01 OCL电路的组成及工作原理
为了消除基本OCL电路所产生交越失真,应当设置合适的静态工作点,使两只放大晶体三极管均工作在临界导通或微导通状态。能够消除交越失真的OCL电路如图1所示。
图(1)消除交越失真的OCL电路
在上图中,静态时,从 12V经过R5、R6、D1、D2、R7、R8到GND有一个直流电流,它在Q1和Q2管两个基极之间所产生的电压为Ub1b2=UR6 UD1 UD2 UR7,使Ub1b2略大于Q1管发射结和Q2管发射结开启电压之和,从而使两只管子均处于微导通态,即都有一个微小的基极电流,分别为Ib1和Ib2。调节R6和R7,可使发射极静态电位Vout为0V,即输出电压Vo为0V.
当所加信号Ui按正旋规律变化时,由于二极管D1、D2的动态电阻很小,而且R6和R7的阻值也比较小,因而可以认为Q1管基极电位的变化与Q2管基极电位的近似相等,即Ub1≈Ub2≈Ui。
也就是说,可以认为两管基极之间电位差基本是一个恒定值,两个基极的电位随Ui产生相同变化。这样,当Ui>2.5V且逐渐增大时Vbe1逐渐变大,Q1的基极电流Ib1随之增大,发射极电流Ie1也必然增大,负载电阻RL上得到正方向的电流;与此同时,Ui的增大使Veb2减小,当减小到一定数值时,Q2管截至。同样道理,当Vi<2.5v且逐渐减小时, Veb2逐渐增大,Q2的基极电流Ib2随之增大,发射极电流Ie2必然也会增大,负载电阻RL上得到负方向的电流;与此同时,Ui的减小,使Vbe1减小,当减小到一定数值时,Q1管截至。这样,即使Ui很小,总能保证至少有一个晶体三极管导通,因此消除了交越失真。Q1和Q2管在Ui的作用下,其输入特性的中的图解分析如图3所示:
图(1.1) 输入特性的中的图解分析
Q1和Q2静态工作点以下,输入信号越大到越小,到Q1截至,Ui无信号,Q1又回到了静态工作点电流。
输入信号越小到越大,到Q2截至,Ui很小的时候(无信号),Q2又回到了静态工作点电流。
综上所述,输入信号的正半周主要是Q1管发射极驱动负载,负半周主要是Q2管发射极驱动负载,而且两管的导通时间都比输入信号的半个周期要长,即在输入电压很小的时候,两只管子同时导通,因而他们工作在甲乙类状态。
值得注意的是,若静态工作点失调,例如R6、D1、D2、R7中的任意一个元器件虚焊,则从12V经过R5、Q1管的发射结,R9R10,Q2的发射结到R8到GND形成一条通路,有较大的基极电流Ib1和Ib2流过,从而导致Q1和Q2有很大的集电极电流Ic1和Ic2,且每只管子的最大管压降VCE都约等于12V,以至于Q1和Q2管可能因为功耗过大而损坏。因此,R9和R10的作用就非常重要了,可以分担Q1Q2 的VCE的压降。
02 OCL电路的的输出功率及效率
功率放大电路最重要的技术指标是电路的最大输出功率Pom及效率η ( 伊塔)。为了求解Pom,需首先求出负载上能够得到的最大输出电压幅值。当输入电压足够大,且有不产生饱和失真时,电路的分析如图3.2所示。
图中的I区为Q1的输出特性,II区为Q2的输出特性。因两只管子的静态电流很小,所以可以认为静态工作点在横轴上,如上图所标注的,因而最大输出电压幅值等于电源电压减去晶体管的饱和压降,即(Vcc-Vces1)。
实际上,即使不画出图形,也能得到同样的结论。可以想象,在正旋波的正半周,Ui从0逐渐增大,输出电压也随之逐渐增大,Q1管的CE管压降必然逐渐减小,当管压降下降到饱和压降时,输出电压达到最大值,其值为(Vcc-Vces1),因此最大不失真输出电压的有效值:
Uom=(Vcc-Vces1)/
,假设三极管参数等一样,饱和压降也一样,即Vces1=-Vces2=Vces。
最大输出功率:Pom=Uom^2/R=(Vcc-Vces)^2/2RL 2R9 或R10 一个周期内回路阻抗2RL 2R9
在忽略基极回路电流的情况下,电源Vcc提供的电流:
Ic=(Vcc-Vces)/RLsinwt
电源在负载获得最大交流功率时,所消耗的的平均功率等于平均电流于电源电压之积,
Pv=1/Π
(Vcc-Vces)/RLsinwt*Vcc dwt=2/Π*Vcc(Vcc-Vces)/RL
整理后得到,转换效率
η.=Pom/Pv=Π/4*(Vcc-Vces)/Vcc
在理想情况下,即饱和管的压降可忽略不计,R9和R10比较小忽略不计(Q1和Q2射极负反馈电阻),的情况下
Pom=Uom^2/RL=Vcc^2/2RL
Pv=2/Π*Vcc^2/RL
η.=Pom/Pv=Π/4=78.5%
这里应当注意,大功率饱和管压降为2-3v,因而一般情况下不能忽略饱和管的压降,即不能用上面的三个式子。
03 OCL电路中晶体管的选择
在功率放大电路中,应根据晶体管所承受的最大管压降Vces、集电极最大的电流Icm和最大的功耗来选择晶体管。
1、最大的管压降
从OCL电路工作原理的分析可知,两只功放管中Q1和Q2处于截至状态的管子将承受较大的管压降。假设输入电压Ui为正半周,Q1导通,Q2截至,当Ui从0开始增加到峰值时,Q1和Q2管的发射极电位Ve逐渐增加到(VCC-Vces1),因为Q2管的管压降Vec2的数值 Vec2=(Ve-0)=Ve,Vce2max=Vcc-Vces1,由于Ie平均电流比较小,R9R10阻值比较小,所以先忽略这两个电阻产生的压降。.利用同样的分析方法去分析,可得:
当Ui为下半周值时,Q1管承受最大的管压降,数值为VCC-Vces2.所以考虑要预留一定的余量,管子承受最大的压降为/Vcemax/=Vcc。
2、集电极最大电流
从电路最大输出功率的分析可知,晶体管的发射极电流等于负载电流,负载电阻上的的最大电压为Vcc-Vces1,故集电极电流的最大值为:
Ic≈Iemax=(Vcc-Vces1)/RL
考虑留有一定余量
Icmax=Vcc/RL
3、集电极最大功率
在功率放大电路中,电源提供的功率,除了转换输出功率外,其余部分主要消耗在功率管Q1和Q2上,可以认为晶体管所损耗的功率Pq=Pv-Po。当激励信号输入电压为2.5v时,即输出功率最小时,由于集电极电流非常小,使管子的损耗很小;当输入电压最大时,即输出功率最大,由于管子压降很小,使管子的损耗也很小;可见,管耗最大既不会发生在电压电压最小时,也不会发生在输入电压最大时。下面列出了晶体管的集电极功耗Pq与输出电压峰值Vom的关系,然后对Vom求管压降和集电极电流瞬时值的表达式:
Vce=(Vcc-Vomsinwt),Ic=Vom/R
L*sinwt
功耗Pq为功放管Q1和Q2管所损耗的平均功率,所以每只晶体管的集电极功耗表达式为:
瞬时最大的管压降*瞬时的电流 再求平均
Pq=1/2Π
(Vcc-Vomsin wt)*Vom/RL*sin wt*dwt
=1/RL(Vcc*Vom/Π-Vom^2/4)
假设dPq/dVom=0,可以求得,Vom=2/Π*Vcc≈0.6Vcc。
以上分析表明,当Vom≈0.6Vcc时,Pq=Pqmax。 将Uom代入Pq==1/RL(VccVom/Π-Vom^2/4)
Pqmax=Vcc^2/Π^2RL
当Vces=0时,根据Pom=Vom^2/RL=Vcc^2/2RL
Pqmax=2*Pom/Π^2≈0.2Pom/Uces=0
可见,晶体管集电极最大功耗仅为理想(饱和压降为0)时最大输出功率的五分之一。
查询手册选择晶体管时,应使用极限参数
Vbrceo>Vcc
Icm>Vcc/RL
Pcm>0.2Pom/Vces=0, Pcm集电极功耗
这里仍需要强调的,在选择晶体管时,其极限参数,特别是Pcm应留一定的余量,并且严格按照手册PCBlayout或安装散热片。
,