调试功率放大电路中常见问题的探讨与解决方案

张 浩,张建荣（山西大学商务学院，山西太原，030031）

调试功率放大电路中常见问题的探讨与解决方案

张 浩,张建荣
（山西大学商务学院，山西太原，030031）

针对功率放大电路中接地方式，波形失真以及热击穿三种常见问题做出解释并对提出解决方案。在功率放大电路中添加电容，电阻等元件改进电路稳定性。

晶体管；非线性失真；热击穿

在调试功率放大电路时，针对其接地方式，波形失真以及电路器件热击穿三种常见问题的解决方案。

1、原理图接地符号表示所有的电路的返回路径，其阻抗不一定等于零。当电流幅值或频率增大，直流电源的阻抗会产生较大的电压而产生干扰，影响放大器的精度。因此须加入电源的去耦电容，使用小电容和大电容的双通道电容是为了在低频和高频范围内充分减小电源交流阻抗。此外直流电源应尽可能的靠近后级放大器，以防止后级信号耦合到前一级的输入端而产生自激，由此可类比直流电源的去耦电容也应尽量靠近电源设计。

在连接示波器后常看不到输出波形，大多数为未共地所致。功率放大器很多是双电源供电，需要+V和—V两路直流电源，直流电源上标有正负极和接地端。若直接把电源负极接在放大器的地端，此时两路直流电压负极虽然接在一起，但是和示波器等仪器并不共地，无法正常显示波形，这时将放大器的共地端接到直流电源的接地端即可。由于各仪器内部接地方式不同，有些双通道仪器在内部已经共地，进行调试时，两接入点相当于短路，可能会损坏电路板。在调试时应注意此类问题。

运用不同的电路结构，等效交流接地点不同。在设计电路时，从基级看入的偏置电路的阻抗并不相等，失调电流增加，需要在偏置电路上并联一个电容来改善高频失真，使电路有足够的交流对称性。有MOS管的电路交流接地可能会影响MOS管的阻抗。

2、功率放大器调试时的主要问题是失真。许多功率放大器前级使用op放大器，由于op放大器内部相位补偿电路都是按照单级使用时制作，与其他放大器级联时，负反馈以及两级阻抗并不匹配电路不稳定，需要使用射级跟随器与op放大器级联进行阻抗匹配并且加入相位补偿电路。一般来讲，后级输入阻抗大于前级阻抗5-10倍以上认为阻抗匹配良好。

功率放大电路尽量选择晶体管工作在相对稳定的状态。发射极电流增加频率特性较好。此外晶体管是按照h FE分档，h FE受到集电极电流影响，电流越大，温度越高，h FE就越小，应选择在h FE变化最小的范围内使用。一般而言，在额定电流1/3较好。

对于大信号，晶体管性能发生变化。大信号在基区注入的电子，加大了基区的掺杂浓度，基区的等效电阻减小，同时伴随发射极电流集边效应以及基区宽度调制效应。晶体管的伏安特性改变。而MOS管由于栅极电流极小此影响较小，但是要注意MOS管的衬底电位。若对衬底电位不加以控制，衬底电位变化较大会造成MOS管的导电沟道失效。元件性质改变，输出波形可能失真。最常见的失真是带负载后发生截止或者饱和失真，在调节阻抗匹配的射级跟随器后接上负载电阻，输出波形的负侧被削去。使用单级跟随器时解决输出负载加重问题是加大静态电流，对于偏置电路尽量让其通过基级电流可以忽略的足够大的电流，削弱基级电流的影响，以使基级直流电位偏离值较小。即便加大空载电流，接入负载后取出大电流时可能发生截止或饱和失真。可使用推挽型射级跟随器来改善上述问题，利用二极管的正向压降来抵消两个晶体管的死区电压，克服交越失真。由于晶体管的基级-发射极间电压为导通和截止的交界状态，把静态电流近似为0，无有用信号输入时，没有电流流过，能量利用率高。对于交越失真可以使用OP放大器的强负反馈来减弱。但是反馈电阻值不可取的过小，否则会导致输出电流过大，射级跟随器不能有效的驱动反馈电阻。

在高频信号下，闭环放大可能会使功率放大器发生自激振荡。除了在制作电路板时要合理安排线路之外，加入一些相应器件来防止发生自激。控制自激的常用器件有电容和电阻。如共射放大电路，可在集电极与基极上连接一个电容，在高频信号下减小放大倍数或者在输入端加入电阻减小反馈信号来削弱自激。

3、在调试电路时常发生热击穿。由于晶体管工作时，发射极正偏，集电极反偏，所以集电极的发热量是主要影响因素。设计电路时应当充分考虑电路的散热问题。晶体管的VBE具有负温度系数，用二极管的正向压降来抵消两个晶体管的死区电压的推挽型射级跟随器由于集电极发热，导致VBE减小。而二极管的发热量较小，压降不变，此时二极管压降大于VBE，促使集电极极电流增加，发热量进一步增加反复进行导致热击穿。晶体管的安全工作区域是由集电极损耗，集电极-发射极间电压和二次击穿共同限制。使用射级跟随器并联的电路结构，全部的集电极损耗由多个晶体管并联共同分担，这样就降低了热击穿的风险。所有晶体管都应该进行热耦合，让它们的温度保持一致。基级串联的电阻是为平衡电流，使晶体管流过的电流尽量相等。并联结构的推挽型射级跟随器的输出阻抗降低，但是高频截止频率降低。

推挽型射级跟随器的对管安装热沉，在电路板上涂导热膏，增加散热片或者在偏置电路后加一些保护电路都可以抑制热击穿。

以上对功率放大电路中常见问题作了部分解释与相应的数种解决方案。但电路还应该从实际需求出发，不同的应用背景要用不同的方案。

[1]铃木雅臣（日）：晶体管电路设计上，科学出版社

[2]铃木雅臣（日)：晶体管电路设计下，科学出版社

[3]杨欣，莱·诺克斯，王玉凤等：电子设计从零开始，清华大学出版社

[4]柴木肇（日）：晶体管电路活用技巧，科学出版社

[5]黑田彻（日）：基于OP放大器与晶体管的放大电路设计，科学出版社

[6]黑田彻（日）：晶体管电路实用设计，科学出版社

[7]门宏：晶体管实用电路解读，化学工业出版社

The discussion and solution of the common problems in the debugging power amplifier circuit

Zhang Hao,Zhang Jianrong
（School of business,Shanxi University,Shanxi Taiyuan,030031）

In view of the power amplifier circuit grounding mode, waveform distortion and thermal breakdown of three common problems to explain and put forward the solution. In the power amplifier circuit to add capacitance, resistance and other components to improve the stability of the circuit.

transistor; nonlinear distortion; thermal breakdown