分立元件的功放電路的實(shí)驗(yàn)研究

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，以及電容元件對整個電路結(jié)果造成的影響。

1 乙類互補(bǔ)對稱的功放電路(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，由于功率放大電路工作于大信號狀態(tài)下，故輸入信號ui設(shè)為峰峰值Vpp=5 V，頻率f=1 kHz的正弦信號。以下所有電路中的輸入信號都取這個值。

圖1 OTL基本電路

電路的工作原理為：工作時，功率管TIP41C和TIP42C總是輪流導(dǎo)通。當(dāng)輸入信號ui>0 時，功率管TIP42C截止，TIP41C逐漸導(dǎo)通，同時直流電源+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ui< 0 時，功率管TIP41C截止，TIP42C逐漸導(dǎo)通，同時電容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，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)信號輸入電路時，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)通時相對緩慢些，從而使得470 μF的電容放電時間維持得長點(diǎn)，這樣可以在圖1所示的電路輸入端接入一個10 μF的電解電容。此時，利用電容兩端電壓不能突變的特性，使得管子TIP42C導(dǎo)通時緩慢導(dǎo)通，470 μF的電容放電時才不至于太快，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功率管都存在開啟電壓Uon，故在|ui|

2 甲乙類互補(bǔ)對稱的功放電路(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，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，先調(diào)靜態(tài)值。將萬用表調(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，該電路中無論哪個電容去掉都會影響到u0的波形，下面分幾種情況具體來討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.1 電容C1接上，而C2不接時的實(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，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)信號時，功放電路中就沒有負(fù)電源向管子TIP42C供電，管子就無法工作(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(ui< 0)輸入時，管子TIP41C靜態(tài)時的基極電壓與輸入信號的負(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，這時從示波器上觀察到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的信號輸入時產(chǎn)生的，且管子TIP41C導(dǎo)通時存在交越失真的現(xiàn)象，所以波形的幅度較小。而當(dāng)ui< 0的信號輸入時，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，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，這時從示波器上觀察到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)象說明在正信號輸入時，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)信號輸入時，管子TIP41C的基極電壓為負(fù)值，管子TIP41C截止，同時二極管4007也瞬間截止，管子TIP42C只能截止，輸出電壓無波形。

3 結(jié)束語

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講述電路的工作原理，但是理論上分析時經(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。