在日常生活中,我们很少见到使用单三极管输出的功率
放大电路,因为它的输出功率较小且效率低。如今,更常用的是推挽电路。下面是图1,展示了采用耦合变压器的推挽电路原理。这种电路的特点是三极管的静态工作电流接近于零,从而使放大器的功耗非常低。当有信号输入时,尽管电路的工作电流很大,但大部分功率被输出到负载上,自身损耗较小,因此功率利用率高。在这个电路中,每个三极管只在半个信号周期内工作。为了避免失真,采用了两只三极管协调工作的方式。
在图中,输入变压器B1的次级有一个接地的中心抽头。当音频信号输入时,B1次级将两个大小相等、极性相反的信号分别送到BG1和BG2的发射结。在输入信号的正半周时间内,由于BG1管加上了反向偏压,它截止了,只有BG2能够放大信号并从集电极输出;而在信号负半周,BG1得到正高偏压,能够放大这个周期的信号输出,而BG2却截止了。尽管电路中的这两只三极管分别放大了信号的半个周期,它们的输出电流先后通过输出变压器B2,因此在B2的次级上形成了一个完整的输出信号。
然而,在这个功放电路中,为了解决阻抗匹配和信号相位等问题,输入与输出变压器是必不可少的。然而,制作高质量的变压器在材料和工艺上都相对困难,并且变压器本身总会消耗一部分能量,从而降低电路的效率。此外,变压器的频率特性也不理想,导致电路对不同频率信号的输出不均匀,可能产生失真。因此,为了提高功放的质量,人们更倾向于使用无变压器(OTL)功率放大电路。
图2展示了互补对称推挽功放电路原理。该电路采用了两只性能相同、导通方向相反的三极管(被称为互补管)。图中的BG1是NPN管。当放大器输入的交流信号的正半周到来时,对于BG1管来说,基极电压为正,发射极为负,发射结处于正向偏压状态,从而使得三极管能够工作。而BG2则因为发射结加上了反向偏压而截止。因此,在信号的正半周内,由BG1管放大信号。而在信号的负半周时,情况正好相反,BG2管能够工作并放大信号。经过放大后的信号会轮流由这两只三极管送出,并在扬声器中重新合成完整的信号。
在推挽电路中,两只三极管各自放大信号的半个周期。为了避免明显的失真,要求两只三极管的放大性能相似,即β值相差不超过10%。否则,在两个半周期内,放大后的信号幅度将不同,导致交越失真的问题。在上面的原理图中,三极管没有加入静态偏流。当输入信号很弱时,三极管的放大能力也很小,甚至因发射结无法导通而失去放大作用。因此,当输入信号接近零时,也就是在两只推挽管轮换工作开始和结束的时候,输出信号无法很好地衔接,产生严重的失真。为了解决这些问题,许多实际应用电路需要给三极管加上一个很小的正偏压,以提高电路的效率并减小失真。
图3展示了一个常见的功放电路,通常用于收音机中。通过调节偏置电阻R8,可以调整静态工作电流,一般两个三极管的总静态集电极电流为4~8mA。负反馈电阻R10用于减小失真并降低对三极管"配对"的要求。为了减小输入信号在R9和R10上的损失,它们的阻值都较小。电容C7用于改善音质。
在原理图中使用了两组电源供电,但实际使用起来不太方便。因此,在负载扬声器上串联了一个大容量电容C64。对于音频电流来说,C64可以被视为一个通路。当输入信号为正半周时,BG13管的输出电流通过扬声器充电C64,在其上产生极性为"左正右负"的电压。当信号为负半周时,BG13截止,电容C64通过BG14和扬声器放电,同时也为BG14提供了电源。这样,只需使用一组电源,就能使电路正常工作。
为了减小失真,电路还需要为三极管提供静态电流。电阻R73不仅是前级电压放大管BG12(未在图中显示)的负载,也是互补功放管的基极偏流电阻。当BG12的输出电流通过R73和二极管BG39时,在它们上产生的电压降即为BG13和BG14两管发射结的偏压之和(可以忽略两管发射极的电阻)。这个电压的大小决定了互补功放管的工作电流。调整R73的阻值或通过它的前级工作电流变化都会影响功放管的工作点,因此在调整时需要注意。
在这个电路中,串联在R73上的二极管BG39起到了稳定互补管静态工作点的关键作用。BG39是一只硅二极管,当通过电流时会产生约0.7V的电压降。随着环境温度的升高,二极管的正向电阻会减小,从而导致两端的电压降也减小。这样就能够抵消因温度升高而导致工作电流增大的趋势,稳定互补功放管的基极偏压。同时,电阻R74与二极管并联,以防止二极管断路损坏时功放管因过大电流而损坏。
在这个电路中,电容C63扮演着非常重要的角色。对于音频信号来说,可以将电源视为一个通路,因此BG13的集电极和BG14的集电极都是"交流接触地"。如果没有C63,信号将在基极和集电极之间传输。这种以集电极作为输入和输出信号的公共端的"共集电极连接方法"具有较低的增益,不适用于功率放大器电路。但是,一旦连接了C63,它对音频信号可视为通路,因此输入信号通过R72添加到BG13的基极和发射极上;对于BG14,则是通过R73、R72加到基极和发射极上。这样,电路就变成了一种具有更高增益的"共射极连接法",从而大大提高了输出功率。电阻R71的作用是起到隔离作用,确保BG13的集电极与发射极之间不会直接短路。