hào)，在正的時(shí)候T1管發(fā)生作用；在負(fù)的時(shí)候T2管發(fā)生作用。于是能產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的輸出，信號(hào)如右圖所示。但是，當(dāng)信號(hào)的電壓在-0.6V到0.6V之間（以硅管為例），T1和T2管的導(dǎo)通就成了問(wèn)題了，這種狀況會(huì)造成信號(hào)輸出的交越失真。面對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們只能設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，目的就是，在沒(méi)有Ui時(shí)，T1和T2就已經(jīng)微導(dǎo)通了，那么這個(gè)時(shí)候來(lái)一點(diǎn)點(diǎn)Ui就可以自由的讓T1或T2導(dǎo)通。這是個(gè)很有邏輯的想法。見(jiàn)下面的電路： 這個(gè)旨在消除交越失真的電路在從正電源+VCC經(jīng)R1、D1、D2、R2到負(fù)電源VCC形成一個(gè)直流電流的旅行中，必然使T1和T2的兩個(gè)基極之間產(chǎn)生電壓，電

3、壓的大小等于兩個(gè)二極管的壓降之和。這樣T1和T2管就均處于微導(dǎo)通狀態(tài)了。這種結(jié)構(gòu)稍顯幼稚，我們?cè)趯?shí)際中喜歡采用（b）中的形式，學(xué)名Ube倍增電路（注意要是I2遠(yuǎn)大于Ib），意思是說(shuō)，合理選擇R3、R4的阻值，可以使Ub1、b2得到（1+R3/R4）Ube的直流電壓。 為了增大T1和T2管的電流放大系數(shù)，減小前級(jí)的驅(qū)動(dòng)電流，常采用復(fù)合管的架構(gòu)，復(fù)合管前面已經(jīng)由gemfield討論過(guò)了?，F(xiàn)在就該討論OTL的情況了，電路如下圖： 很明顯的是，和OCL相比，它的特點(diǎn)是輸出端多了個(gè)電容，而且是單電源供電。圖中，T1是一個(gè)前置放大級(jí)，T2和T3是互補(bǔ)的輸出的核心。事實(shí)上，在Vi負(fù)半周時(shí)，T1基極是正半周，

4、電路借著T2導(dǎo)通，將信號(hào)輸出至負(fù)載，注意這個(gè)輸出還有一個(gè)作用就是電容C2充電；而當(dāng)Vi是正半軸時(shí)，T3導(dǎo)通，C2此刻一躍成為一個(gè)電源給T3供電，開(kāi)始了新的交替輪回。OCL電路組成OCL電路稱(chēng)為無(wú)輸出電容直接耦合的功放電路。如圖313所示。圖中VT1為NPN型晶體管，VT2為PNP型晶體管，當(dāng)輸入正弦信號(hào)ui為正半周時(shí)，VT1的發(fā)射結(jié)為正向偏置，VT2的發(fā)射結(jié)為反向偏置，于是VT1管導(dǎo)通，VT2管截止。此時(shí)的ic1ie1流過(guò)負(fù)載RL。當(dāng)輸入信號(hào)ui為負(fù)半周時(shí)，VT1管為反向偏置，VT2為正向偏置，VT1管截止，VT2管導(dǎo)通，此時(shí)有電流ic2通過(guò)負(fù)載RL。由此可見(jiàn)，VT1、VT2在輸入信號(hào)的作用下

5、交替導(dǎo)通，使負(fù)載上得到隨輸入信號(hào)變化的電流。此外電路連成射極輸出器的形式，因而放大器的輸入電阻高，而輸出電阻很低，解決了負(fù)載電阻和放大電路輸出電阻之間的配合問(wèn)題。OCL電路分析計(jì)算圖314表示OCL電路的工作情況。ui正半周時(shí)，VT1導(dǎo)通，則在一周期內(nèi)VT1導(dǎo)通時(shí)間約為半周期，VT2的工作情況和VT1相似，只是ui的負(fù)半周導(dǎo)通。為了便于分析，將VT2的輸出特性曲線(xiàn)倒置在VT1的輸出特性曲線(xiàn)下方，并令二者在Q點(diǎn)，即uCEUCC處重合，形成VT1和VT2的所謂合成曲線(xiàn)。這時(shí)負(fù)載線(xiàn)通過(guò)UCC點(diǎn)形成一條斜線(xiàn)，其斜率為1RL。顯然，允許的ic的最大變化范圍為2Icm，uce的變化范圍為2（UCCUCES

6、）2Ucem2IcmRL。如果忽略管子的飽和壓降UCES，則UcemIcmRLUCC。根據(jù)以上分析，不難求出OCL電路的輸出功率、管耗、直流電源供給的功率和效率。二OTL電路OTL（output transformer less）它是一種沒(méi)有輸出變壓器的功率放大電路。過(guò)去大功率的功率放大器多采用變壓器耦合方式（想著gemfield前文中的變壓器耦合），以解決阻抗變換問(wèn)題，使電路得到最佳負(fù)載值。但是，這種電路有體積大、笨重、頻率特性不好等缺點(diǎn)，目前已較少使用。OTL電路不再用輸出變壓器，而采用輸出電容與負(fù)載連接的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路，使電路輕便、適于電路的集成化，只要輸出電容的容量足夠大，電路的

7、頻率特性也能保證，是目前常見(jiàn)的一種功率放大電路。而OTL的特點(diǎn)是：采用互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路，有輸出電容，單電源供電，電路輕便可靠。它是一種沒(méi)有輸出變壓器的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路，電路輕便并適于電路的集成化。OTL電路是輸出通過(guò)電容C與負(fù)載RL相耦合的單電源功放電路。圖317為OTL電路原理圖，其中C為容量較大的輸出耦合電容。在無(wú)輸入信號(hào)時(shí)，VT1、VT2中只有很小的穿透電流通過(guò)，若兩管的特性對(duì)稱(chēng)，則C上將被充電至電壓為UCC/2。當(dāng)輸入信號(hào)ui（設(shè)為正弦電壓）在正半周時(shí)，VT1的發(fā)射結(jié)為正向偏置，VT2的發(fā)射結(jié)為反向偏置。VT1導(dǎo)通，VT2截止，UCC通過(guò)VT1對(duì)電容器C充電，負(fù)載電阻RL中的電流方向如

8、圖中實(shí)線(xiàn)箭頭所示。當(dāng)輸入信號(hào)ui在負(fù)半周時(shí)，VT1的發(fā)射結(jié)為反向偏置，VT2的發(fā)射結(jié)為正向偏置。VT1截止，VT2導(dǎo)通。這時(shí)的電容器C起負(fù)電源的作用，通過(guò)VT2對(duì)負(fù)載 電阻RL放電，負(fù)載中的電流方向如圖中虛線(xiàn)箭頭所示。這樣就在負(fù)載中獲得了一個(gè)隨輸入信號(hào)而變化的電流波形。圖318是一例常見(jiàn)的OTL電路。圖中R3是晶體管VT1的集電極負(fù)載電阻。R4、VD1、VD2用來(lái)使三極管VT2、VT3建立一個(gè)偏置電壓，以減小交越失真。 為了提高OTL電路的輸出功率，一般要加前置放大級(jí)（即推動(dòng)級(jí)）。前置放大級(jí)由Rb1、Rb2、VT1和R3組成。前置放大級(jí)的偏置電阻Rb1不接到電源UCC上，而是接到A點(diǎn)。這是為了

9、取得直流電壓負(fù)反饋，以保證靜態(tài)時(shí)A點(diǎn)電位穩(wěn)定在UCC2，而不受溫度變化的影響。例如，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，由于VT1的集電極電流增大，引起R3、R4上的電壓降增大，使B點(diǎn)對(duì)地電壓UB降低。因而A點(diǎn)電位UAUBUBE2UR5也下降。但由于Rb1接至A點(diǎn)，UA的降低使UB1也降低，這就導(dǎo)致了VT1的基極電流減小，從而牽制了IC1的上升，使UA基本上恢復(fù)到原來(lái)的數(shù)值。三極管VT2、VT3應(yīng)為特性一致的互補(bǔ)管。它們和R5、R6組成功率放大電路的輸出級(jí)。當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)半周時(shí)，B點(diǎn)和C點(diǎn)電位升向，VT2導(dǎo)通，VT3截止，這時(shí)電源UCC通過(guò)VT2對(duì)C充電，在RL上產(chǎn)生正方向電流。當(dāng)輸入信號(hào)為正半周時(shí)，B點(diǎn)和C點(diǎn)

10、的電位降低，VT2截止，VT3導(dǎo)通，這時(shí)C通過(guò)VT3對(duì)RL放電，產(chǎn)生反向電流。圖中VD1、VD2起溫度補(bǔ)償作用；R5、R6是一個(gè)小電阻，若負(fù)載短路，它對(duì)VT2、VT3有一定的限流保護(hù)作用。值得指出的是，OTL電路中每個(gè)管子的工作電壓不是UCC，而是UCC2（輸出電壓最大值只能達(dá)到約UCC2）所以前面導(dǎo)出的計(jì)算Po、PT和PU的公式必須加以修正。由此可知，OTL電路的最大輸出功率（理想）三BTL電路對(duì)于BTL（Balanced Transformer Less平衡時(shí)無(wú)變壓器放大電路）來(lái)說(shuō)，電路的特點(diǎn)是：雙電源供電、不需輸出電容、頻率特性好、可以放大變化緩慢的信號(hào)。電路如下圖： BTL功率放大器，

11、其主要特點(diǎn)是在同樣電源電壓和負(fù)載電阻條件下，它可得到比OCL或OTL電路大幾倍的輸出功率，其工作原理圖如圖所示。靜態(tài)時(shí)，電橋平衡，負(fù)載RL中無(wú)直流電流。動(dòng)態(tài)時(shí)，橋臂對(duì)管輪流導(dǎo)通。在ui正半周，上正下負(fù)，V1、V4導(dǎo)通，V2、V3截止，流過(guò)負(fù)載RL的電流如圖中實(shí)線(xiàn)所示；在ui負(fù)半周，上負(fù)下止，V1、V4截止，V2、V3導(dǎo)通，流過(guò)負(fù)載RL的電流如圖中虛線(xiàn)所示。忽略飽和壓降，則兩個(gè)半周合成，在負(fù)載上可得到幅度為UCC的輸出信號(hào)電壓。 平衡式放大器究竟有什么好處呢?它的直接好處是在相同的工作電壓下，能夠向負(fù)載提供2倍的輸出電壓，轉(zhuǎn)換成輸出功率為單路輸出的4倍，這是理論上的計(jì)算值，實(shí)際輸出能力受電源系統(tǒng)

12、功率的影響和晶體管熱損耗影響，一般能夠達(dá)到2.5倍左右，并有助于消除偶次諧波失真，一般可以做到失真度小于0.01。 第二個(gè)好處是輸出電流能力比推挽電路要強(qiáng)，由于在相同的工作電壓下，平衡式放大器的輸出功率是普通推挽的23倍，這意味在相同的輸出功率下，平衡式放大器的工作電壓要低一些，換算到晶體管上的電流處理能力要大許多。 本文介紹的OCL、OTL、BTL放大電路因?yàn)樵隍?qū)動(dòng)揚(yáng)聲器負(fù)載方面的應(yīng)用比較廣泛，因而會(huì)頻繁遇到。四甲類(lèi)，乙類(lèi)，甲乙類(lèi)電路甲類(lèi)(Class-A)放大器的輸出晶體管(或電子管)的工作點(diǎn)在其線(xiàn)性部分中點(diǎn),不論信號(hào)電平如何變化,它從電源取出的電流總是恒定不變,它是低效率的,用作聲頻放大時(shí)

13、由于信號(hào)幅度不斷變化,其實(shí)際效率不可能超過(guò)25%,可由單管或推挽工作。甲類(lèi)放大器的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)交越失真和開(kāi)關(guān)失真,而且諧波分量中主要是偶次諧波,在聽(tīng)感上低音厚實(shí)、中音柔順溫暖、高音清晰利落、層次感好,十分討人喜歡。但一直因?yàn)楹碾姸?效率低,容易發(fā)熱和對(duì)散熱要求高而未能在大功率的放大器中得到廣泛應(yīng)用。由于器件長(zhǎng)期工作于大電流高溫下,容易引起可靠性和壽命方面的問(wèn)題,而且整機(jī)成本高,所以制造甲類(lèi)功率放大器出名的廠家,現(xiàn)在已大多停止生產(chǎn)晶體管甲類(lèi)功率放大器。 乙類(lèi)(Class-B)放大器的偏置使推挽工作的晶體管(或電子管)在無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí),處于低電流狀態(tài),當(dāng)加上驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí),一對(duì)管子中的一只在半周期內(nèi)電流上升

14、,而另一只管子則趨向截止,到另一個(gè)半周時(shí),情況相反,由于兩管輪流工作,必須采用推挽電路才能放大完整的信號(hào)波形。乙類(lèi)放大器的優(yōu)點(diǎn)是效率較高,理論上可達(dá)78%,缺點(diǎn)是失真較大。 甲乙類(lèi)(Class-AB)放大器在低電平驅(qū)動(dòng)時(shí),放大器為甲類(lèi)工作,當(dāng)提高驅(qū)動(dòng)電平時(shí),轉(zhuǎn)為乙類(lèi)工作。甲乙類(lèi)放大器的長(zhǎng)處在于它比甲類(lèi)提高了小信號(hào)輸入時(shí)的效率,隨著輸出功率的增大,效率也增高,雖然失真比甲類(lèi)大,然而至今仍是應(yīng)用最廣泛的晶體管功率放大器程式,趨向是越來(lái)越多的采用高偏流的甲乙類(lèi),以減少低電平信號(hào)的失真。五TDA2030應(yīng)用舉例TDA2030是德律風(fēng)根生產(chǎn)的音頻功放電路，采用V型5 腳單列直插式塑料封裝結(jié)構(gòu)。如圖所示，

15、按引腳的形狀引可分為H型和V型。該集成電路廣泛應(yīng)用于汽車(chē)立體聲收錄音機(jī)、中功率音響設(shè)備，具有體積小、輸出功率大、諧波失真和交越失真小等特點(diǎn)。并設(shè)有短路和過(guò)熱保護(hù)電路等，多用于高級(jí)收錄機(jī)及高傳真立體聲擴(kuò)音裝置。意大利SGS公司、美國(guó)RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同類(lèi)產(chǎn)品生產(chǎn)，雖然其內(nèi)部電路略有差異，但引出腳位置及功能均相同,可以互換。電路特點(diǎn)：1.外接元件非常少。2.輸出功率大，Po=18W(RL=4)。3.采用超小型封裝（TO-220）,可提 高組裝密度。4.開(kāi)機(jī)沖擊極小。5.內(nèi)含各種保護(hù)電路，因此工作安全可靠。主要保護(hù)電路有：短路、過(guò)熱、地線(xiàn)偶然開(kāi)路、電源極性反接（Vsmax=1

16、2V）、負(fù)載泄放電壓反沖等。極限參數(shù)：如表1所示。表1 TDA2003極限參數(shù)（TA=25 ）參數(shù)名稱(chēng)符號(hào)參數(shù)值單位電源電壓Vcc18V輸入電壓Vt18V差分輸入電壓Vi15V輸出峰值電流IO3.5A功耗PD20W結(jié)溫Ti-40+150工作環(huán)境溫度Topt-30+75貯存溫度Tstg-40+150封裝形式：TDA2030為5腳單列直插式，如上圖1所示電氣參數(shù)：如表2所示表2： TDA2030電氣參數(shù)（Vcc=14V，TA=25)參數(shù)名稱(chēng)符號(hào)測(cè)試條件最小值典型值最大值單位電源電壓范圍VCC618V靜態(tài)電源電流ICCQVcc=18V4060mA電源電流ICCPo=14W，RL=4Po=9W，RL=

17、8900500mA輸入偏置電流IBVcc=18V0.22mA輸入失調(diào)電壓VIVcc=18V220mV輸入失調(diào)電流IIVcc=18V20200mA輸出功率PdTHD=0.5%Gvc=30dBf=4015000HzRL=4RL=8 128 1510 WW諧波失真度THDGvc=30dBf=4015000HzPo=0.112WRL=4Po=0.112W，RL=80.10.10.5 0.5 %輸入靈敏度VisGvc=30dB，f=1KHzPo=12W，RL=4Po=8W，RL=8 215250 mVmV頻帶寬度BWGvc=30dB，Po=12W，RL=41014000Hz輸入阻抗Ri（1）腳0.55M

18、開(kāi)環(huán)電壓增益GVC90dB閉環(huán)電壓增益GVCf=1KHz29.53030.5dB輸入噪聲電壓VNIBW=22Hz22KHz，RL=4310V輸入噪聲電流INIBW=22Hz22KHz，RL=480200pA電源波紋抑制比KSVRRL=4，Gvc=30dB，Rg=22K，Vgp=0.5Vccfip=100Hz4050dB過(guò)熱截止時(shí)殼溫RRPD=12W110典型應(yīng)用電路：各元器件的作用：元器件推薦值作用比推薦值大時(shí)對(duì)電路的影響比推薦值小時(shí)對(duì)電路的影響R1150K閉環(huán)增益設(shè)置增大增益減小增益R24.7K閉環(huán)增益設(shè)減小增益增大增益R3100K同相輸入偏置增大輸入阻抗減小輸入阻抗R41移相，穩(wěn)定頻率感性負(fù)載有振蕩危險(xiǎn)R5、R6均100K同相輸入端偏置電源消耗增大C11u輸入隔直提高低頻截至頻率C222u反相隔直提高低頻截至頻率C5100u低頻退耦有振蕩的危險(xiǎn)C3100n高頻退耦有振蕩的危險(xiǎn)C62200u輸出隔直提高低頻截至頻率C7220n移相、穩(wěn)定頻率有振蕩的危險(xiǎn)D1、D2輸出電壓正負(fù)限幅保護(hù)注意事項(xiàng)：TDA2030具有負(fù)載泄放電壓反沖保護(hù)電路，如