劉艷萍

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引言

分立元件的單電源供電的功率放大電路在理實(shí)一體化教學(xué)中主要講授乙類和甲乙類兩類放大電路，而OTL形式的乙類放大電路輸出波形失真嚴(yán)重，下面以這種放大電路為切入點(diǎn)，分情況討論實(shí)驗(yàn)過程中存在的一些失真現(xiàn)象，以及電容元件對(duì)整個(gè)電路結(jié)果造成的影響。

1 乙類互補(bǔ)對(duì)稱的功放電路(OTL形式)的實(shí)驗(yàn)研究

該電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于功率放大電路工作于大信號(hào)狀態(tài)下，故輸入信號(hào)ui設(shè)為峰峰值Vpp=5 V，頻率f=1 kHz的正弦信號(hào)。以下所有電路中的輸入信號(hào)都取這個(gè)值。

圖1 OTL基本電路

電路的工作原理為：工作時(shí)，功率管TIP41C和TIP42C總是輪流導(dǎo)通。當(dāng)輸入信號(hào)ui>0 時(shí)，功率管TIP42C截止，TIP41C逐漸導(dǎo)通，同時(shí)直流電源+12 V給電容C(470 μF)充電，很快E點(diǎn)電壓達(dá)到6 V；當(dāng)輸入信號(hào)ui< 0 時(shí)，功率管TIP41C截止，TIP42C逐漸導(dǎo)通，同時(shí)電容C開始放電，它相當(dāng)于-6 V的負(fù)電源給電路供電。

圖2 消除交越失真的OTL電路

理論上負(fù)載10 k的電阻中流過的電流為放大后的輸出電流，其波形應(yīng)呈正弦波形；負(fù)載兩端的輸出電壓未被放大，也應(yīng)呈正弦波形。但是在實(shí)驗(yàn)室用示波器觀察輸出端的電壓波形時(shí)，得到的結(jié)果卻如圖3所示。

圖3 OTL基本電路的輸出波形

分析原因，在ui< 0的負(fù)信號(hào)輸入電路時(shí)，管子TIP42C很容易導(dǎo)通，470 μF的電容快速放電，故負(fù)載兩端的電壓波形出現(xiàn)了負(fù)半波削去波底的現(xiàn)象。要使負(fù)半波呈現(xiàn)完整的波底，應(yīng)使管子TIP42C導(dǎo)通時(shí)相對(duì)緩慢些，從而使得470 μF的電容放電時(shí)間維持得長(zhǎng)點(diǎn)，這樣可以在圖1所示的電路輸入端接入一個(gè)10 μF的電解電容。此時(shí)，利用電容兩端電壓不能突變的特性，使得管子TIP42C導(dǎo)通時(shí)緩慢導(dǎo)通，470 μF的電容放電時(shí)才不至于太快，從而維持負(fù)半波波底的完整性。

再次輸入信號(hào)ui，示波器上觀察到輸出電壓的波形如圖4所示?？梢?，同為OTL形式的乙類功率放大電路，只是輸入端的元件稍有差別，便使得兩次輸出波形發(fā)生了很大變化，10 μF的電容在這里所起的作用不言而喻。

圖4 存在交越失真的輸出波形

很明顯，這次得到的波形雖然波頂和波底同在，但是在正半波和負(fù)半波交接處出現(xiàn)了失真。引起這種失真的原因在于兩個(gè)功率管都存在開啟電壓Uon，故在|ui|

2 甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱的功放電路(OTL形式)的實(shí)驗(yàn)研究

該電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，各電阻和電位器的取值如下：R1=R2=1 k，RL=2 k，RP1=470，RP2=100 k，C1=10 μF，C2=220 μF。操作時(shí)，先調(diào)靜態(tài)值。將萬(wàn)用表調(diào)至電壓檔，把兩表筆分別放于兩管TIP41C和TIP42C的基極，先調(diào)節(jié)電位器RP2，再調(diào)節(jié)RP1，反復(fù)多次調(diào)節(jié)，直至兩基極間電壓約為1.0 V為止。再輸入正弦信號(hào)ui，用示波器觀察負(fù)載兩端電壓即輸出電壓u0的波形，發(fā)現(xiàn)此時(shí)的波形已為平滑的、完整的正弦波，交越失真已經(jīng)消除。

通過進(jìn)一步的深入研究發(fā)現(xiàn)，該電路中的兩個(gè)電容器C1和C2所起的作用很關(guān)鍵，C1為耦合電容，起到隔直通交的作用，C2則起著負(fù)電源的作用，它相當(dāng)于電壓為-6 V的負(fù)電源。實(shí)驗(yàn)表明，該電路中無(wú)論哪個(gè)電容去掉都會(huì)影響到u0的波形，下面分幾種情況具體來(lái)討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.1 電容C1接上，而C2不接時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及研究

將圖2所示電路中的耦合電容C1接上，而去掉電容C2，先調(diào)好靜態(tài)值再輸入正弦信號(hào)，從示波器上觀察到u0的波形為平滑的正弦波，表面上看和消除交越失真后的正弦波形完全一樣。但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析的結(jié)果根本不一致。因?yàn)槿綦娙軨2不接，當(dāng)電路輸入負(fù)信號(hào)時(shí)，功放電路中就沒有負(fù)電源向管子TIP42C供電，管子就無(wú)法工作(因?yàn)槿龢O管是有源元件)，這種情況下理論上分析u0的波形應(yīng)該只有正半波，然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果并非如此。

分析原因，發(fā)現(xiàn)負(fù)信號(hào)(ui< 0)輸入時(shí)，管子TIP41C靜態(tài)時(shí)的基極電壓與輸入信號(hào)的負(fù)電壓疊加抵消后仍為正電壓，故它的發(fā)射結(jié)始終是導(dǎo)通的，而管子TIP42C始終截止，因此示波器上顯示的負(fù)載兩端的電壓波形始終為輸入信號(hào)ui的波形，并不是經(jīng)過功率放大電路以后的真正的輸出電壓波形，我們所看到的只是一種假象。

2.2 電容C1不接，而C2接上時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及研究

將圖2所示電路中的耦合電容C1去掉，而C2接上，先調(diào)好靜態(tài)值再輸入正弦信號(hào)，這時(shí)從示波器上觀察到u0的波形出現(xiàn)了失真，顯示僅為幅度較小的正半波形，如圖5所示。為什么會(huì)出現(xiàn)這種失真現(xiàn)象呢？究其原因，得知正半波形是在ui>0的信號(hào)輸入時(shí)產(chǎn)生的，且管子TIP41C導(dǎo)通時(shí)存在交越失真的現(xiàn)象，所以波形的幅度較小。而當(dāng)ui< 0的信號(hào)輸入時(shí)，二極管4007瞬間截止，管子TIP42C很快導(dǎo)通，電容C2上已有的電荷只能順著100 k的電位器這條支路向下運(yùn)動(dòng)，即瞬間放電。很快，放電結(jié)束，管子TIP42C又處于截止?fàn)顟B(tài)，故波形只有正半波，而無(wú)負(fù)半波。仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)在正半波與橫軸交接處總有一小段波形不太平滑，其實(shí)這部分波形正是電容C2放電過程的體現(xiàn)。

圖5 失真的輸出波形(a)

圖6 失真的輸出波形(b)

2.3 電容C1和C2均不接時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及研究

將圖2所示電路中的電容C1和C2均去掉，先調(diào)好靜態(tài)值再輸入正弦信號(hào)，這時(shí)從示波器上觀察到u0的波形出現(xiàn)了明顯的失真，顯示僅為幅度較大的正半波，如圖6所示。這種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明在正信號(hào)輸入時(shí)，管子TIP41C的基極電壓為正值，發(fā)射極電壓為0 V，管子TIP41C始終導(dǎo)通，這時(shí)u0的波形與ui的幾乎一樣，為幅度較大的正半波；在負(fù)信號(hào)輸入時(shí)，管子TIP41C的基極電壓為負(fù)值，管子TIP41C截止，同時(shí)二極管4007也瞬間截止，管子TIP42C只能截止，輸出電壓無(wú)波形。

3 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際中，功率放大電路常采用兩管輪流導(dǎo)通的推挽電路來(lái)減小失真[3]，很多課本上常以乙類和甲乙類這兩種功放電路為例來(lái)講述電路的工作原理，但是理論上分析時(shí)經(jīng)常忽略電路輸入端的電容元件，其實(shí)電容的存在與否會(huì)直接影響到輸出波形的失真程度。以上通過實(shí)驗(yàn)室親自實(shí)驗(yàn)觀察到了功放電路的各種失真現(xiàn)象，加深了對(duì)功放電路的理解。因此，注重實(shí)踐操作，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)觀察，是以后教學(xué)和研究的方向。