-高阻抗(复合管)输入级功率放大器

自举电容补偿电容取样电阻（把R9改为4.7k. R10改为220）下偏5S电阻上偏置电阻高输入阻抗音频功率放大器葛中海如图1所示，这是笔者为中山技师学院电子专业三年级同学，在讲授实用音响电路 一书时，为大家设计的笫一个中功率音频功放电路。在此过程中，要明确如何设置直流工作 点、如何消除交越失真、如何根据散热器的大小确定末级的静态电流等。通过实验制作、电 路调试、交直流参数测试、计算，分析、理解和体验高输入阻抗音频功率放大器的工作原理、 调试方法以及故障排查。高阻抗信号源不适合于输入阻抗较小的放大器。因此，若要与高阻抗信号源匹配，就需 要提高放大器的输入阻抗。比如，将信号输入级直接改成复合管。复合管的接法有多种形成, 最佳方案是釆用如图所示的接法，输入级可以把动态输入阻抗提高到10kG以上。图1 髙输入阻抗音频功率放大器 实物如图2所示。图2实物图娶 OUOMS一、工作原理I 直流通路由图1所示电路可以看出，从电源到地有5条直流通路，各支路参考静态电流也不相同, 见表1。表1 高输入阻抗音频功率放大器的5条直流通路支路需称支路电流所经过的主要元件电流等级偏置支路微安级输入级Q 点13亳安激励级/?8 f 心-* RP2 一 V D l V D?VT l/? 1 °几毫安左右电流放大级/? 13 f VT4VTo* Ra几亳安左右电流输岀级RllVTlRilVTs十几几十亳安2.工作原理&是输入电阻，与G组成低通滤波电路，滤除信号源或电路板引入的杂散高频干扰。r2 为c,提供放电通路，在系统断电后放掉c,残存的电荷。厶&与C" q组成去耦电路，消除输出级电流波动引起的电圧纹波对输入级的影响。C.（瓷片电容）滤除高频，C4 （电解电容）滤除低频。可调电阻RP|与固定电阻禺分压，给晶体管VTo提供合适的静态偏置。调节RP|使输出 端0点的静态电压约为Uc2,因此，正常工作时A点比0点高2个PN结压降，B点比输 出端Q点低1个PN结压降。VT2与组成复合管，等效为一个NPN管，VT3与VT5组合 复合管，等效为一个PNP管。若由于某种原因，致使0点的电压升高，则将有以下自动反馈 平衡过程：Uq Tt% Tt% T （= UE0 So） TIco TtUcq（= UBl） TtUcauq I乩是激励管VTi的集电极交流负载，傀与电解电容C6构成自举电路，提高正半波的输 出幅度。G并联在VT2、VTs基极之间，对RP2、VD1和VD2交流旁路，可使动态工作时的 4<朋减小，一般取值47pF即可。G并联在V的B-C之间，作为高频补偿电容，消除高频 相移，负反馈变成正反馈而引起的自激振荡。电路的总输出经由Go耦合给负载，故单电源电容耦合输出为OTL电路。正半波时，C10 耦合信号给负载；负半波时，CH）充当电源，把存储能量释放（给负载）。C<,与呂§构成''茹贝尔”电路，可以消除叠加于音频信号上的高频寄生振荡。若把VT。组成的差动放大电路等效成集成运放，则其基极、发射极分别相当于集成运放 的同相端和反相端，则电路的交流等效模型相当于同相比例放大器，于是系统的分析就变得 简单了。从交流通路而言，他是反馈电阻，忌是采样电阻，C,给弘的信号提供交流通路。 则电压放大倍数为RAu=1 + H （倍）r7二、静态参数1.静态电压设t/cc=2OV,调节RP|时，测量0点直流电位，使其约为电源电压的一半。然后调节 RP2时（从零到大调节RP2）用数字万用表200mV挡测量弘（或尽“）电压，使其约为5 10mVo根据欧姆定律可知，这时，功率管VT4、VT5集电极静态电流约为2245mA°此时，所有三极管发射结电压都约为0.6V左右，各个三极管都工作在放大状态。实测 电压（测电流要断开路，操作起来不方便）、计算有关参数，如下表：晶体管基极（B）集电极（C）发射极（E）发射结压降说明VTo8.12V992mV8.73V=0.61 V输入管VTi同VT（）集电极9.08V366mV卩阳二"旳-创«26mV激励管vt211.02 V%UBE2 =632mV （直接测量）复合管NPNVT4同VT2发射极%Uq Q9.74V=650mV （直接测量）vt3同VTi集电极UEB3 =648mV （直接测量）复合管PNPVT5同VTs集电极%0£5=651mV （直接测量）说明：;,指VTO的E B压降；指VTO的E极对地电位，/指VTO的B极对 地电位（其它类同）。2.静态工作电流（1）偏置支路的电流忽略VTo基极电压，则RPi、心电流约相等。即心的电流几3为X=,73(UA)（2）输入级（VTo）的电流VT（）发射极电流就是反馈电阻饨的电流，已&两端的压降为Ur6=Uq_Ueq,因此VT（）发射极电流厶。为 9.74-8.732k505 (uA)乂，已测得VTo集电极电压为992mV,因此VTo集电极电流厶。为心=如=如= =496 （uA）co R4 R4 2k则，VTo基极电流人。为/Bo = Z£o-/co =505-496=9 （uA）当我们忽略VTo基极电流时，则VTo发射极与集电极电流基本相等一一这也是功放电 路第一级的静态电流！前面在计算电阻勺电流时，之所以忽略不计VTo基极电流，就是因 为VTo基极电流太小了，为便于计算可以忽略不计。（3）激励级（VTi与他、心支路）的电流已知发射极电压心366mV,则其发射极电流为Z£1=仏=366mV/220 Q 1.66 （mA）Rio又，Irar9 = U*_匕2，由上表可知 "11.02V,则"粽+斛蔦OS山此可以见，当忽略VT2、VT3基极电流时，流过电阻傀、凡的电流与VT1的发射极 电流基本相等一一这也是功放电路第二级的静态电流！（4）输出电流放大级（VT?、VT3）的电流由于心、尺2分别与VT, VT§发射结并联，当忽略V、VT5基极电流时，则VT2、VT3静态电流即为心、心的电流，即UBE4 _ 650山 瓦"220Q295mA2.96mAUBE4 _ 65 1/7? VR2 一 220Q这也是功放电路笫三级的静态电流!（5）输出级（VT4, VTs）的电流VT4, VT5静态电流就是电阻&3的电流。实测（实际用0.25Q）的压降为5mV,贝9静 态电流为/幻3二511）7025 =20mA当然，调节RP2可以增大或减小VT4, VT5静态电流。一般来说，若散热器足够大，功 率管的散热良好，把VTr VT5静态电流可以设为30-50mA均可。这时，系统工作于甲乙类 的靠近屮类状态，失真更小、音质会更好一些一一这也是功放电路第四级的静态电流！从上面的静态电流计算可以看岀，功放电路的静态电流，第一级最小，末级最大，从前 级到后级，一级比一级增大。这正是功放电路静态电流的特点。三、交流参数1、输入级实测波形由上述分析可知，从直流状态而言，晶体管VT（）处于放大状态，但它并不是共射放大电 路的典型接法。VTo放大的不是其基极的单一信号，而是对B-E极信号的差值（见后文放大 倍数分析与计算）进行放大。其中B极是输入信号，E极是输出信号在经在的分压,二者的差值是很小的！他是VTo的交流负载电阻，山于心阻值较小，故VTo单级电路的电 压放大倍数也较小，如图3所示。VT。基极波形VTo集电极波形EBa T诃dM Pos: 0.000s探头 10X Voltaqe 反相CH2 ?ilJi h v M 250AJS4-May-1410:36200MHz伏/格图3 VTu输入、输岀波形Tek JV n TrigdM Pos: 0.000s禺合Voltage关闭反相CH2 20.0riiVEj M 250AJS4-May-1410:39图4 VT】输入、输出波形虽然，两级输入电路单就本级而言都不甚理想，但是山于系统是闭环负反馈，电压放大 倍数与每一级电路无关，而是山反馈电阻和釆样电阻的比值决定。另一方面，交流负反馈也 大大地改善了输出波形失真。2、输入输出信号实测波形（1kHz空载.负载）橙色一一输入；蓝色一一输出（下同）。lek JUH T何dM Pos: 0.000s CURSOR-,b,1 '类型幅度InV 16.8V信源光标18.40VCH2 M10V M 250AJS光标2丄LwA “A A JCH1 I 0.00V图5空载* 16.8VCH2 5.00V M 250AJS光标2-8.10V光标18.40V4-May-1410:50CURSOR类型信源Q0430kHz图6负载（8Q扬声器）3输入输出信号实测波形（10kHz空载.负载）CH2 s.novM 25,0小4-咖10:51CURSOR类型Ml17.8V光标18.80V光标2-3.00VCHI 7 0.00V图7空载Tek JV T 何dCURSORM Pos: 0.000s类型信源* 17.8 V8.80V光标2 -3.00V A.A.l丄 CH1 Z 0.00V4-May-1410:51图8负载（8Q扬声器）4. “茹贝尔”电路的作用当输出级静态电流较小时，若“茹贝尔”电路开路，输出波形会出现叠加于正弦波上 的高频寄生振荡，如图9所示。11:00图9 1kHz输入，空载图10 1kHz输入，负载（8Q扬声器）增大输出级静态电流时，空载时波形能恢复正常，但负载时波形仍然畸变。这说明扬声 器负载对输出信号有影响，山此也能体会到“茹贝尔”电路的重要性。5、高频补偿电容的作用当输出级静态电流设置合适时，若激励管（VT?） BC间高频补偿电容（lOOpF）不慎开 路，既使输出端设有“茹贝尔”电路，负载时输出波形也会出现失真（空载时正常），如图 11、12所示。4-May-1411:13图11 1kHz输入，负载（8Q扬声器）4-May-1411:13图12 10kHz输入，负载（8Q扬声器）由以上两图所示，当高频补偿电容开路时，低频（1kHz）比高频（10kHz）失真严重得 多。听一般音兀时，波形叠加有高频振荡，如图13所示。这时，还会出现在音量变化不大时, 整机电流变化非常剧烈，高时可达I.5A,低时只有儿十毫安现象（笔者观察稳压源的电流表）。M Ros: 0.000sCH1带宽限制囲 00MHz伏/格糅头10XVoltage反相CH2 5.00V M 500AJS4-May-1411:20如图11补偿电容开路时波形叠加高频振荡四、特别现象分析（1）假设常温下，功率管VT. VT?的静态电流为20mA （ &3或知的压降约为5mV）； 当电路工作后，功率管温升增大，静态电流也随之上升，有可能会超过50mA以上，即&3或 的直流压降增大。这种现象的解释如下：通过调节RP2,设置输出级的静态电流，常温25°C时，功放管的 发射结压降U脏对应发射结特性曲线上的/旳。当功率管温度上升55°C后，特性曲线向左平移, 相同的发射结压降卩亚，对应的基极电流增大到厶2。另一方面外，温升后晶体管电流放大倍 数也会增大，两种因素叠加，致使晶体管集电极显著上升。这就是常温和高温时，静态 电流变化的根本原因。图14晶体管发射结持性曲线（2）假设在高温时调节RP2,设置静态电流约为20mA,那么冷态时静态电流更小或根本 没有静态电流，这时电路处于乙类工作状态，可能会出现轻度的交越失真。然而，当电路工 作一段时间功率管发热后，静态电流可能会增大到为30mA以上。如此，电路处于屮乙类工 作状态，交越失真消除。所以，一般有经验的电子工程师说，热机比冷机好听，就是指温升 后，电路达到合适的静态电流了，不存交越失真，所以信号完美，感觉好听。以上分析是基于电源电压不变的情形而得出的。首先，为了消除交越失真，在某一电源 电压下设置输岀级的静态电流约为儿十毫安，A、B两点电压/仏约为1.81.9V。若电源电 压升高，则相应地各支路的电流也随之增大，RP2的压降增大，随之升高至2V以上，输 出级的静态电流显著增大，功率管的发热严重。若电源电压降低，Uab随之下降，不足以抵消VT2、VT3、三只晶体管的发射结压 降，交越失真随之出现。2013-5-12 初稿2013-5-31修改（整理原理丽2014-4-14倚改（元件编兮、讣订公i弋）2014-5-13 修改（元件参数：R. Ill 6.8k4.7k, ill l00Q->220Q）