OCL電路的的輸出功率及效率

01OCL電路的組成及工作原理

為了消除基本OCL電路所產(chǎn)生交越失真，應(yīng)當(dāng)設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使兩只放大晶體三極管均工作在臨界導(dǎo)通或微導(dǎo)通狀態(tài)。能夠消除交越失真的OCL電路如圖1所示。

圖（1）消除交越失真的OCL電路

在上圖中，靜態(tài)時(shí)，從+12V經(jīng)過(guò)R5、R6、D1、D2、R7、R8到GND有一個(gè)直流電流，它在Q1和Q2管兩個(gè)基極之間所產(chǎn)生的電壓為Ub1b2=UR6+UD1+UD2+UR7，使Ub1b2略大于Q1管發(fā)射結(jié)和Q2管發(fā)射結(jié)開啟電壓之和，從而使兩只管子均處于微導(dǎo)通態(tài)，即都有一個(gè)微小的基極電流，分別為Ib1和Ib2。調(diào)節(jié)R6和R7，可使發(fā)射極靜態(tài)電位Vout為0V，即輸出電壓Vo為0V.

當(dāng)所加信號(hào)Ui按正旋規(guī)律變化時(shí)，由于二極管D1、D2的動(dòng)態(tài)電阻很小，而且R6和R7的阻值也比較小，因而可以認(rèn)為Q1管基極電位的變化與Q2管基極電位的近似相等，即Ub1≈Ub2≈Ui。

也就是說(shuō)，可以認(rèn)為兩管基極之間電位差基本是一個(gè)恒定值，兩個(gè)基極的電位隨Ui產(chǎn)生相同變化。這樣，當(dāng)Ui》2.5V且逐漸增大時(shí)Vbe1逐漸變大，Q1的基極電流Ib1隨之增大，發(fā)射極電流Ie1也必然增大，負(fù)載電阻RL上得到正方向的電流；與此同時(shí)，Ui的增大使Veb2減小，當(dāng)減小到一定數(shù)值時(shí)，Q2管截至。同樣道理，當(dāng)Vi《2.5v且逐漸減小時(shí)， Veb2逐漸增大，Q2的基極電流Ib2隨之增大，發(fā)射極電流Ie2必然也會(huì)增大，負(fù)載電阻RL上得到負(fù)方向的電流；與此同時(shí)，Ui的減小，使Vbe1減小，當(dāng)減小到一定數(shù)值時(shí)，Q1管截至。這樣，即使Ui很小，總能保證至少有一個(gè)晶體三極管導(dǎo)通，因此消除了交越失真。Q1和Q2管在Ui的作用下，其輸入特性的中的圖解分析如圖3所示：

圖（1.1） 輸入特性的中的圖解分析

Q1和Q2靜態(tài)工作點(diǎn)以下，輸入信號(hào)越大到越小，到Q1截至，Ui無(wú)信號(hào)，Q1又回到了靜態(tài)工作點(diǎn)電流。

輸入信號(hào)越小到越大，到Q2截至，Ui很小的時(shí)候（無(wú)信號(hào)），Q2又回到了靜態(tài)工作點(diǎn)電流。

綜上所述，輸入信號(hào)的正半周主要是Q1管發(fā)射極驅(qū)動(dòng)負(fù)載，負(fù)半周主要是Q2管發(fā)射極驅(qū)動(dòng)負(fù)載，而且兩管的導(dǎo)通時(shí)間都比輸入信號(hào)的半個(gè)周期要長(zhǎng)，即在輸入電壓很小的時(shí)候，兩只管子同時(shí)導(dǎo)通，因而他們工作在甲乙類狀態(tài)。

值得注意的是，若靜態(tài)工作點(diǎn)失調(diào)，例如R6、D1、D2、R7中的任意一個(gè)元器件虛焊，則從12V經(jīng)過(guò)R5、Q1管的發(fā)射結(jié)，R9R10，Q2的發(fā)射結(jié)到R8到GND形成一條通路，有較大的基極電流Ib1和Ib2流過(guò)，從而導(dǎo)致Q1和Q2有很大的集電極電流Ic1和Ic2，且每只管子的最大管壓降VCE都約等于12V，以至于Q1和Q2管可能因?yàn)楣倪^(guò)大而損壞。因此，R9和R10的作用就非常重要了，可以分擔(dān)Q1Q2 的VCE的壓降。

02OCL電路的的輸出功率及效率

功率放大電路最重要的技術(shù)指標(biāo)是電路的最大輸出功率Pom及效率η （ 伊塔）。為了求解Pom，需首先求出負(fù)載上能夠得到的最大輸出電壓幅值。當(dāng)輸入電壓足夠大，且有不產(chǎn)生飽和失真時(shí)，電路的分析如圖3.2所示。

圖中的I區(qū)為Q1的輸出特性，II區(qū)為Q2的輸出特性。因兩只管子的靜態(tài)電流很小，所以可以認(rèn)為靜態(tài)工作點(diǎn)在橫軸上，如上圖所標(biāo)注的，因而最大輸出電壓幅值等于電源電壓減去晶體管的飽和壓降，即（Vcc-Vces1）。

實(shí)際上，即使不畫出圖形，也能得到同樣的結(jié)論?？梢韵胂?，在正旋波的正半周，Ui從0逐漸增大，輸出電壓也隨之逐漸增大，Q1管的CE管壓降必然逐漸減小，當(dāng)管壓降下降到飽和壓降時(shí)，輸出電壓達(dá)到最大值，其值為（Vcc-Vces1），因此最大不失真輸出電壓的有效值：

Uom=（Vcc-Vces1）/，假設(shè)三極管參數(shù)等一樣，飽和壓降也一樣，即Vces1=-Vces2=Vces。

最大輸出功率：Pom=Uom^2/R=（Vcc-Vces）^2/2RL+2R9 或R10 一個(gè)周期內(nèi)回路阻抗2RL+2R9

在忽略基極回路電流的情況下，電源Vcc提供的電流：

Ic=（Vcc-Vces）/RLsinwt

電源在負(fù)載獲得最大交流功率時(shí)，所消耗的的平均功率等于平均電流于電源電壓之積，

Pv=1/Π（Vcc-Vces）/RLsinwt*Vcc dwt=2/Π*Vcc（Vcc-Vces）/RL

整理后得到，轉(zhuǎn)換效率

η。=Pom/Pv=Π/4*（Vcc-Vces）/Vcc

在理想情況下，即飽和管的壓降可忽略不計(jì)，R9和R10比較小忽略不計(jì)（Q1和Q2射極負(fù)反饋電阻），的情況下

Pom=Uom^2/RL=Vcc^2/2RL

Pv=2/Π*Vcc^2/RL

η。=Pom/Pv=Π/4=78.5%

這里應(yīng)當(dāng)注意，大功率飽和管壓降為2-3v，因而一般情況下不能忽略飽和管的壓降，即不能用上面的三個(gè)式子。

03OCL電路中晶體管的選擇

在功率放大電路中，應(yīng)根據(jù)晶體管所承受的最大管壓降Vces、集電極最大的電流Icm和最大的功耗來(lái)選擇晶體管。

1、最大的管壓降

從OCL電路工作原理的分析可知，兩只功放管中Q1和Q2處于截至狀態(tài)的管子將承受較大的管壓降。假設(shè)輸入電壓Ui為正半周，Q1導(dǎo)通，Q2截至，當(dāng)Ui從0開始增加到峰值時(shí)，Q1和Q2管的發(fā)射極電位Ve逐漸增加到（VCC-Vces1），因?yàn)镼2管的管壓降Vec2的數(shù)值 Vec2=（Ve-0）=Ve，Vce2max=Vcc-Vces1，由于Ie平均電流比較小，R9R10阻值比較小，所以先忽略這兩個(gè)電阻產(chǎn)生的壓降。。利用同樣的分析方法去分析，可得：

當(dāng)Ui為下半周值時(shí)，Q1管承受最大的管壓降，數(shù)值為VCC-Vces2.所以考慮要預(yù)留一定的余量，管子承受最大的壓降為/Vcemax/=Vcc。

2、集電極最大電流

從電路最大輸出功率的分析可知，晶體管的發(fā)射極電流等于負(fù)載電流，負(fù)載電阻上的的最大電壓為Vcc-Vces1，故集電極電流的最大值為：

Ic≈Iemax=（Vcc-Vces1）/RL

考慮留有一定余量

Icmax=Vcc/RL

3、集電極最大功率

在功率放大電路中，電源提供的功率，除了轉(zhuǎn)換輸出功率外，其余部分主要消耗在功率管Q1和Q2上，可以認(rèn)為晶體管所損耗的功率Pq=Pv-Po。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)輸入電壓為2.5v時(shí)，即輸出功率最小時(shí)，由于集電極電流非常小，使管子的損耗很??；當(dāng)輸入電壓最大時(shí)，即輸出功率最大，由于管子壓降很小，使管子的損耗也很??；可見，管耗最大既不會(huì)發(fā)生在電壓電壓最小時(shí)，也不會(huì)發(fā)生在輸入電壓最大時(shí)。下面列出了晶體管的集電極功耗Pq與輸出電壓峰值Vom的關(guān)系，然后對(duì)Vom求管壓降和集電極電流瞬時(shí)值的表達(dá)式：

Vce=（Vcc-Vomsinwt），Ic=Vom/R

L*sinwt

功耗Pq為功放管Q1和Q2管所損耗的平均功率，所以每只晶體管的集電極功耗表達(dá)式為：

瞬時(shí)最大的管壓降*瞬時(shí)的電流 再求平均

Pq=1/2Π（Vcc-Vomsin wt）*Vom/RL*sin wt*dwt

=1/RL（Vcc*Vom/Π-Vom^2/4）

假設(shè)dPq/dVom=0，可以求得，Vom=2/Π*Vcc≈0.6Vcc。

以上分析表明，當(dāng)Vom≈0.6Vcc時(shí)，Pq=Pqmax。 將Uom代入Pq==1/RL（VccVom/Π-Vom^2/4）

Pqmax=Vcc^2/Π^2RL

當(dāng)Vces=0時(shí)，根據(jù)Pom=Vom^2/RL=Vcc^2/2RL

Pqmax=2*Pom/Π^2≈0.2Pom/Uces=0

可見，晶體管集電極最大功耗僅為理想（飽和壓降為0）時(shí)最大輸出功率的五分之一。

查詢手冊(cè)選擇晶體管時(shí)，應(yīng)使用極限參數(shù)

Vbrceo》Vcc

Icm》Vcc/RL

Pcm》0.2Pom/Vces=0， Pcm集電極功耗

這里仍需要強(qiáng)調(diào)的，在選擇晶體管時(shí)，其極限參數(shù)，特別是Pcm應(yīng)留一定的余量，并且嚴(yán)格按照手冊(cè)PCBlayout或安裝散熱片。

責(zé)任編輯：haq