前言
今天開始寫功率放大電路
功率放大電路的特點
- 要向負載提供足夠大的輸出功率，即電壓放大與電流放大。
- 最大輸出功率：$$P_{om}=\frac{U_{cem}}{\sqrt{2}}\cdot\frac{I_{cm}}{\sqrt{2}}=\frac{1}{2}U_{cem}I_{cm}$$\(U_{cem}和I_{cm}\)分別為集電極輸出的正弦電壓和電流的最大幅值。
- 功率放大電路的效率：$$\eta=\frac{P_{o}}{P_V}$$\(P_{o}\)為放大電路輸出給負載的功率，\({P_V}\)為直流電源\(V_{CC}\)提供的功率
推挽電路
如下圖所示
由圖可知，在輸入信號的正半周期時，\(VT1\)導通，\(VT2\)截止；在負半周期時，\(VT2\)導通，\(VT1\)截止；兩個三極管在不斷地交替導通和截止，兩者的輸出在負載上合並得到完整周期的輸出信號。這種電路稱為推挽電路。
當輸入電壓為零時，兩個三極管均截止，靜態功耗為零。
加上正弦輸入電壓后，兩個三極管輪流導通，三極管的平均功耗相對較小，使直流電源提供的功率較多地傳送給負載。
OTL互補對稱電路
由我上一篇寫的共集電極放大電路與Multisim仿真學習筆記可知，當負載電阻過小時，射極跟隨器輸出波形底部會被截去。為改善這種缺點，將發射極負載電阻換成PNP型晶體管，如下圖所示
使用配對的PNP型2N5401三極管代替發射極負載電阻。npn型三極管將電流推給負載，PNP型三極管吸收電流，所以稱為推挽型射極跟隨器。該電路輸入輸出波形如下圖所示
可見當負載為\(100\Omega\)時，取出了\(\pm23mA\)的電流，但輸出波形底部並沒有被截去。不過，在\(0V\)附近出現了交越失真，這是因為基極與發射極電位差小於0.7V，三極管截止，所以在輸出波形中央產生\(\pm0.7V\)的盲區。
像這種輸出端省去變壓器，輸入端通過大電容\(C_1\)連接兩個三極管的基極，輸出端通過大電容\(C_2\)連接負載，稱為OTL電路。
上面電路為OTL乙類互補對稱電路（每管的導電\(180^\circ\)，稱為乙類電路；上一篇寫的射極跟隨器導電\(360\circ\)，稱為甲類電路；兩者間為甲乙類電路）。可測得此電路靜態基極電位\(U_B=6V\).
另外，經過對此電路測試，可知當輸入信號一定時，兩個三極管的基極電流與負載存在以下關系$$I_C=\frac{V_{CC}/2-U}{R_L}$$輸入3V正弦信號時，此電路集電極電流$$I_C{\approx}\frac{6V-5V}{100\Omega}=10mA$$\(I_C\)的最大電流為$$I_{cm}=\frac{V_{CC}/2-U_{CES}}{R_L}$$
為改進改電路存在的交越失真，加入二極管消除晶體管的盲區，如下圖
加入2N4007二極管后可見\(U_{B1}=6.5V\)，\(U_{B2}=5.5V\)，而發射極電壓\(U_E=6V\),使得兩個三極管的基極與發射極間的電位差為\(0.5V\),所以輸入信號在\(0V\)附近變化時，發射結能導通。可見二極管的壓降抵消了晶體管的\(U_{BE}\)，消除了交越失真。波形如下圖
然而，由於溫度的升高，使得\(U_F>U_{BE}\),輸入電壓為\(0V\)時也導通，導致集電極電流作為空載流動，導致加大集電極電流，造成熱擊穿。可改進成下圖形式
\(R_5\)和\(R_6\)作用是防止空載時集電極電流過大，但也會使得輸出阻抗增加。
二極管用三極管代替，得$$U_B=U_{3CE}=(R_3+R_4)i=\frac{R_3+R_4}{R_3}\cdot{U_{3BE}}$$改變\(R_4\)與\(R_3\)之比，將\(U_B\)設為\(2U_{3BE}\)，即\(U_B=U_{1BE}+U_{2BE}\)（理想認為\(U_{3BE}=U_{1BE}=U_{2BE}\)，但實際上由於晶體管的不同，調整\(R_3\)或\(R_4\)使\(U_B=U_{1BE}+U_{2BE}\)即可）。
上圖實驗\(U_B=1.379V\)時,輸出波形幾乎貼近於輸入電壓波形，如下圖所示
小型功率放大器設計
例：設計電壓增益\(20dB\)，輸出功率\(0.2W\)以上（\(8\Omega\)負載）的功率放大器。
前置電路為共發射極放大電路，后置電路為設計跟隨器，如下圖
1. 確定直流電源電壓
電源電壓由輸出功率決定$$U_o=\sqrt{P_o\cdot{Z}}=\sqrt{0.2W\times{8\Omega}}=1.26V$$$$V_{p-p}=2\sqrt{2}U_o=3.6V$$
這里選12V單電源。
2. 確定共射放大電路
負載電流峰值為\(1.8V/8\Omega=225mA\),則共射放大電路提供的基極電流為\(225mA/\beta=1.7mA\)共射極放大電路集電極電流要比其大得多，取\(10mA\)。
發射極電位取\(2V\),則發射極負載電阻為\(2V/10mA=200\Omega\)
根據第一篇講的晶體管放大電路與Multisim仿真學習筆記，計算得\(R1\)取\(4k\Omega\)，\(R_2\)取\(12k\Omega\)。
將\(Q_4\)集電極電位定為\(7.4V\),則$$R_9=\frac{12V-7.4V}{10mA}=460\Omega$$取標稱值電阻\(470\Omega\)。
取\(R_3=22\Omega\)，\(R_4=180\Omega\),則電壓放大倍數約為21倍（由於損耗，需要高於要求的放大倍數）。
3. 射極跟隨器偏置電路
取流過\(R_5\)與\(R_6\)的電流為\(10mA/10=1mA\)，則$$R_5=\frac{u_{BE}}{I}=\frac{0.7V}{1mA}=700\Omega$$取標稱值電阻\(680\Omega\),由上面講的可知，\(R_6\)與\(R_5\)相同即可。
4. 確定設計跟隨器發射極電阻
\(R_7//R_8\)取負載電阻十分之一以下，這里取\(R_7=R_8=0.5\Omega\)，此外調整電路空載時\(Q_1\)和\(Q_2\)發射極間的壓降到希望的值。將空載電流（輸入信號為零）設為\(30mA\)，調整\(R_6\)使其壓降為\(30mV(1\Omega\times30mA)\)。
5. Multisim仿真驗證
設置好參數進行仿真，如下圖
可見\(8\Omega\)負載時，該功率放大器電壓放大倍數為$$1.277V/125.672mV\approx10.16倍(理論計算得負載電壓為1.26V，滿足要設計要求)$$
輸出電流為$$159.645mA(理論峰值電流為225mA，有效值為159mA,滿足要求)$$則輸出功率為$$P_o=1.277V\times159.645mA\approx0.2W$$
前置射極放大電路與后置射極跟隨器輸出電壓波形如下圖
OCL互補對稱電路
由於OTL電路輸出端通過大電容連接負載，在低頻時容易失真，而且大電容由電感效應，高配時將產生相移，並且大電容無法用於集成電路。
將輸出端大電容去掉，兩個三極管分別用兩路正負直流電源供電，這種電路稱為OCL電路，如下圖所示
根據上面所學的方法設計好電路，該電路輸出電壓波形圖如下所示
完美的輸出波形。好啦，本篇完結！