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1、分立器件OTL电路设计,OTL(Output Transformer Less)是无输出变压器功率放大器的简称。采用OTL电路目的：（1）是简化电路（省略输出变压器）；（2）提高功放效率；（3）单电源供电输出级采用互补式复合管结构，分别对正负半周信号输出，合成为完整的周期信号；输出电容较大，同时起到中点浮动电源作用。为了获得较大的输出功率，一般由前置级-激励级（推动级）-功率输出级组成。,设计要求,主要参数： VCC=1216V,THD1%,RL=8,输出功率POM=1.53瓦；输入阻抗Ri 20k频带宽度：2020KHZ（-3dB）效率60%； 电源提供的能量应尽可能地转换给负载，以减少晶体
2、管及电路的损失，要注意提高功放的效率（）。 =POm/PV100% Pom：负载（扬声器）得到的最大功率。 PV ：电源向OTL功放电路提供的功率。增益30db；增益=20log(vo/vi),功放的分类,1、甲类功放：导通角360度(无交越失真，效率低)2、乙类功放：导通角180度(存在交越失真，效率高)3、甲乙类功放：导通角大于180度(基本无交越失真，效率较高)4、丙类功放：导通角小于180度（有交越失真，效率高，用于高频功放电路）,甲乙类放大的波形关系：,特点：存在较小的静态电流 ICQ 、IBQ 。每管导通时间大于半个周期，基本不失真。,OTL电路设计思路,1、前置级要求有较大的输入
3、阻抗，Ri20k；晶体管工作电流一般为0.5ma左右;2、激励级要有较大的增益，提供足够的驱动电流，并引入自举电路提高驱动能力， 满足输出幅度的需要；晶体管工作电流一般为23ma左右，需防自激；3、输出级工作处于甲乙类状态，克服交越失真采用准互补输出，需具有较大的电流 放大能力,一般用复合管结构；OTL功放最大输出功率与电源电压的关系满足： Pom=(Vcc-2Vces)2/8RL 一般情况下(IC1000ma)可认为： Vces 1v ,由此可知：当RL=8， Vcc=12V, Pom=1.5W; Vcc=16V, Pom=3W; Vcc=18V, Pom=4W;以此类推。 4、保持电路性能
4、稳定，在输出级和前置级之间采用交直流负反馈电路。,设计方法,前置级电路的选取特点：引入交直流负反馈稳定静态工作点和增益并保持一定的带宽，一般采用差分放大电路，IC1IC2= 0.5ma。以图1为例，介绍设计方法,前置输入级由Q1Q2差分放大电路组成，每只三极管静态工作电流设置为0.5ma左右，R1、R2、R3、R4、R5、R6是差分放大电路的偏置电阻， R4、R5阻值相等，流过的电流和Q1的集电极电流Ic相当（Q1的80），故Q1的基极近似取得电源的中点电压。R2为Q1Q2提供1ma的工作电流。R1是差分级的单端输出负载电阻，同时又可调整激励级Q3的静态电流和输出级的静态电压VD（电源的中点电
5、压）。Q1的基极电位Vb16.0V，Ve1 6.7V; IC1 IC2=(VCC- Ve1)/2R2 ，R2取5.1KRi=R3/(rbe+2R2), rbe+2R2R3, Ri R3,取33KQ1Q2可选取低频小功率管BVceo1.52VCC,Iceo1a 80100,激励级电路的设计要求,特点：满足增益要求，提供足够的驱动电流 ，为互补对称输出级建立甲乙类工作点, Q5静 态工作电流一般1.53ma。Q5、R6、R9、R10、D1、D2、C3组成推 动级电路，设置 Q5的工作电流约为2ma左 右。 R10、D1、D2是为改善输出级的交越失真而 设置的，D1、D2对复合输出管Vbe起 温度补
6、 偿作用，调整R10使输出管工作在甲乙类状态 （VBC=1.31.8V），既消除交越失真又取得较 好的输出效率。 C5使得交变信号VBC 0，正、负半周时， 输出级取得相等的激励信号。 C4是防自激相位补偿电容，在30100p之间取值。,Q5的集电极电位VC5(1/2VCC)-0.6V;VBC1.51.8V,IC5取值2ma,R10设置为300500可调；流过R8R9的电流IC5=2ma， IC5（ R8+R9 ）=VCC-(5.4+1.8)=4.8V, 求得： R8+R9=2.4K,取R8=220，R9=2. 2K，R6取100稳定工作点；Q5选取低频中功率管: BVceo 1.52VCC,
7、Iceo10a， 100Icm 500ma,保证有足够的电流放大能力,输出级电路的设计要求,特点：互补对称（正负半周），克服交越失真， 足够的输出幅度，较高的工作效率。Q1Q3组成NPN复合管，Q2Q4组成PNP复合管。正半周Q1Q3经C2RL形成回路，负正半周C2经 Q2Q4RL形成回路。 C2实际上是起到中点浮动电源作用，在正半周 输出时， C2经充电储存能量，为负半周输出提 供足够的能源。 设计依据不仅仅是按通频带考虑，而是和输出功 率的能耗相关，取值一般在几百千微法数量级。从输出端引入交直流负反馈到前置级，稳定静态 工作点和增益。 R8和C1组成自举电路，促使Q1Q3组成NPN复合管
8、进入临界饱和状态，得到正向最大输出幅度。 VA的静态电位一般设置为VCC-(0.51.0V)，静态时 C1被充电，具有（1/2VCC）-0.5V的电压。有利于 提高正半周的输出幅度。,Q1Q3组成的NPN复合管和Q2Q4组成的PNP复合管均要求具有足够的电流放大能力，且特性要求准对称。Q1为NPN中功率管，BVceo 1.52VCC,Iceo10a， 100，Icm 500ma,保证有足够的电流放大能力。Q2为PNP中功率管，BVceo 1.52VCC,Iceo10a， 100，Icm 500ma,保证有足够的电流放大能力。Q3Q4选取NPN大功率管：（带散热片） BVceo 2VCC,Ice
9、o100a， 在Ic电流为0.5A以上时， 2040；一般要求保证功率管的Icm 23(VOM/RL)，取Icm 4A。且要求功率管的PCM0.50.8POMR11R12是Q3Q4静态分流电阻（动态分流作用忽略可不计），在甲乙类状态下，复合管的工作电流控制在510ma,不出现交越失真时，Q1Q2的静态电流一般11.5ma，VbeQ3 0.6V,可算出R11=R12400,取330。请同学们在VCC=12V时，确定各级电路的电容耐压值（原则：选取的耐压值 1.52实际承受的最大电压）。,参考电路一,参考电路二是用运放作前置级组成的功放电路,请同学们自行分析，也可用此电路设计。,OTL互补功放电路
10、原理分析,OTL功放前置输入级由T1T2差分放大电路组成，每只三极管静态工作电流设置为0.5ma左右，R0、R1、R2、R12、R14、R10是差分放大电路的偏置电阻， R1、R2阻值相等，流过的电流和T1的集电极电流Ic相当（T1的60），故T1的基极近似取得电源的中点电压。R14为T1T2提供1ma的工作电流。 R12是差分级的单端输出负载电阻，同时又可调整推动级T3的静态电流和输出级的静态电压VD。R13是T3的交直流负反馈电阻，既稳定静态工作点和增益又改善非线性失真。T3、R3、R4、R5、D1、D2、C2、C3、C4组成推动级电路，设置 T3的工作电流约为2ma左右。 R5、D1、D
11、2是为改善输出级的交越失真而设置的，D1、D2对复合输出管Vbe起温度补偿作用，调整R5使输出管工作在甲乙类状态（VBC=1.51.8V），既消除交越失真又取得较好的输出效率。C3是防自激相位补偿电容，在30100p之间取值。为提高输出波形正半周的幅度， R3、C2构成自举电路（1/10s）。将推动级的负载电阻分离为（R3+R4），VA的静态电位设置为VCC-0.5V，在静态时VD调整为1/2VCC，电容C2上的电压VC2 =1/2VCC-0.5V，信号正半周时，C2提升VA的电位，有助于NPN复合管进入饱和状态，大大提高信号正半周的输出幅度。C4使得交变信号VBC 0，正、负半周时，输出级取
12、得相等的激励信号。,（续）,T4T6组成NPN复合管,T5T7组成PNP复合管,构成互补输出电路，R6、R7是输出管的静态分流电阻，但它对动态驱动电流影响极弱，动态分流作用可忽略。NPN、PNP复合管需配对使用（要求正负半周输出幅度对称），借助自举电路工作的NPN复合管的总电流放大倍率应比不借助自举电路工作的PNP复合管要小。C5C6是输出电容，C6改善C5的电感特性， C5实际上是起到中点浮动电源作用，在正半周输出时， C5经充电储存能量，为负半周输出提供足够的能源，设计依据不仅是按通频带考虑，而是和最大输出功率所需的能耗相关，取值一般在几百千微法数量级。在VCC=12V，RL=8，THD1
13、%时，POM1.5W。R8、R9是自制电阻，用0.08的漆包线长约200mm绕制在1K以上的电阻上，起保险丝的作用。（需双线并绕，消除电感效应）R10、R11、C9组成交流负反馈电路，功放的增益 （1+R10/R11）。由于R10引入了深度直流负反馈（反馈系数为1），输出静态电位VD易调整、较稳定。当电源电压为16V时，若维持T1T2和T3的静态工作电流不变，只需调整R14和R4的阻值即可，输出功率接近3W。,OTL功放电路的调试方法,对照原件清单和印刷电路板准确无误装配并将功率管的散热板固定牢，检查无虚、漏、错焊，即可调试。注意：甲乙类工作点控制支路的R5D1D2焊接不要出现虚焊或二极管极性
14、反接形成开路，否则静态时末级功放管电流可达数安培以上导致管子过载，甚至损坏。1、静态电位的调整：加入12V电源，调试前最好测量T1的基极电位，应是6V左右，射极电位是6.6V左右。在静态条件下测量输出静态电位VD（注：可调电阻R5调到最小值，使T4T7处于截止状态），若高于1/2VCC，调整R12，增加它的阻值，使得T3的工作电流加大， VD向减少方向变化，反之亦然。将VD调整到6V0.1V即可。如调整R12静态电位VD无变化，需检查T1、T2是否有虚焊，三极管极间是否有短路等故障。调整的目的是使VD处于中点电位，大信号时，输出幅度有对等的变化范围。若测量输出静态电位VD偏离1/2VCC很多，
15、则需测量R12、R12、R13、R18这些电阻上的压降，对T1、T2（工作电流0.5ma左右）、T3 （工作电流1.52ma左右）的工作状态检查，排除故障再调试。2、 输出级静态电流的调整：VD调整后，将电流表串入R8回路，调电阻R5的值，由小调大，缓慢调整，使得输出管工作电流达到510ma(随输出管不同，大致的电流范围，在不出现交越失真的前提下，电流小一点好),再检测VD，可能偏离原先调好的值，此时，需再调电阻R12 ，对 R5和R12反复调整几次即可达到调整要求，调整的目的是给输出管建立甲乙类工作点。调好后，测量VA的电位在11.5V左右，VC 在 5.4V左右,VD 60.1V。T6的集
16、电极电流为515ma（以动态测量时，不出现交越失真，电流小为好）。3、动态测量（1）在输出空载下：输入端接入VPP=100mv,f=1kHZ的正弦信号，用示波器观察输出波形有无交越失真，缓慢加大信号幅度，输出波形幅度也随之变化，若有交越失真，需适当加大R5的值（增加末级输出管T6的工作电流）,直到失真刚消失为止。当幅度达到临界饱和时，输出幅度VPP在10V左右，随即就可接入负载测量。（请同学自己画出测量接线示意图）,（续前）,（2）带载条件下：接入负载RL8 的扬声器，逐渐加大信号，观察输出幅度VPP是否能接近10V左右，若上半周信号幅度小：（1）说明自举电路工作不良，检查C2是否良好，有无虚
17、焊？（2）T6大电流放大能力不够，饱和压降偏大。若下半周信号幅度小：（3）T7大电流放大能力不够，饱和压降偏大。(4)输出电容C5实际容值不足。只要输出幅度VPP在临界失真下达到9V以上，接近10V。波形上下半周谁先出现削波失真不用考量。带载测量时，输出幅度会比空载略低是正常的。 若调试中输出幅度偏小，且增益与设计值偏差较多，则需检查R10R11的阻值是否正确？确信元件无错时，可适当增加激励级的增益，将R13减小到6851。 将电路闭环负反馈电阻R11适当减少(390510)提高电路增益。（3）输出工作效率的测量：在满载工作时，测量出流过VCC的直流电流IVCC和负载的输出波形幅度VPP，就可
18、计算出该电路的工作效率，最好的会接近60%，这和理想状态条件下的效率=78.5%(/4)有一定的差距，请同学们分析产生差距的因素。（请同学自己画出测量接线示意图）（4）通频带BW/AV增益的测量：用逐点法或扫频法，同学们可测量出OTL功放电路的通频带（测试时，保持输入信号幅度（vinPP=100mv）不变，仅改变频率，测量出对应频率时的输出幅度）将测量结果和仿真作对比并分析。（请同学自己画出测量接线示意图）若你想让OTL板在16V电压下工作，只需调整R14（参考值6.87.2K）、R4的阻值（参考值33.3K）和R13的阻值（参考值51100）即可，调试的方法同前,输出功率可接近3W；若负载R
19、L改用4 ，输出功率将接近6W。注意； T6、 T7大电流（1000ma）时的电流放大系数（）和较低的饱和压降（VCEsat）是提升输出幅度的重要因素。,输出电容C设计依据不仅是按通频带考虑，而且还和最大输出功率所需的能耗相关,输出电容储存的能量要大于输出功率在信号负半周的时间内所需的能量，否则也会出现负半周削波失真。POM：表示输出最大功率；WC：表示输出电容贮存的能量；t：表示信号负半周的时间。,由此解出输出电容的值为：,若信号最低频率为20HZ,则t=1/40s，输出电容一般在数千微微法数量级。,返回,分析参考电路一，请思考以下问题,1、R18在电路中起什么作用？2、T1T3的静态IC电
20、流略为0.5ma,R12至少大于多少时才能给激励级提供 12ma左右的工作电流？3、电容C0在电路的作用？4、 R13在电路中起什么作用？说出设置和不设置旁路电容的利弊？5、调试时，若VD高于1/2VCC，R12应调大还是调小？为什么？6、 R3在电路中起什么作用？是否可短路？7、指出电路引入了那些负反馈，各起什么作用？8、若R6R7开路是否对电路有利？为什么？9、电路的增益大概是多少？如何估算？估算值与测量结果是否基本一致10、C5很大了，为什么还要并接容值较小的C6?11、D1、D2在电路的作用是什么？若虚焊或反接会出现什么问题？12、试说明图中的三极管T1T7的主要电参数（ 、BVceo、Iceo、IcM）选取的依据。13、该电路的工作效率如何测量? 大慨是多少？14、当功放电路输出最大功率时，它的管耗是否也是最大？为什么？,OTL功放PCB图,OTL功放板简易电源电路参考参数,请说出简易电源的优缺点,
