5.2.1 電路的組成

詳細(xì)說(shuō)明:

工作在乙類的放大電路，雖然管耗小，有利于提高效率，但存在嚴(yán)重的失真，使得輸入信號(hào)的半個(gè)波形被消掉了。怎樣解決上述矛盾呢？

圖1

下面來(lái)研究一下圖1所示的互補(bǔ)對(duì)稱電路。T1和T2分別為NPN型管和PNP型管，兩管的基極和發(fā)射極相互連接在一起，信號(hào)從基極輸入，從射極輸出，RL為負(fù)載。由于該電路無(wú)基極偏置，所以vBE1 = vBE1 = vi 。當(dāng)vi =0時(shí)，T1、T2均處于截止?fàn)顟B(tài)，所以該電路為乙類放大電路。

考慮到BJT發(fā)射結(jié)處于正向偏置時(shí)才導(dǎo)電，因此當(dāng)信號(hào)處于正半周時(shí)，vBE1 = vBE2 >0 ，則T2截止，T1承擔(dān)放大任務(wù)，有電流通過(guò)負(fù)載RL；

而當(dāng)信號(hào)處于負(fù)半周時(shí)，vBE1 = vBE2 < 0 ，則T1截止，T2承擔(dān)放大任務(wù)，仍有電流通過(guò)負(fù)載RL；這樣，一個(gè)在正半周工作，而另一個(gè)在負(fù)半周工作，兩個(gè)管子互補(bǔ)對(duì)方的不足，從而在負(fù)載上得到一個(gè)完整的波形，稱為互補(bǔ)電路。

這個(gè)電路可以看成是兩個(gè)射極輸出器結(jié)合而成。

互補(bǔ)電路解決了乙類放大電路中效率與失真的矛盾。為了使負(fù)載上得到的波形正、負(fù)半周大小相同，還要求兩個(gè)管子的特性必須完全一致，即工作性能對(duì)稱。所以圖1所示電路通常稱為乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路。

雙電源乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路又稱為OCL電路。

5.2.2 分析計(jì)算

一、圖解法分析電路的原理

功率放大電路的分析任務(wù)是求解最大輸出功率、最高效率及功率三極管的安全工作參數(shù)等性能參數(shù)。分析的關(guān)鍵是vo的變化范圍。在分析方法上，通常采用圖解法，這是因?yàn)锽JT處于大信號(hào)下工作，且乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路的BJT只有半個(gè)周期導(dǎo)通。

圖1

圖2表示圖1電路在vi為正半周時(shí)T1的工作情況（點(diǎn)擊播放按鈕播放）。假定，只要vBE1= vi >0，T1就開(kāi)始導(dǎo)電，則在一周期內(nèi)T1導(dǎo)電時(shí)間約為半周期。隨著vi的增大，工作點(diǎn)沿著負(fù)載線上移，則io = iC1增大，vo 也增大，當(dāng)工作點(diǎn)上移到圖中A點(diǎn)時(shí)，vCE1 =VCES ，已到輸出特性的飽和區(qū)，此時(shí)輸出電壓達(dá)到最大不失真幅值。

根據(jù)上述圖解分析，可得輸出電壓的幅值為Vom = IomRL = VCC - VCE1 ，其最大值為Vommax= VCC - VCES 。

圖1中T2的工作情況和T1相似，只是在信號(hào)的負(fù)半周導(dǎo)電。為了便于分析，將T2的特性曲線倒置在T1的右下方，并令二者在Q 點(diǎn)，即vCE = VCC處重合，形成T1和T2的所謂合成曲線，如圖2所示。這時(shí)負(fù)載線通過(guò)VCC點(diǎn)形成一條斜線，其斜率為 -1/RL。顯然，允許的io的最大變化范圍為2Iom，vo的變化范圍為2Vom=2IomRL=2（VCC-VCES）。若忽略管子的飽和壓降VCES ，則Vommax ? VCC 。

根據(jù)以上分析，不難求出工作在乙類的互補(bǔ)對(duì)稱電路的輸出功率、管耗、直流電源供給的功率和效率。

二、輸出功率

輸出功率是輸出電壓有效值Vo和輸出電流有效值Io的乘積（也常用管子中變化電壓、變化電流有效值的乘積表示）。所以

乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路中的T1、T2可以看成共集狀態(tài)（射極輸出器），即AV ?1。所以當(dāng)輸入信號(hào)足夠大，使Vim = Vommax = VCC- VCES ? VCC時(shí)，可獲得最大輸出功率，即

三、管耗

考慮到T1和T2在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)各導(dǎo)電約180°，且通過(guò)兩管的電流和兩管兩端的電壓vCE在數(shù)值上都分別相等（只是在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)了半個(gè)周期）。因此，為求出總管耗，只需先求出單管的損耗就行了。設(shè)輸出電壓為vo = Vomsinwt ，則T1的管耗為

而兩管的管耗為

四、效率

效率就是負(fù)載得到的有用信號(hào)功率和電源供給的直流功率的比值。為了計(jì)算效率，必須先分析直流電源供給的功率PV ，它包括負(fù)載得到的信號(hào)功率和T1、T2消耗的功率兩部分，即

當(dāng)輸出電壓幅值達(dá)到最大，即Vom = VCC時(shí)，則得電源供給的最大功率為

所以，一般情況下效率為

當(dāng)Vom ? VCC時(shí)，則

這個(gè)結(jié)論是假定互補(bǔ)對(duì)稱電路工作在乙類、負(fù)載電阻為理想值，忽略管子的飽和壓降VCES和輸入信號(hào)足夠大（Vim ?Vom ? VCC）情況下得來(lái)的，實(shí)際效率比這個(gè)數(shù)值要低些。

五、最大管耗與最大功率的關(guān)系

工作在乙類的基本互補(bǔ)對(duì)稱電路，在靜態(tài)時(shí)，管子幾乎不取電流，管耗接近于零，因此，當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)，輸出功率較小，管耗也小，這是容易理解的；但能否認(rèn)為，當(dāng)輸入信號(hào)愈大，輸出功率也愈大，管耗就愈大呢？答案是否定的。那么，最大管耗發(fā)生在什么情況下呢？

由管耗表達(dá)式      

可知管耗PT1是輸出電壓幅值Vom的函數(shù)，因此，可以用求極值的方法來(lái)求解。

有:               

令，則

故                 Vom = 2VCC /p  ? 0.6 VCC

此時(shí)最大管耗為

為了便于選擇功放管，常將最大管耗與功放電路的最大輸出功率聯(lián)系起來(lái)。

由最大輸出功率表達(dá)式

可得每管的最大管耗和最大輸出功率之間具有如下的關(guān)系

上式常用來(lái)作為乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路選擇管子的依據(jù)，它說(shuō)明，如果要求輸出功率為10W，則只要用兩個(gè)額定管耗大于2W的管子就可以了。當(dāng)然，在實(shí)際選管子時(shí)，還應(yīng)留有充分的安全余量，因?yàn)樯厦娴挠?jì)算是在理想情況下進(jìn)行的。

為了加深印象，可以通過(guò)Po、PT1和PV與Vom/VCC的關(guān)系曲線（如圖1所示）觀察它們的變化規(guī)律。圖中用Vom / VCC表示的自變量作為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)分別用相對(duì)值表示。

圖1

六、功率BJT的選擇

在功率放大電路中，為了輸出較大的信號(hào)功率，管子承受的電壓要高，通過(guò)的電流要大，功率管損壞的可能性也就比較大，所以功率管的參數(shù)選擇不容忽視。選擇時(shí)一般應(yīng)考慮BJT的三個(gè)極限參數(shù)，即集電極最大允許功率損耗PCM ，集電極最大允許電流ICM和集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓V(BR)CEO 。

由前面知識(shí)點(diǎn)的分析可知，若想得到最大輸出功率，又要使功率BJT安全工作，BJT的參數(shù)必須滿足下列條件：

（1）每只BJT的最大管耗PT1max ?0.2 Pomax 必須小于BJT的最大允許管耗PCM ；

（2）通過(guò)BJT的最大集電極電流為iC1max =Vommax / RL ? VCC / RL，所選BJT的ICM一般不應(yīng)低于此值。

（3）考慮到當(dāng)T2導(dǎo)通且輸出電壓達(dá)到負(fù)向最大值時(shí)，-vCE2 =VCES ? 0 ，此時(shí)vCE1具有最大值，且等于2VCC ，因此，應(yīng)選用反向擊穿電壓| V(BR)CEO | > 2VCC的管子。

注意，在實(shí)際選擇管子時(shí)，其極限參數(shù)還要留有充分的余地。