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为什么OTL电路中不能随意省去自举电路?(对三管小功放一帖的理论分析)
为什么OTL电路中不能随意省去自举电路?

现在网上流传的一些OTL功率放大电路省去了自举电路,甚至一些商业套件中也这样做,实际上这样的电路是存在很大缺陷的,甚至是几乎不能用的。下图是一个省去了自举电路的OTL电路(来源于网络)。



为了分析方便,给电路中的元件加上如下标识:

C1:47μ
C2:1000μ
R1:5.6k
R2:1.5k
R3:470Ω
R4:22Ω
R5/R6:3.3Ω(2只)
VD1/VD2:1N4148(2只)
VT1:9014
VT2:8050
VT3:8550

其中VT2和VT3组成推挽输出互补管(以下简称推挽管),VT1是推动管。分析电路时,为了简单起见,忽略稳定工作点的元件以及VT2/VT3的偏置电路元件,因此R4、R5、R6、VD1和VD2都暂时忽略。

电路中,VT2和VT3的集电极交流接地,输出连接到VT2和VT3的发射极上,显然推挽管工作于共集电极电路(射极跟随器)状态,因此推挽管只有电流放大作用,没有电压放大作用,输出电压变化幅度完全取决于推挽管基极电压变化幅度,也就是推动管VT1集电极电压变化幅度。

设电源电压为VCC,由于OTL电路中点电压的限制,推动管VT1的静态集电极电压只能是VCC/2,输入信号正半周时,推动管vCE下降,如果输入信号正半周幅度足够大,推动管趋向于饱和,vCE接近0,于是VT1集电极电压也接近0,VT3得到充分激励,负载上得到足够幅度的输出。

输入信号负半周时,推动管vCE上升,如果输入信号负半周幅度足够大,推动管趋向于截止,由于VT2的基极电流要流经推动管负载电阻R3,因此R3上总有一定的压降,即使VT1趋向于截止,VT1集电极电压受到R3上压降的限制,不可能接近VCC,VT2得不到充分激励,负载上得不到足够幅度的输出。

因此,这个OTL电路中,推挽管VT2和VT3的激励是不平衡的,VT3能得到充分激励,VT2却得不到充分激励,严重限制了OTL功率放大电路性能的发挥。这个电路在实际应用中,输出功率大一点就容易发生削波,严重时,甚至会出现断断续续发声的现象。

为了解决VT2和VT3激励不平衡的问题,可以有以下几种解决问题的思路:

1、尽量减小推动管负载电阻R3的阻值,使得R3上的压降减小,进而使得VT2尽量得到充分激励。但推动管负载电阻R3本来就会消耗一定的推动功率,如果减小R3的阻值会导致R3消耗更多的推动功率,也会降低OTL功率放大电路的性能,因此这不是一种好的思路。

2、将VT1单管推动电路换成输出电压幅度能在接近0到接近VCC之间摆动的推动电路。使用运算放大器推动的OTL电路(包括使用运算放大器推动的OCL电路)属于这种思路,目前应用较为广泛。

3、将推动管负载电阻R3更换为恒流源,恒流源在流过VT1集电极电流和VT2基极电流的同时,自身的压降可以很小,这样使得VT1集电极电压可以在接近0到接近VCC之间摆动,VT2和VT3的激励自然就平衡了,同时恒流源的交流电阻接近无穷大,基本不消耗推动功率。集成功放中基本都使用这种思路。

4、将R3上端连接到一个比VCC电压更高的电源上,这样即使有R3上的压降,VT1集电极电压还是可以接近VCC,VT2即可得到充分激励。自举就属于这种思路。

因此,OTL电路中的自举电路是不能随意省去的,自举对于平衡推挽管的激励有着重要作用。如果一定要取消自举电路,对于分立元件组成的OTL电路,可以用恒流源取代推动管负载电阻,恒流源可以用恒流二极管(适用于电源电压较高的情况),也可以用晶体管和稳压管组成恒流源(通用性较好)。

实际上,对于前述电路,实现简单自举非常容易,根本无需添加任何元件,方法如下:

1、将C2极性反接;
2、将扬声器接地的一端改接电源正极;
3、将R3接电源正极的一端改接到扬声器另一端(即C2正极)。

这样,C2和扬声器就同时兼作自举电容和自举电阻。

最后,换一个角度分析自举电路的作用。推挽管工作于射极跟随器状态,射极跟随器相当于引入了强烈的电压负反馈,功率增益较低,推动管负载电阻又白白消耗了推动功率,因此OTL电路的增益更低,为了提高OTL电路的增益,可以有以下两种思路:

1、引入自举,自举实际相当于一种正反馈,部分抵消射极跟随器本身的负反馈,实际将推挽管的工作状态变成了共发射极工作状态,提高了增益。

2、将推动管负载电阻更换为恒流源,恒流源的交流电阻接近无穷大,基本不消耗推动功率,这样推动功率就基本全部用来推动推挽管,同样可以提高增益。
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