分立元件OCL功率放大电路详解

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OCL是Output Capacitor Less的缩写,意思是没有输出电容器。OCL功率放大电路一般采用正、负对称的两组电源供电,电路内部直到负载扬声器全部采用直接耦合,中间无输入、输出变压器,其好处是通频带宽,信号失真最低。

OCL是英文Output Capacitor Less的缩写,意思是没有输出电容器。OCL功率放大电路一般采用正、负对称的两组电源供电,电路内部直到负载扬声器全部采用直接耦合,中间无输入、输出变压器(人们将不用输入和输出变压器的功率放大电路称为单端推挽电路),也不需要输出电容器,其好处是通频带宽,信号失真最低。 

(1)OCL功率放大器的结构组成

功率放大器的结构如图1所示。OCL功率放大电路分为输入级、激励级、功率输出级三级,此外还有为稳定电路工作而设置的负反馈网络和各种补偿电路,有些还设置有过载保护电路。 

OCL功率放大电路

图2是一种实际的功放电路,早期一些低档功放机器采用了这一电路。下面结合该电路来认识一下功率放大器的各组成部分。 

1)输入级:输入级主要起缓冲作用。输入级多采用差分对管放大电路(也有采用运算放大电路的),通常引入一定量的负反馈,增加整个功放电路的稳定性和降低噪声。差分放大器由两个特性相同的放大电路组成,其左、右两管的参数几乎完全相同。这种电路具有很高的稳定性,能抑制“零点漂移”,保证输出级中点电压的稳定。有些功放机器的差动管发射极采用恒流源电路,常见的有二极管和三极管组成的恒流源和两个三极管组成的镜像恒流源。输入级采用小功率管,工作在甲类状态,静态电流较小。 

2)激励级:激励级的作用是给功率输出级提供足够的激励电流及稳定的静态偏压,整个功率放大器的增益主要由这一级提供。多数功放机的激励级采用单管放大电路,也有少数机器采用差分对管放大电路。这一级常采用恒流源负载,不仅能得到较高的电源抑制特性,而且具有工作状态稳定、线性好、失真度低等优点。激励级也是用小功率管,工作在甲类状态。 

另外,激励级还要为后一级(功率输出级)提供稳定的偏置电压。功率输出级的偏置电压电路有多种类型。最简单的偏置电路是由激励管的集电极负载电阻构成的,其热稳定性和稳压性都比较差;有些功放采用恒压偏置电路,即由多个二极管串联而成的稳压钳位电路,使功率输出级的偏置电压保持稳定;而更多的则是采用带温度补偿的恒压偏置电路,这种偏置电路由一个三极管和几个电阻组成。

图2中,功率输出级的偏置电路是与激励管Q3的集电极负载串联在一起的。R5可看作Q3的集电极负载电阻,R4和Dl串联在集电极负载电路中,可看作集电极负载的一部分。Q3集电极电流流过R4、Dl和R5,在R4和Dl两端产生一定的电压降(电压高低决定了输出级的工作状态,一般为2.1V左右,此时输出级工作在甲乙类状态;如达到2.8V左右,输出级则工作在甲类状态),此电压加在Q4、Q5的基极上,为两管提供偏置电压。这时与Q4、Q5复合连接的Q6、Q7也获得了偏置电压而进入线性放大状态。 

3)功率输出级:功率输出级简称输出级,主要起电流放大作用,以向扬声器提供足够大的激励电流,推动扬声器放音,因此,功率输出级也称为电流放大级。输出级还可细分为推动级和末级两级。 

输出级常采用互补或准互补输出形式的单端推挽放大电路,其输出级由两组(称为上臂、下臂)不同极性的复合管构成。利用它们的偏置极性相反的特性,可以自动地分别放大正、负半周信号,即具有互补特性;又因为在工作时总是一臂导通放大信号,另一臂截止,工作在推挽状态,因此又被称为互补对称推挽放大电路。

一般功率放大器的前级(这里指输入级和激励级)均为电压放大级,输出的电流都不大。为了用较小的电流驱动功率输出管,以得到足够的输出功率,一般的功率输出级均采用半导体三极管复合连接的方式,即采用复合管。复合管是由两个或两个以上的三极管按一定的方式连接起来组成的一种功率管。输出级复合管中的大功率三极管称为功率管(也叫功放管或输出管),与之复合的另一个小功率(也有用中功率管的)三极管称为推动管(或驱动管),推动管、功放管分别构成了推动级、末级电路。一般的功放每个声道有两个功放管,而一些大功率的功放为了增大输出功率,也采用了功放管并联的方法,这样每个声道就有四个或更多的功放管。一些低档机中的两个功放管采用的是同极性的晶体管三极管,即两个管均为NPN型(或PNP型)管,需分别与两个不同极性(一个为NPN管,另一个为PNP管)的小功率三极管组成复合管配对使用,这样的互补输出电路常称为“准互补”推挽放大电路。 

中、高档功放则采用专用音响对管(一个NPN管,一个PNP管,且特性很接近)作互补电路的输出管,以达到较高的技术水准。 

功率输出级中,驱动管和功放管的工作状态有甲类、乙类、甲乙类之分。平常所说的甲类功放、乙类功放、甲乙类功放就是按功率输出级的工作状态来对功放机进行分类的。输出级的各管工作状态是由偏置电路所提供的工作电压所决定的,掌握其工作状态对维修功放有着极重要的意义。下面简要介绍一下这三类功放的特点。 

甲类功放中,输出管的总静态电流较大(常为1A~2A),其工作点能保证在一定的输入信号幅度内,输出管在信号的正、负半周均处于导通状态,在无信号输入时,依然存在着相当大的静态电流,不会产生交越失真和开关失真,因此放音效果较好。但甲类放大器存在效率低、功放管发热非常厉害(除采用很大的散热器外,有的还需用风扇进行强制风冷)等缺点。甲类功放中,驱动管工作在甲类状态,静态电流较大(几十毫安),发热也较大,因此常采用中功率管作驱动管,并将其固定在散热器上。 

乙类功放指在静态下(无信号输入状态),功放管的基极无偏流,只有在较强的输入信号(电压的绝对值大于0.6V)作用下,功放管才导通工作。乙类功率放大电路采用推挽输出方式,利用两个特性相同的功放管,上臂功放管工作在正半周,下臂功放管工作在负半周,即一推一挽地轮流工作。而在输入信号电压+0.6V~-0.6V之间,无论是上臂功放管还是下臂功放管,均不能导通,所以,在信号的上半周与下半周的交接处将会出现失真,称为交越失真,推挽工作的晶体管交替导通截止时,由于载流子积聚效应,它的工作不能完全再现输入信号的变化,而是在输出信号中出现附加的脉冲,称为开关失真。即乙类功放存在交越失真和开关关真的缺点,但效率高、能耗低是其显着的优点。 

甲乙类功放,实际上是甲类和乙类的结台,使输出级各管进入甲乙类工作状态,有一定的静态偏流。没有输入信号时,静态电流较小,功放管处于近似截止状态;工作时只要输入很微小幅度的信号电压,功放管就能立即进入正常放大状态。在这类功放中,输出管静态电流多数设计在几十毫安,也有设计得较大一些的,如在200mA左右(常将这种称为高偏甲乙类)。甲乙类功放电路解决了失真与效率的矛盾,因此,甲乙类功放是功放机中数量最大的一类。

功放电路

4)负反馈网络:为了提高电路的稳定性和降低失真,OCL电路均要加入交直流负反馈,通常会同时采用局部负反馈(即本级的负反馈)和环路负反馈两种办法。各级放大器发射极所接的电阻,主要起稳定该级工作状态的作用,属于局部负反馈。环路负反馈则属于级间负反馈,可以提高整个放大器的稳定性。 

环路负反馈有两种形式:一种是负反馈信号从末级(一般是输出端)取出,经反馈网络馈入差分输入放大器的一臂,称为“大环路负反馈”,这种负反馈使电路非常稳定,因而被大部分功放所采用;另一种是反馈信号从推动级(不是取自末级)取出,经反馈网络馈入差分输入放大器的一臂,称为“无大环路负反馈”,这种环路负反馈可以提高放大器的速率,使功放的瞬态失真减小,还可以消除扬声器的反电动势经环路反馈到输入级造成的失真。 

5)各种补偿电路:OCL的补偿电路主要有以下几种: 

一是为消除自激所加的各种补偿电容。 

以图3所示电路为例,接在反馈电阻R11两端的C5为相位补偿电容,用来超前补偿,以抑制电路自激振荡;C3、C8、C9分别接在输入差分管Ql、推动管Q7、Q8的c、b极间,是消振电容(也称中和电容),用来抑制电路振荡、进行相位补偿,以消除电路高频自激。另外,有些功率放大器还在输入端接有一个低通滤波器(图3中由R2、C2组成),限制输入信号的通频带,让有用的音频信号通过,旁路高频信号,抑制输入信号中的高频杂波。 

二是接在OCL电路输出端的扬声器阻抗补偿电路,也称为茹贝尔电路(图3中由R20和Cl0组成),用以抵消扬声器的感抗成分,使放大器的负载接近纯电阻,保证放大器稳定地工作。

三是温度补偿电路。输出功率较大的OCL电路工作时产生的热量对电路的影响较大,所以需要对电路进行温度检测和补偿,以纠正温度变化引起的静态工作点偏移。具体措施是输出级的基极采用带温度补偿功能的恒压偏置电路,这种偏置电路由一只三极管和几只电阻组成(如图3中,由Q6、R14、W2、R15组成),利用三极管的温敏特性,将Q6与功放管一起安装在散热器上,若功放管Q9、Ql0集电极电流上升,功放管发热量必然增大,Q6表面温度随之升高,并通过一系列的反馈过程(从略),最终使功放管的电流下降至正常范围。这样既保护了功放管,又可使输出级的稳定性进一步提高。 

6)OCL功率放大器的供电:OCL功率放大器均采用正、负对称电源供电,使输出端直流电压为0V。供电电压通常为±28V、±35V、±45V等,且有两种供电方式:一种是前、后级电路(这里的前级指输入级、激励级,后级指输出级)供电电压相同,即由同一组电源供电,大部分机器采用这种供电方式;另一种是前、后级分开供电,即前级、后级各由电压不同的两组电源供电,电压一高一低。前、后级分开供电既可降低前、后级电路的相互影响,又可提高电源的利用率。 [page]

(2)实际OCL功率放大电路分析 

1)准互补输出形式的单端推挽OCL功率放大电路:
图2电路是低档功放常采用的准互补输出形式的单端推挽功率放大电路。该电路采用正、负对称电源和差分输入放大等措施,使输出端的直流电压为0V,以便放大器与扬声器直接耦合。电路分为三级,Ql、Q2组成差分输入放大级,R3是发射极公共电阻;激励级是由一只PNP型管(Q3)组成的共发射极放大电路;Q4-Q7组成复合“准互补”推挽功率输出级,其中Q4、Q5为推动管,Q6、Q7为功放管,两个功放管为同极性的NPN型管。 

Q3的集电极输出端接有NPN型的Q4和PNP型的Q5(中间经过R4和Dl),利用不同类型晶体管的互补作用,实现推挽放大所需的“倒相”要求。Q4与大功率管Q6接成NPN型复合管,Q5与大功率管Q7接成PNP型复合管。由它们共同完成接近乙类的准互补对称单端推挽功率放大任务。Q3集电极负载电阻R5、R4和二极管Dl组成推挽放大偏置电路。Rl是Q1的偏置电阻。 Rll既是Q2的偏置电阻,又是交直流负反馈电阻。 

信号流程:从前级来的音频信号从Vi端输入后,经耦合电容Cl加到差分放大管Ql的基极;差分输入级的另一臂(即Q2的基极)引入输出级的负反馈信号。经Ql、Q2差分放大后的信号由Ql集电极直接耦合到激励三极管Q3基极,进行激励放大后也直接耦合到电流放大级。从Q3集电极取出的信号分为两路:一路直接送互补对称放大电路的上臂(由Q4、Q6组成的)NPN型复合管的基极(Q4基极),当信号为正半周时,NPN型复合管导通,输出电流经正电源、Q6、扬声器到地,当信号为负半周时,NPN复合管截止;另一路经R4、Dl(二极管Dl在导通状态,其内阻很小,对交流信号的传递几乎无影响)送互补对称放大电路的下臂PNP型复合管(由Q5、Q7组成的)的基极(Q5基极),当信号为负半周时,PNP型复合管导通,电流经地、扬声器、Q7到负电源,当信号为正半周时,PNP复合管截止这样,两只功放管一推一挽地工作,在输出端合成完整的音频信号,驱动扬声器发声。 

为提高整个放大器的稳定性、减小谐波失真、降低放大器的动态输出阻抗,还从末级的输出中点取出负反馈电压,经由R11、R12、C4构成的反馈网络馈入差分输入级的一臂(Q2基极),其直流负反馈是由输出中点电压经Rll直接加至Q2基极的;而交流负反馈电压则经Rll、R12分压(C4对交流而言视为短路)后加到Q2基极,这个交流负反馈电压的大小,决定着放大电路的增益(放大倍数)。 

C2、C3为防振电容,用来抑制放大器可能出现的高频自激。C2、C3分别是Q3、Q5的中和电容(负反馈电容,也叫滞后补偿电容),可降低Q3、Q5的高频增益,破坏自激的幅值条件。 

2)带温度补偿的OCL功率放大电路:
图3是飞达牌F-9603功放的右声道功率放大电路,音乐输出功率为300W(8Ω)。 

功放电路

该功率放大电路由10个晶体管组成: 

Ql、Q2组成差动放大输入级.Q5是激励级,Q6组成偏置电路.Q7、Q9、Q8、Ql0组成复合互补输出级。 

在差分输入放大电路的输入端,Rl、R2、C2组成了低通滤波电路,用于滤除音频范围以外的高频信号,提高电路的稳定性,抑制电路的高频噪声和自激。在Ql、Q2的发射极引入了电流负反馈电阻R5和W1(合用一个电位器W1),以扩大输入级的有效输入电压范围;差分输入放大器的发射极公共电阻改成了由Q3、R6、R7、Dl、D2组成的恒流源电路,以使电路更加稳定。Q3是恒流源三极管,Dl、D2为恒流管的基极提供偏置基准电压。R5是保险电阻,万一恒流源晶体管击穿短路,可使差动放大级维持工作;R3、R4是Ql、Q2的集电极负载电阻,R3兼作激励管Q5的基极偏置电阻。   

激励级Q5采用恒流源负载的放大器,以保证放大电路的增益和线性。Q4、R9、Rl0、D3、D4组成Q5集电极的恒流源负载,为激励级的稳定工作提供条件,同时对稳定输出级的静态工作点也起了很大的作用。 

因为该电路的输出功率较大,所以需要进行温度检测和补偿,以纠正因温度变化引起的静态工作点偏移。Q6与R14、W2、R15组成具有温度补偿功能的恒压偏置电路。利用激励管Q5的集电极电流在上述元件上形成的电压降,为Q7、Q8,也为Q9、Ql0提供适当的基极偏置,大大降低放大器的交越失真。在一般情况下,输出级所需的偏置电压(从Q6集电极与发射极两端测得)为2.1V左右。本电路利用Q6正向导通时的稳压作用,使输出级得到较稳定的偏置电压;同时,还利用三极管的温敏特性,将Q6与功放管一起安装在散热器上,对功放管的温度变化进行监测和补偿,使偏置电压得到适当的温度补偿,保证电路稳定地工作。调节W2,就可调节功放管的偏置电压,使它工作在甲类、甲乙类、乙类工作状态,本电路工作在甲乙类工作状态。 

信号流程:从前级来的右声道的信号,经Cl、R2送Ql、Q2组成的差分输入放大器放大后从Ql的集成极取出,送激励级三极管Q5进行激励放大。从Q5集电极取出的信号,分为两路;一路直接送互补对称放大电路的上臂(由Q7、Q9组成的)NPN型复合管的基极(Q7基极),当信号为正半周时,NPN型复合管导通,输出电流经正电源、Q9、扬声器到地,当信号为负半周时,NPN复合管截止;另一路经Q6送互补对称放大电路的下臂(由Q8、Ql0组成的)PNP型复合管的基极(Q8基极),当信号为负半周时,PNP型复合管导通,电流经地、扬声器、Q10到负电源,当信号为正半周时,PNP复合管截止。这样,两只功率管一推一挽地工作,在输出端合成完整的音频信号,驱动扬声器发声。 

本电路的级间直流负反馈从输出端通过Rll(C6对直流等于开路)加到Q2基极上,反馈量很大,再加上差动放大器本身的高稳定性,保证了整个放大器的稳定工作。 

而音频交流信号的级间负反馈则经R11、R12分压后(C6的容量较大,对于反馈过来的音频信号相当于通路)加到Q2基极上,使功率放大电路获得稳定的增益,性能也得到改善。调整Rll可改变反馈量,达到调整增益的目的。 

C2、C3、C8、C9为防振电容,用来防止自激振荡。其中,C2为限制输入信号的通频带,让有用的音频信号通过,旁路无用的音频范围以外的高频信号,抑制高频杂波;C3、C8、C9分别是Q1、Q7、Q8的中和电容。 

放大器输出端增加了一个与扬声器串联的小电感L1,其作用一是抵偿扬声器导线的分布电容,提高放大器的高频稳定性,二是防止信号变化时出现较高的瞬时电压,抑制尖峰杂波,改善输出信号的幅频特性。 

电阻R20、电容Cl0组成容性负载,成为扬声器阻抗补偿电路,用以抵偿扬声器的感抗成分,使放大器的负载较接近于纯电阻,放大器工作稳定,不易自激,输出级晶体管不易出现过电压,运行比较安全。

3)全对称式OCL功率放大电路 

图4是中宝(ZBO)KB-18A功放的右声道功率放大电路。

放大电路

该功放采用全对称式OCL电路,使功率放大器的性能得到了进一步的提高。它除了采用复合管、恒流源、恒压温度补偿等措施外,还把OCL电路里的差分输入、激励、功率放大三级电路都设计成互补对称形式,充分发挥了NPN型和PNP型三极管能够互补工作的优点,让信号从输入到输出均处于推挽放大之中,使电路获得了很好的稳定性和保真度。 

电路中,Q3、Q4构成NPN差分放大器,Ql、Q2构成PNP差分放大器,它们共同组成互补对称的差分输入放大级。R32~R40组成输入级的偏置电路,其中R35~R38为各管发射极的电流负反馈电阻;Q5、Q6分别为其恒流源,用来稳定工作点,保证电路工作的稳定。R33、R34,R39、R40为差分管的集电极负载电阻。 

Q7、Q8构成单端推挽电压放大级,并作为功率放大级的激励级,提供足够的电压增益。 

Ql0、Qll为功率放大级的推动管,Ql0与Q13组成NPN复合管.Qll与Q12组成PNP复合管,以获得高放大倍数,这两组复合管构成功率输出级。 

Q9、R48、W2、R49组成输出级的基极恒压偏置电路,为输出级提供适当的偏置电压。调节W2,可以调整功放管的静态工作点,即可以使功率管工作在甲类、甲乙类、乙类工作状态,本电路工作在甲乙类工作状态。另外,还利用三极管的温敏特性,把Q9安装在功放管旁,使偏置电压得到适当的温度补偿,保证电路稳定地工作。 

R41、R42和C36、C37构成负反馈电路,决定整机的闭环增益。C37为交流负反馈提供通路;C36接在反馈电阻R41两端,是相位补偿电容,用来超前补偿,以抑制电路自激振荡。 

C32用于限制输入信号的通频带,旁路无用的音频范围以外的高频信号,抑制高频杂波。C35、C33分别跨接在Q7、Q8的c、b极间,是消振电容(也称中和电容),用来进行相位补偿、抑制电路振荡,以消除高频自激振荡。R57、C38组成扬声器阻抗补偿电路,用以抵偿扬声器的感抗成分,使放大器的负载接近纯电阻,保证放大器稳定地工作。 

信号流程:当输入的音频信号处于“正半周”时,Q3导通、Ql截止,“正半周”信号经Q3、Q4差分放大后,从Q3集电极直接耦合给Q7的基饭,经Q7放大到足够的幅度,激励Q10和Q13输出正半周的功率信号。同理,当输入的音频信号处于“负半周”时,Ql导通、Q3截止,“负半周”信号经Ql、Q2.Q8放大,激励Qll和Q12输出负半周的功率信号。级间直流负反馈从输出端通过R41反馈到Q4,Q2的基极;交流负反馈则从输出端通过R41和R42分压后,再反馈给Q2、Q4基极。

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