(完整版)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

1、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 （output capacitor less ）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

2、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

3、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

4、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。OCL 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 313 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

5、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。OCL 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

6、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

7、和效率。二 OTL 电路OTL （ output transformer less ）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，

8、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

9、 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

10、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

11、 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

12、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 （ Balanced Transformer Less 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

13、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 23 倍，

14、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

15、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

16、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,随时 , 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

17、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=4 ) 。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 ( V

18、smax=12V)、负载泄放电压反冲等。极限参数： 如表 1 所示。表 1 TDA2003 极限参数( TA=25 )参数名称符号参数值单位电源电压Vcc18V输入电压Vt18V差分输入电压Vi15V输出峰值电流IO3.5A功耗PD20W结温Ti-40 +150封装形式：TDA2030为 5 脚单列直插式，如上图 1 所示工作环境温度Topt-30 +75贮存温度Tstg-40 +150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VCC618V静态电源电流ICCQVcc=18V4060mA电源

19、电流ICCPo=14W， RL=4Po=9W， RL=8900500mA输入偏置电流IBVcc=18V0.22mA输入失调电压VIVcc=18V220mV输入失调电流IIVcc=18V20200mA输出功率PdTHD=0.5%Gvc=30dB f=40 15000HzRL=4RL=81281510WW谐波失真度THDGvc=30dB f=40 15000Hz Po=0.1 12W RL=4 Po=0.1 12W， RL=80.10.10.50.5%输入灵敏度VisGvc=30dB，f=1KHzPo=12W，RL=4Po=8W， RL=8215250mV mV频带宽度BWGvc=30dB，Po=12W，RL=41014000Hz输入阻抗Ri（1）脚0.55M开环电压增益GVC90dB闭环电压增益GVCf=1KHz29.53030.5dB输入噪声电压VNIBW=22Hz 22KHz，RL=4310V输入噪声电流INIBW=22Hz 22KHz， RL=480200pA电源波纹抑制比KSVRRL=4， Gvc=30dB， Rg=22K， Vgp