OTL功率放大器的實驗研究

熊俊俏，戴麗萍，秦紅波

(武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430205)

0 引言

OTL功率放大器實驗為“模擬電子技術基礎”課程的基本實驗項目，實驗時有些測試數據與理論分析相差較遠，如輸出最大不失真電壓、輸出功率與效率等。為此，不少同行開展了相關的理論和實驗方法研究，提出了一些電路和測量方法的改進方案。文獻[1]通過實驗分析，認為效率低下的原因是前級驅動級的電壓放大的動態范圍小，導致推挽級輸出的最大不失真電壓降低，并提出了幾種改進電路;文獻[2]提出電流測量方法的改進，采用有效值表代替平均值表，測量脈沖電流的有效值;文獻[3]通過實驗研究了不同型號三極管電路的波形、功率與效率，提出了接近理論設計的器件與電路。筆者通過實驗測試證明，OTL功率放大器實驗電路輸出電壓幅度與效率低下的原因，并非是前一級驅動電路的動態范圍，而與推挽電路的器件、電源、測量方法和計算方法均有關系。

1 實驗線路簡介與實驗現象

OTL功率放大電路大多由前置電壓放大的推動級和功率放大的推挽級組成，細微差別在于功率管和克服交越失真的器件選擇、以及是否采用自舉電路擴展推動級的動態范圍等。圖1為某公司提供的模擬電子技術實驗裝置所采用的實驗電路。

在圖1中，晶體三極管T1組成推動級(也稱前置放大級)，T2、T3是一對參數對稱的PNP和NPN型晶體三極管，它們組成互補推挽OTL功放電路。電位器RW1控制驅動三極管T1的基極電壓，控制輸入信號的動態范圍;電位器RW2用于控制推挽管的工作狀態，可用于消除交越失真。

在學生實驗過程中，幾乎所有的效率測試低于30%，甚至低于20%，與理論的最大效率78.5%相差甚遠。在測試過程中有如下問題出現。

(1)三極管的靜態工作點電壓、電流與是否加載有密切關系;

(2)調整RW1和RW2會有相互影響，導致最大不失真輸出時，A點電壓并非在中心;

(3)調整RW2，消除交越失真，可以改善輸出波形，但調節過度會導致電流急劇上升;

(4)電流的變化會導致放大電路的實際供電電壓UCC變化(電流表的內阻影響)，從而引起整個放大電路的工作點變化。

圖1 OTL功率放大實驗電路

2 OTL功率放大器效率低下的原因

2.1 放大器測試條件和狀態

多年的實驗教學表明，OTL功率放大器功率低下的原因可歸納為以下幾個方面:①前置級的動態范圍不足;②負載引起射極跟隨器的放大倍數降低;③三極管的飽和壓降影響;④消除交越失真時導致功耗增大;⑤電源電壓過低，電壓利用系數偏小;⑥測量與計算方法不正確。表1為六組實驗測試數據，包括實際電源電壓、供電電流、三極管靜態工作電壓，以及輸出信號有效值。

實驗時采用的電源電壓標稱為5.0V，信號源為1kHz正弦波，串接電了一個流表，采用雙蹤示波器監測圖1中A、B點波形，用交流毫伏表測量A、B點的電壓有效值。

(1)狀態1為空載時，調節RW1和RW2，使輸出信號最大不失真的直流工作點電壓、電流和輸出信號幅度。此時，驅動級(圖1中B點)輸出電壓為1.3V，推挽(圖1中 A 點)輸出為1.22V;

(2)狀態2為狀態1在空載和輸入端短接時的靜態電壓與電流;

(3)狀態3為一般實驗教材介紹的方法測試的電壓、電流和最大輸出電壓。調節RW1使A點電壓為電源電壓的一半，這里為2.5V，此時最大輸出信號電壓為1V;

(4)狀態4為狀態3加負載的情形。此時A點輸出信號幅度為0.32V，驅動級B點輸出為0.38V;

(5)狀態5為處于狀態4時，增大輸入信號幅度后，獲得最大輸出不失真信號:A點為0.84V，B點為 0.86V;

(6)狀態6為調節 RW1和RW2，帶負載時，測輸出最大不失真時的電壓和電流，此時最大輸出信號分別為:A點0.9V，B點1V。

表1 工作點的測試數據(A，B點信號為有效值)

2.2 推挽管的參數與電路參數計算

放大器推挽管采用了3DG130B和3CG130B硅三極管，其集電極—發射極飽和壓降分別為0.6V和0.5V，基極—發射極飽和壓降為1V。

OTL功率放大器通常采用8Ω負載電阻，由于三極管的輸入阻抗較大，此時的放大倍數小于1。空載時有較大的輸出，而加負載后輸出幅度會下降。

推挽電路的電壓增益為[4]

式中，β2為推挽管的電流放大倍數，3DG130B和3CG130B 的取值為 25 ～270，這里取 β2=60，RL=8Ω，而輸入電阻rbe與工作電流有關:

顯然，空載時電壓增益為1，此時的最大輸出電壓大小取決于前一級輸入電壓大小，但受制于推挽管的飽和壓降和電源電壓的限制。

2.3 測試數據分析

根據上面的分析，以測試數據為基礎，分析各種因素對輸出信號幅度、效率的影響程度，從而獲得OTL功率放大器效率低下的主要因素。

OTL功率放大器輸出信號幅度的大小與前一級的輸出電壓密切相關。為了判斷是否存在動態范圍的影響，可以對電路A點和B點的電壓波形進行比較。若當輸入信號增大時，兩點的電壓波形同步出現削波失真，則可認為存在動態范圍的問題。若增大信號時，B點波形沒有失真而A點已經削波失真，則認為不存在動態范圍的問題。

實驗過程中，不同的線路模塊出現不同的現象，部分模塊存在動態范圍不足的問題，大部分不存在該問題，少數還存在推挽管的對稱性問題。以本實驗的模塊為例，空載時，A、B兩點的電壓波形幾乎相等。從空載和加載后的輸出波形看，A點與B點電壓波形基本是相同的，即增大輸入信號時，兩者同時失真。

當三極管集電極—發射極飽和壓降為VCE(sat)時，則最大輸出信號峰—峰值VOP－P的理論值為

因此，電源電壓的利用系數ξ的理論值為

根據文獻[5]，考慮推挽管的飽和壓降，推挽電路的最大效率ηmax為

本電路在單電源5V工作時，最大效率為60%。顯然，電源電壓越高，則效率越大，其極限值可達78.5%。

2.4 表1中狀態4，5，6的參數值討論

放大器處于表1中狀態4，5，6時，其放大倍數和效率等各項參數值列于表2。

(1)狀態4為推挽電路中點A的直流工作點設置為2.5V，在無負載時獲得最大不失真的條件下，增加負載。這時RW1、RW2均不調整，此時由于輸入信號并非最大，因此電壓利用系數較小:0.18，效率最低:16.6%;

表2 放大倍數與效率

(2)狀態5為推挽電路中點A的直流工作點設置為2.5V，增大輸入信號幅度，直至輸出削頂失真，獲得最大輸出信號。其中RW1不變，但調整RW2消除交越失真，此時輸出信號幅度增大，電源利用率提高到 0.48，效率達到 29.7%;

(3)狀態6為最佳工作狀態。調整RW1、RW2，使輸出信號幅度最大，并消除交越失真，此時電壓利用系數上升到0.52，效率達到53.4%。

從上述分析中可以看出，OTL功率放大器由于三極管的飽和壓降達到0.6V，占電壓利用系數的比例達到24%，因此效率受到了限制。同時，根據計算結果來看，推挽電路的放大倍數一般小于0.9，狀態5的放大倍數較大，這是由于為了消除交越失真，使得靜態電流急劇增大到60mA，降低了推挽管的rbe2，提高了電壓放大倍數，但電流的上升反過來導致效率下降。

3 提高效率的措施

3.1 提高電源電壓

提高電源電壓，可降低推挽管的飽和壓降所占的比例，改善電源電壓利用率。但對于OTL實驗線路，為了實驗線路的安全，大多采用3DG130B和3CG130B中功率管(負載為8Ω)，沒有采用較高的電源電壓。

3.2 更換大功率管和負載

若要進一步提高效率，可以考慮采用高壓供電的大功率管組成的OTL電路。如大功率管3DD15D的集電極—發射極飽和壓降為1.5V，功耗上限達到50W，對應的輸出電阻小，可提高電壓放大倍數和輸出功率。

3.3 關于前一級驅動電路的動態范圍

文獻[1]將圖1的OTL功率放大器的效率低下歸為前一級驅動電路的動態范圍偏小引起的。從表2的電壓利用系數來看，的確存在提高動態范圍的空間。如增大輸入信號幅度，推挽電路的輸出信號幅度進一步增大，可提高輸出功率。實際上，圖1電路已經決定了其驅動級電路的動態范圍不可能使推挽級電路的電源利用系數達到理想值。

如表1中的狀態1所示，當空載時，集電極(圖1中B點)靜態電壓為2.304V，此時最大輸出信號的有效值為1.3V，峰值為1.84V，已經達到驅動電路的輸出極限。

當加載時，從表2中狀態4變到狀態6。由于負載電阻較小，輸出信號幅度下降，導致自舉電路的作用越來越小，集電極(圖1中B點)靜態電壓也下降到1.705V，對應的最大輸出信號的有效值為1V，峰值為 1.41V。

顯然，輸出級的負載導致驅動級電路的集電極(圖1中B點)靜態電壓下降，從而降低了驅動級電路的動態范圍。

可見提高驅動級電路的動態范圍，可以采用增加隔離電路，減小推挽電路對前一級電路的影響。

3.4 測量方法與計算方法的改進

1)電源電壓的影響

實驗平臺加上負載以及串接電流表均會引起實際供電電壓下降，最大下降可達到0.1V。而計算仍采用5V而不是實際測量值，自然會使效率降低。

2)RW2補償過度

RW2是用于消除交越失真的電位器。由于是否存在交越失真多為主觀觀察，若把握不準，使其重疊過大，一方面導致輸出信號幅度下降，另一方面導致供電電流急劇增大，這兩者均會使效率下降。

3)計算方法的影響

對于驅動級電路的功耗，通常較小而沒有考慮。但在該電路中因輸出功率和電源供電功率等均較小，驅動電路的功耗影響就不能忽略了。

4 結語

OTL功率放大器電路的效率低下是由多種因素決定的，包括器件、電路、測量方法和計算方法等。面對其理論與實驗結果的不一致問題，應采用認真的分析來解決問題。在實際工作中，互補對稱性和動態范圍的影響是少數情況，大部分是由于測量和計算方法的問題導致的功率下降。因此，如何引導學生通過實驗來提高分析問題和解決問題的能力，是電子技術實驗的重要環節。

[1]葛有根.OTL功放實驗效率低下的原因及解決方案[J].天津:實驗室科學，2010，13(3):63 －65

[2]李春樹，潘海軍.OTL功率放大電路中供電電流的測量[J].永州:零陵學院學報，2003，24(5):32 －33

[3]陳庭勛.功率放大實驗電路分析[J].舟山:浙江海洋學院學報(自然科學版)，2003，22(2):192 －196.

[4]康華光.電子技術基礎.模擬部分(第五版)[M].北京:高等教育出版社，2006.1

[5]Paul R.Gray，Paul J.Hurst，etc.Analysis and design of analog integrated circuits[M].BeiJing:Higher education press，2005.12