无输出变压器的低频功率放大电路简介

1 引言
无输出变压器(OTL)电路是低频功率放大电路中的重点电路之一，无论是电路结构还是理论计算的参数，它都与低频特性较好的OCL电路和电源利用率较高的BTL电路有许多相似之处。目前，这三种电路被广泛应用于多种视频、音频等设备中。为此，深刻理解和细致把握OTL电路的工作原理、理论计算有着现实意义。
2 基本OTL电路
图1示出了一种基本无输出变压器(OTL)电路。可以将这个电路看成是由T1和T2两个工作于乙类工作状态的射极跟随器的组合。由于该电路分别选用了NPN和PNP型三极管，所以在输入正弦波信号时，两个三极管可以交替工作在正、负半周，为此称OTL电路为互补功率放大电路。并且，因为两管均处于乙类工作状态，所以，只有当输入信号大于三极管门限电压时，才出现基极电流，功放电路才有信号输出。因此，在输入信号正、负半周的交替过程中，当输入信号低于门限电压时，两个三极管都处于截止状态，输出信号便出现失真，这就是交越失真。为了消除交越失真，需要给T1、T2设置合适的偏置电路，使两只管子均处于甲乙类状态。为了确保两管静态电流的稳定，所以采用了具有稳定正向电压的二极管组成两管基极间的偏置电路。
3 无输出变压器(OTL)电路的特性
3.1 输出耦合电容C1的作用
电路中的输出耦合电容C1在该电路兼作负电源。静态时，直流电源给耦合电容充电，由于电路具有对称性，故
UK=1/2VCC (1)
在输出信号为负半周，下面的管子导通，上管截止，电源与负载断开，电容放电，代替电源提供能量，在负载上得到负半周信号；在输出信号为正半周时，上管导通，下管截止，给电容器充电，补充负半周损耗的能量，此时，负载上得到正半周信号。
3.2 推动管偏置电阻的作用
在电路中，推动管的偏置电阻兼作负反馈。
在无输出变压器(OTL)电路中，中点电位的稳定性十分重要。为了使中点电位能自动稳定，没有把推动管T3的偏置电阻R6接在电源上，而是接在了中点电位K上。这样，该电阻既是推动管的偏置电阻，又是负反馈电阻，较好的稳定了中点电位，描述如下：
UK↑→Ub3↑→Uc3↓→UK↓　　 　　(2)
3.3 引入自举升压电容
当输入信号足够大且正半周的峰值时，将使得推动管饱和，中点电位趋近于零，输出信号负半周为峰值。当负半周为峰值时，中点电位接近于电源电压，也就是输出信号正半周为峰值。根据射极跟随器的工作原理可知：
UK=UA-URC-0.7V (3)
所以，电路中要增加自举电容和隔离电阻。自举电容C的电容量应该比较大，以使它的充放电时间常数远远大于信号周期，保证在整个工作过程中C上的电压始终保持为UK=1/2VCC，小阻值的隔离电阻将电源电压与A点电位隔开。当输入信号在负半周时，随着T1的导通，中点电位逐步向VCC上升。由于自举电容两端的电压不能突变，A点电位便被抬高到比VCC还高的电位，使T1管的基极获得高电压，从而使A点的最高电压值接近VCC，于是提高了输出信号正半周的幅度，减小了功率失真。
3.4 功率和效率问题
在无输出变压器(OTL)电路中，经常会遇到以下这几个功率：最大不失真输出功率，电源提供的功率、管子最大消耗的功率和电路效率。这几个功率概念之间既有联系又有区别，所以需要给予注意。
a. 最大不失真输出功率
(4)
b. 电源供给功率
电源向管子提供的电流如图2所示，其平均值为：
，所以， (5)
可见，电源供给的功率随输入信号的增大而增大。在极限运行时即为输出功率最大时。
c. 效率
(6)

当输出功率最大时，经计算可得：Vccm=Vcc，η=78.5%
d. 管耗
由能量守恒定律可知，管耗为：
(7)
所以：
①当输入信号为零时，管耗也为零；
②当输入信号较小时，管耗也较小，但随着输入信号的增大而增大；
③当输入信号快速增大时，由于式(7)的后项比前项增加得快，所以管耗又较小。
综上所述，当输入信号较大和较小时，管耗均较小，也就是说，最大管耗并不发生在电路有最大输出功率时。
当电路存在最大输出功率时，管耗为：
PK-Pom=1.27Pom-Pcm=0.27Pom (8)
而所谓最大管耗，则发生在dPc/dIcm=0时，即Icm之处，这时的Pcm≈0.4Pom。所以，常说的最大管耗Pcm≈0.2Pom，实际上是单管最大管耗。图3示出了功率、管耗和电源功率的关系曲线。
4 问题分析
4.1 容易被错误理解的几种功率之间的关系
人们往往只是记住了教材上常用来计算的有关公式，如最大不失真输出功率的计算：
RL'=n2×RL=2.52×8=50Ω (9)
Icm=Vcc/RL=6/50=120mA
那么，最大输出功率为：
(10)
管耗Pcm≈0.2Pcm=0.2×360=72mW；
直流电源提供的功率PE=Pcm÷η≈360÷78.5≈460mW。
如果没有真正理解其内涵，应用中不加选择地套用公式，则会得出很荒谬的结论。例如，某型收音机的功放电路为甲乙类推挽功放电路，电源电压VCC=6V，负载RL=8Ω，输出变压器的匝数比n=2.5，求其最大输出功率、直流电源提供的功率和管耗。有人可能计算出此时的管耗和输出功率之和约为432mw，这与电源提供的460mw的功率相差较大。这是什么原因呢？我们发现，这里犯了两个错误：①忽略了电路实际上是应用了两个三极管，求解时却按单管处理了；②电路在最大输出功率时，管耗并非最大。其正确的计算和答案应为：
最大输出功率Pom为：

直流电源提供的功率PE为：
PE=Pom/η≈360/78.5%≈460mW
管耗Pcm=PK-Pom=460-360=100mW
4.2 忽略电路结构的特殊性
由于无输出变压器(OTL)低频放大电路使用了一些具有特殊用途的元件，故在实际使用过程会引起一些容易被忽略的问题，从而造成计算或维修中的错误判断。例如，目前通用的功放集成电路，包括电视机采用的场输出集成模块，为了减小功耗，提高电路的可靠性，都是采用外围元件组成自举升压电路（注，自举升压电路又称泵电源，自举电容则又称场逆程电容）。随着机器使用时间的增加自举电容器会出现电容量减小、漏电等情况。由前面的分析可见，当自举电容器的电容量下降幅度过大时，其容抗就会增大，这样，在开机瞬间的冲击电流就会更多地从功放管T1中流过，或会将其烧坏；而当自举电容器漏电时，其容抗变小，这样，在开机的瞬间，中点电位就会远远大于UK=1/2VCC。使激励管进入饱和状态，功放管T2的基极电位便接近于0，这将造成流过该管的电流较大而烧毁该管，即无论是自举电容漏电还是其容量下降，都可能烧毁功放集成模块。如果对此不加判断，未弄清原因就更换功放集成模块，就会造成连续损毁集成模块的情况。例如，曾经有人在维修某电视机水平一条亮线故障时，按照一般思路在检查场输出电容、负载、偏转线圈、电源、电压均正常后，便认为是集成块损坏，马上就换上新的集成块开机，结果集成块再次被烧坏。然后经过多次排查原因，才发现是自举电容器漏电，经更换自举电容后，故障就排除了。
5 小结
通过以上叙述和分析，进一步了解了OTL电路及电路中各元件的作用，从而正确掌握了计算输出功率、管耗和效率等参数的方法。

（摘编自21ic.com）