調試功率放大電路中常見問題的探討與解決方案

張 浩,張建榮（山西大學商務學院，山西太原，030031）

調試功率放大電路中常見問題的探討與解決方案

張 浩,張建榮
（山西大學商務學院，山西太原，030031）

針對功率放大電路中接地方式，波形失真以及熱擊穿三種常見問題做出解釋并對提出解決方案。在功率放大電路中添加電容，電阻等元件改進電路穩定性。

晶體管；非線性失真；熱擊穿

在調試功率放大電路時，針對其接地方式，波形失真以及電路器件熱擊穿三種常見問題的解決方案。

1、原理圖接地符號表示所有的電路的返回路徑，其阻抗不一定等于零。當電流幅值或頻率增大，直流電源的阻抗會產生較大的電壓而產生干擾，影響放大器的精度。因此須加入電源的去耦電容，使用小電容和大電容的雙通道電容是為了在低頻和高頻范圍內充分減小電源交流阻抗。此外直流電源應盡可能的靠近后級放大器，以防止后級信號耦合到前一級的輸入端而產生自激，由此可類比直流電源的去耦電容也應盡量靠近電源設計。

在連接示波器后常看不到輸出波形，大多數為未共地所致。功率放大器很多是雙電源供電，需要+V和—V兩路直流電源，直流電源上標有正負極和接地端。若直接把電源負極接在放大器的地端，此時兩路直流電壓負極雖然接在一起，但是和示波器等儀器并不共地，無法正常顯示波形，這時將放大器的共地端接到直流電源的接地端即可。由于各儀器內部接地方式不同，有些雙通道儀器在內部已經共地，進行調試時，兩接入點相當于短路，可能會損壞電路板。在調試時應注意此類問題。

運用不同的電路結構，等效交流接地點不同。在設計電路時，從基級看入的偏置電路的阻抗并不相等，失調電流增加，需要在偏置電路上并聯一個電容來改善高頻失真，使電路有足夠的交流對稱性。有MOS管的電路交流接地可能會影響MOS管的阻抗。

2、功率放大器調試時的主要問題是失真。許多功率放大器前級使用op放大器，由于op放大器內部相位補償電路都是按照單級使用時制作，與其他放大器級聯時，負反饋以及兩級阻抗并不匹配電路不穩定，需要使用射級跟隨器與op放大器級聯進行阻抗匹配并且加入相位補償電路。一般來講，后級輸入阻抗大于前級阻抗5-10倍以上認為阻抗匹配良好。

功率放大電路盡量選擇晶體管工作在相對穩定的狀態。發射極電流增加頻率特性較好。此外晶體管是按照h FE分檔，h FE受到集電極電流影響，電流越大，溫度越高，h FE就越小，應選擇在h FE變化最小的范圍內使用。一般而言，在額定電流1/3較好。

對于大信號，晶體管性能發生變化。大信號在基區注入的電子，加大了基區的摻雜濃度，基區的等效電阻減小，同時伴隨發射極電流集邊效應以及基區寬度調制效應。晶體管的伏安特性改變。而MOS管由于柵極電流極小此影響較小，但是要注意MOS管的襯底電位。若對襯底電位不加以控制，襯底電位變化較大會造成MOS管的導電溝道失效。元件性質改變，輸出波形可能失真。最常見的失真是帶負載后發生截止或者飽和失真，在調節阻抗匹配的射級跟隨器后接上負載電阻，輸出波形的負側被削去。使用單級跟隨器時解決輸出負載加重問題是加大靜態電流，對于偏置電路盡量讓其通過基級電流可以忽略的足夠大的電流，削弱基級電流的影響，以使基級直流電位偏離值較小。即便加大空載電流，接入負載后取出大電流時可能發生截止或飽和失真。可使用推挽型射級跟隨器來改善上述問題，利用二極管的正向壓降來抵消兩個晶體管的死區電壓，克服交越失真。由于晶體管的基級-發射極間電壓為導通和截止的交界狀態，把靜態電流近似為0，無有用信號輸入時，沒有電流流過，能量利用率高。對于交越失真可以使用OP放大器的強負反饋來減弱。但是反饋電阻值不可取的過小，否則會導致輸出電流過大，射級跟隨器不能有效的驅動反饋電阻。

在高頻信號下，閉環放大可能會使功率放大器發生自激振蕩。除了在制作電路板時要合理安排線路之外，加入一些相應器件來防止發生自激。控制自激的常用器件有電容和電阻。如共射放大電路，可在集電極與基極上連接一個電容，在高頻信號下減小放大倍數或者在輸入端加入電阻減小反饋信號來削弱自激。

3、在調試電路時常發生熱擊穿。由于晶體管工作時，發射極正偏，集電極反偏，所以集電極的發熱量是主要影響因素。設計電路時應當充分考慮電路的散熱問題。晶體管的VBE具有負溫度系數，用二極管的正向壓降來抵消兩個晶體管的死區電壓的推挽型射級跟隨器由于集電極發熱，導致VBE減小。而二極管的發熱量較小，壓降不變，此時二極管壓降大于VBE，促使集電極極電流增加，發熱量進一步增加反復進行導致熱擊穿。晶體管的安全工作區域是由集電極損耗，集電極-發射極間電壓和二次擊穿共同限制。使用射級跟隨器并聯的電路結構，全部的集電極損耗由多個晶體管并聯共同分擔，這樣就降低了熱擊穿的風險。所有晶體管都應該進行熱耦合，讓它們的溫度保持一致。基級串聯的電阻是為平衡電流，使晶體管流過的電流盡量相等。并聯結構的推挽型射級跟隨器的輸出阻抗降低，但是高頻截止頻率降低。

推挽型射級跟隨器的對管安裝熱沉，在電路板上涂導熱膏，增加散熱片或者在偏置電路后加一些保護電路都可以抑制熱擊穿。

以上對功率放大電路中常見問題作了部分解釋與相應的數種解決方案。但電路還應該從實際需求出發，不同的應用背景要用不同的方案。

[1]鈴木雅臣（日）：晶體管電路設計上，科學出版社

[2]鈴木雅臣（日)：晶體管電路設計下，科學出版社

[3]楊欣，萊·諾克斯，王玉鳳等：電子設計從零開始，清華大學出版社

[4]柴木肇（日）：晶體管電路活用技巧，科學出版社

[5]黑田徹（日）：基于OP放大器與晶體管的放大電路設計，科學出版社

[6]黑田徹（日）：晶體管電路實用設計，科學出版社

[7]門宏：晶體管實用電路解讀，化學工業出版社

The discussion and solution of the common problems in the debugging power amplifier circuit

Zhang Hao,Zhang Jianrong
（School of business,Shanxi University,Shanxi Taiyuan,030031）

In view of the power amplifier circuit grounding mode, waveform distortion and thermal breakdown of three common problems to explain and put forward the solution. In the power amplifier circuit to add capacitance, resistance and other components to improve the stability of the circuit.

transistor; nonlinear distortion; thermal breakdown