完整版OCLOTLBTL甲类乙类甲乙类各种放大电路的原理详解优缺点分析以及应用说明.docx
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完整版OCLOTLBTL甲类乙类甲乙类各种放大电路的原理详解优缺点分析以及应用说明
OCL，OTL，BTL，甲类，乙类，甲乙类各种放大电路的原理详解，优缺点分析，以及应用说明
清华大学张小斌（教授）
一．OCL电路
OCL（outputcapacitorless）的英文本意是说没有电容的输出级（这样可以使输出在低频时变得平滑），你一定认为这个称谓怪怪的，那是因为OCL不是最早的职业输出级电路而是最终的。
OTL（OCL从它发展而来）电路的标配有上一句所说的奇怪的电容。
OTL在后面谈论。
之所以说OCL是“最终的”是因为它是最迎合集成电路趋势的（集成电路中最容易制造的类型）。
OCL电路的基本形式如下图所示：
它的最重要的特点是双电源，注意电源在集成电路中可不是什么难题。
正是这个双电源的结构特点让电容下岗了。
Ui作为输出信号，在正的时候T1管发生作用；在负的时候T2管发生作用。
于是能产生一个连续的输出，信号如右图所示。
但是，当信号的电压在-0.6V到0.6V之间（以硅管为例），T1和T2管的导通就成了问题了，这种状况会造成信号输出的交越失真。
面对这个问题，我们只能设置合适的静态工作点，目的就是，在没有Ui时，T1和T2就已经微导通了，那么这个时候来一点点Ui就可以自由的让T1或T2导通。
这是个很有逻辑的想法。
见下面的电路：
这个旨在消除交越失真的电路在从正电源+VCC经R1、D1、D2、R2到负电源——VCC形成一个直流电流的旅行中，必然使T1和T2的两个基极之间产生电压，电压的大小等于两个二极管的压降之和。
这样T1和T2管就均处于微导通状态了。
这种结构稍显幼稚，我们在实际中喜欢采用（b）中的形式，学名Ube倍增电路（注意要是I2远大于Ib），意思是说，合理选择R3、R4的阻值，可以使Ub1、b2得到（1+R3/R4）Ube的直流电压。
为了增大T1和T2管的电流放大系数，减小前级的驱动电流，常采用复合管的架构，复合管前面已经由gemfield讨论过了。
现在就该讨论OTL的情况了，电路如下图：
很明显的是，和OCL相比，它的特点是输出端多了个电容，而且是单电源供电。
图中，T1是一个前置放大级，T2和T3是互补的输出的核心。
事实上，在Vi负半周时，T1基极是正半周，电路借着T2导通，将信号输出至负载，注意这个输出还有一个作用就是电容C2充电；而当Vi是正半轴时，T3导通，C2此刻一跃成为一个电源给T3供电，开始了新的交替轮回。
①OCL电路组成
OCL电路称为无输出电容直接耦合的功放电路。
如图3－13所示。
图中VT1为NPN型晶体管，VT2为PNP型晶体管，当输入正弦信号ui为正半周时，VT1的发射结为正向偏置，VT2的发射结为反向偏置，于是VT1管导通，VT2管截止。
此时的ic1≈ie1流过负载RL。
当输入信号ui为负半周时，VT1管为反向偏置，VT2为正向偏置，VT1管截止，VT2管导通，此时有电流ic2通过负载RL。
由此可见，VT1、、VT2在输入信号的作用下交替导通，使负载上得到随输入信号变化的电流。
此外电路连成射极输出器的形式，因而放大器的输入电阻高，而输出电阻很低，解决了负载电阻和放大电路输出电阻之间的配合问题。
②OCL电路分析计算
图3－14表示OCL电路的工作情况。
ui正半周时，VT1导通，则在一周期内VT1导通时间约为半周期，VT2的工作情况和VT1相似，只是ui的负半周导通。
为了便于分析，将VT2的输出特性曲线倒置在VT1的输出特性曲线下方，并令二者在Q点，即uCE＝UCC处重合，形成VT1和VT2的所谓合成曲线。
这时负载线通过UCC点形成一条斜线，其斜率为－1／RL。
显然，允许的ic的最大变化范围为2Icm，uce的变化范围为2（UCC－UCES）＝2Ucem＝2IcmRL。
如果忽略管子的饱和压降UCES，则Ucem＝IcmRL≈UCC。
根据以上分析，不难求出OCL电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率和效率。
二．OTL电路
OTL（outputtransformerless）它是一种没有输出变压器的功率放大电路。
过去大功率的功率放大器多采用变压器耦合方式（想着gemfield前文中的变压器耦合），以解决阻抗变换问题，使电路得到最佳负载值。
但是，这种电路有体积大、笨重、频率特性不好等缺点，目前已较少使用。
OTL电路不再用输出变压器，而采用输出电容与负载连接的互补对称功率放大电路，使电路轻便、适于电路的集成化，只要输出电容的容量足够大，电路的频率特性也能保证，是目前常见的一种功率放大电路。
而OTL的特点是：
采用互补对称电路，有输出电容，单电源供电，电路轻便可靠。
它是一种没有输出变压器的互补对称功率放大电路，电路轻便并适于电路的集成化。
OTL电路是输出通过电容C与负载RL相耦合的单电源功放电路。
图3－17为OTL电路原理图，其中C为容量较大的输出耦合电容。
在无输入信号时，VT1、VT2中只有很小的穿透电流通过，若两管的特性对称，则C上将被充电至电压为UCC/2。
当输入信号ui（设为正弦电压）在正半周时，VT1的发射结为正向偏置，VT2的发射结为反向偏置。
VT1导通，VT2截止，UCC通过VT1对电容器C充电，负载电阻RL中的电流方向如图中实线箭头所示。
当输入信号ui在负半周时，VT1的发射结为反向偏置，VT2的发射结为正向偏置。
VT1截止，VT2导通。
这时的电容器C起负电源的作用，通过VT2对负载电阻RL放电，负载中的电流方向如图中虚线箭头所示。
这样就在负载中获得了一个随输入信号而变化的电流波形。
图3－18是一例常见的OTL电路。
图中R3是晶体管VT1的集电极负载电阻。
R4、VD1、VD2用来使三极管VT2、VT3建立一个偏置电压，以减小交越失真。
为了提高OTL电路的输出功率，一般要加前置放大级（即推动级）。
前置放大级由Rb1、Rb2、VT1和R3组成。
前置放大级的偏置电阻Rb1不接到电源UCC上，而是接到A点。
这是为了取得直流电压负反馈，以保证静态时A点电位稳定在UCC／2，而不受温度变化的影响。
例如，当环境温度升高时，由于VT1的集电极电流增大，引起R3、R4上的电压降增大，使B点对地电压UB降低。
因而A点电位UA＝UB－UBE2－UR5也下降。
但由于Rb1接至A点，UA的降低使UB1也降低，这就导致了VT1的基极电流减小，从而牵制了IC1的上升，使UA基本上恢复到原来的数值。
三极管VT2、VT3应为特性一致的互补管。
它们和R5、R6组成功率放大电路的输出级。
当输入信号为负半周时，B点和C点电位升向，VT2导通，VT3截止，这时电源UCC通过VT2对C充电，在RL上产生正方向电流。
当输入信号为正半周时，B点和C点的电位降低，VT2截止，VT3导通，这时C通过VT3对RL放电，产生反向电流。
图中VD1、VD2起温度补偿作用；R5、R6是一个小电阻，若负载短路，它对VT2、VT3有一定的限流保护作用。
值得指出的是，OTL电路中每个管子的工作电压不是UCC，而是UCC／2（输出电压最大值只能达到约UCC／2）所以前面导出的计算Po、PT和PU的公式必须加以修正。
由此可知，OTL电路的最大输出功率（理想）
三．BTL电路
对于BTL（BalancedTransformerLess平衡时无变压器放大电路）来说，电路的特点是：
双电源供电、不需输出电容、频率特性好、可以放大变化缓慢的信号。
电路如下图：
BTL功率放大器，其主要特点是在同样电源电压和负载电阻条件下，它可得到比OCL或OTL电路大几倍的输出功率，其工作原理图如图所示。
静态时，电桥平衡，负载RL中无直流电流。
动态时，桥臂对管轮流导通。
在ui正半周，上正下负，V1、V4导通，V2、V3截止，流过负载RL的电流如图中实线所示；在ui负半周，上负下止，V1、V4截止，V2、V3导通，流过负载RL的电流如图中虚线所示。
忽略饱和压降，则两个半周合成，在负载上可得到幅度为UCC的输出信号电压。
平衡式放大器究竟有什么好处呢?
它的直接好处是在相同的工作电压下，能够向负载提供2倍的输出电压，转换成输出功率为单路输出的4倍，这是理论上的计算值，实际输出能力受电源系统功率的影响和晶体管热损耗影响，一般能够达到2.5倍左右，并有助于消除偶次谐波失真，一般可以做到失真度小于0.01％。
第二个好处是输出电流能力比推挽电路要强，由于在相同的工作电压下，平衡式放大器的输出功率是普通推挽的2～3倍，这意味在相同的输出功率下，平衡式放大器的工作电压要低一些，换算到晶体管上的电流处理能力要大许多。
本文介绍的OCL、OTL、BTL放大电路因为在驱动扬声器负载方面的应用比较广泛，因而会频繁遇到。
四．甲类，乙类，甲乙类电路
甲类（Class-A）放大器的输出晶体管（或电子管）的工作点在其线性部分中点,不论信号电平如何变化,它从电源取出的电流总是恒定不变,它是低效率的,用作声频放大时由于信号幅度不断变化,其实际效率不可能超过25%,可由单管或推挽工作。
甲类放大器的优点是无交越失真和开关失真,而且谐波分量中主要是偶次谐波,在听感上低音厚实、中音柔顺温暖、高音清晰利落、层次感好,十分讨人喜欢。
但一直因为耗电多,效率低,容易发热和对散热要求高而未能在大功率的放大器中得到广泛应用。
由于器件长期工作于大电流高温下,容易引起可靠性和寿命方面的问题,而且整机成本高,所以制造甲类功率放大器出名的厂家,现在已大多停止生产晶体管甲类功率放大器。
乙类（Class-B）放大器的偏置使推挽工作的晶体管（或电子管）在无驱动信号时,处于低电流状态,当加上驱动信号时,一对管子中的一只在半周期内电流上升,而另一只管子则趋向截止,到另一个半周时,情况相反,由于两管轮流工作,必须采用推挽电路才能放大完整的信号波形。
乙类放大器的优点是效率较高,理论上可达78%,缺点是失真较大。
甲乙类（Class-AB）放大器在低电平驱动时,放大器为甲类工作,当提高驱动电平时,转为乙类工作。
甲乙类放大器的长处在于它比甲类提高了小信号输入时的效率,随着输出功率的增大,效率也增高,虽然失真比甲类大,然而至今仍是应用最广泛的晶体管功率放大器程式,趋向是越来越多的采用高偏流的甲乙类,以减少低电平信号的失真。
五．TDA2030应用举例
TDA2030是德律风根生产的音频功放电路，采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。
如图所示，按引脚的形状引可分为H型和V型。
该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、谐波失真和交越失真小等特点。
并设有短路和过热保护电路等，多用于高级收录机及高传真立体声扩音装置
。
意大利SGS公司、美国RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同类产品生产，虽然其内部电路略有差异，但引出脚位置及功能均相同,可以互换。
电路特点：
[1].外接元件非常少。
[2].输出功率大，Po=18W（RL=4Ω）。
[3].采用超小型封装（TO-220）,可提
高组装密度。
[4].开机冲击极小。
[5].内含各种保护电路，因此工作安全可靠。
主要保护电路有：
短路、过热、地线偶然开路、电源极性反接（Vsmax=12V）、负载泄放电压反冲等。
极限参数：
如表1所示。
表1TDA2003极限参数（TA=25℃）
参数名称
符号
参数值
单位
电源电压
Vcc
±18
V
输入电压
Vt
±18
V
差分输入电压
Vi
±15
V
输出峰值电流
IO
3.5
A
功耗
PD
20
W
结温
Ti
-40～+150
℃
工作环境温度
Topt
-30～+75
℃
贮存温度
Tstg
-40～+150
℃
封装形式：
TDA2030为5脚单列直插式，如上图1所示
电气参数：
如表2所示
表2：
TDA2030电气参数（Vcc=±14V，TA=25℃）
参数名称
符号
测试条件
最小值
典型值
最大值
单位
电源电压范围
VCC
±6
±18
V
静态电源电流
ICCQ
Vcc=±18V
40
60
mA
电源电流
ICC
Po=14W，RL=4Ω
Po=9W，RL=8Ω
900
500
mA
输入偏置电流
IB
Vcc=±18V
0.2
2
mA
输入失调电压
VI
Vcc=±18V
±2
±20
mV
输入失调电流
II
Vcc=±18V
±20
±200
mA
输出功率
Pd
THD=0.5%
Gvc=30dB
f=40～15000Hz
RL=4Ω
RL=8Ω
12
8
15
10
W
W
谐波失真度
THD
Gvc=30dB
f=40～15000Hz
Po=0.1～12W
RL=4Ω
Po=0.1～12W，RL=8Ω
0.1
0.1
0.5
0.5
%
%
输入灵敏度
Vis
Gvc=30dB，f=1KHz
Po=12W，RL=4Ω
Po=8W，RL=8Ω
215
250
mV
mV
频带宽度
BW
Gvc=30dB，Po=12W，RL=4Ω
10～14000
Hz
输入阻抗
Ri
（1）脚
0.5
5
MΩ
开环电压增益
GVC
90
dB
闭环电压增益
GVC
f=1KHz
29.5
30
30.5
dB
输入噪声电压
VNI
BW=22Hz～22KHz，RL=4Ω
3
10
μV
输入噪声电流
INI
BW=22Hz～22KHz，RL=4Ω
80
200
pA
电源波纹
抑制比
KSVR
RL=4Ω，Gvc=30dB，Rg=22KΩ，Vgp=0.5Vcc
fip=100Hz
40
50
dB
过热截止时壳温
RR
PD=12W
110
℃
典型应用电路：
各元器件的作用：
元器件
推荐值
作 用
比推荐值大时
对电路的影响
比推荐值小时
对电路的影响
R1
150K
闭环增益设置
增大增益
减小增益
R2
4.7K
闭环增益设
减小增益
增大增益
R3
100K
同相输入偏置
增大输入阻抗
减小输入阻抗
R4
1Ω
移相，稳定频率
感性负载有振荡危险
R5、R6
均100K
同相输入端偏置
电源消耗增大
C1
1u
输入隔直
提高低频截至频率
C2
22u
反相隔直
提高低频截至频率
C5
100u
低频退耦
有振荡的危险
C3
100n
高频退耦
有振荡的危险
C6
2200u
输出隔直
提高低频截至频率
C7
220n
移相、稳定频率
有振荡的危险
D1、D2
输出电压正负限幅保护
注意事项：
TDA2030具有负载泄放电压反冲保护电路，如果电源电压峰值电压40V的话，那么在5脚与电源之间必须插入LC滤波器，以保证5脚上的脉冲串维持在规定的幅度内。
热保护：
限热保护有以下优点，能够容易承受输出的过载（甚至是长时间的），或者环境温度超过时均起保护作用。
与普通电路相比较，散热片可以有更小的安全系数。
万一结温超过时，也不会对器件有所损害，如果发生这种情况，Po=（当然还有Ptot）和Io就被减少。
印刷电路板设计时必须较好的考虑地线与输出的去耦，因为这些线路有大的电流通过。
装配时散热片与之间不需要绝缘，引线长度应尽可能短，焊接温度不得超过260℃，12秒。
虽然TDA2030所需的元件很少，但所选的元件必须是品质有保障的元件。
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