BTL音频功率放大电路教学研讨

曹钟林

（无锡商业职业技术学院，江苏无锡，214153）

BTL音频功率放大电路教学研讨

曹钟林

（无锡商业职业技术学院，江苏无锡，214153）

在高职院校的《模拟电子技术》课程中，OCL和OTL音频功率放大电路讲解的较多，而应用较为广泛的BTL ( Balanced Transformer Less平衡无输出变压器) 音频功率放大电路往往略讲， BTL电路较OCL和OTL电路优点是显而易见的，应当给予一定的关注。本文从教学的角度解析BTL电路的结构、原理及设计制作思路。

BTL；OCL；前置放大；功率放大；电源利用率

1 BTL音频功率放大电路结构、工作原理及特性

1.1 BTL音频功率放大电路结构

BTL亦称桥式推挽电路，功率放大器的输出级与扬声器间采用电桥式的联接方式，主要解决OCL、OTL功放效率虽高，但电源利用率不高的问题。在相同的工作电压和相同的负载条件下，BTL功放是它们输出功率的3至4倍，其效率与OCL、OTL功放相近，适用于电源电压低而需要获得较大输出功率的场合，其电路结构见图1。

从BTL电路结构可见，BTL电路就是将两组完全对称的OCL电路以特定的形式进行连接，OCL电路负载RL（扬声器）接地，BTL电路的负载RL接在两组OCL电路的输出端。另OCL电路的激励信号Ui是单极性的音频信号，而BTL电路的激励信号是大小相等、极性相反的音频信号。

图1 BTL电路结构示意图

1.2 BTL音频功率放大电路工作原理

V1和V2是一组OCL电路输出级，V3和V4是另一组OCL电路输出级。 两组功放的输入端同时加入电压幅值相等、极性相反的音频激励信号＋Ui和-Ui，其工作原理分析如下：

① 静态时，即BTL电路无输入信号，电桥平衡，负载RL中无直流电流，动态时，桥臂对管轮流导通。

②在输入信号正半周时，＋Ui和-Ui同时激励使V1、V4导通，V2、V3截止，负载电流由

＋VCC→V1→RL→V4→-VCC。如图1中的实线所示。

③在输入信号负半周时，＋Ui和-Ui同时激励使V1、V4截止，V2、V3导通，负载电流由

＋VCC→V3→RL→V2→-VCC。如图1中虚线所示。

可以看出，在输入信号一个完整的周期，BTL电路正负电源始终工作。对比OCL电路，如图2所示。

在输入信号＋Ui正半周时，V1导通，V2截止，负载电流由＋VCC→V1→RL→GND，如图2中的实线所示，负电源未被利用。在输入信号＋Ui负半周时，V2导通，V1截止，负载电流由GND→V2→RL→-VCC，如图2中的虚线所示，正电源未被利用。OCL电路正负电源只能交替工作。所以OCL电路电源利用率比BTL电路电源利用率低。

OCL乙类互补对称功率放大电路存在交越失真，不适宜作音频功放。目前应用较多的OCL甲乙类互补对称功率放大电路，该电路减少了交越失真，改善了输出波形。

图2 OCL电路结构示意图

1.3 BTL电路与OCL电路输出功率比较

功率放大器与一般的电压放大器或电流放大器的要求不同，主要是要求输出功率（output power）Po尽可能大，这是设计功率放大器需要考虑的要点之一。

①OCL电路输出功率计算

设输出电压的幅值为Uom，有效值为Uo；输出电流的幅值为Iom，有效值为Io。则功率放大电路输出功率一般公式为

由于功率放大管工作采用共集（射极输出器）方式，则Uom≈Uim，Po正比Uom，也即正比Uim，说明功率放大器需要足够的激励信号。当输入信号Uim足够大，使Uom=Uim=VCC-UCES≈VCC时，可得OCL最大输出功率Pom。Pom正比

②BTL电路输出功率计算

由BTL电路结构和工作原理可知，当BTL电路输入端加足够的激励信号，在整个周期内使V1、V4与V2、V3交替饱和导通，即有正负电源提供的能量被充分利用，忽略管子的饱和压降UCES，负载两端获得的电压幅值Uom=Uim≈VCC- （-VCC）=2 VCC，BTL电路输出最大功率PO=POm。

综上所述，BTL电路的主要特点有：两个输出端直流电位相等，无直流电流通过扬声器，与OCL(含OTL) 电路相比，在相同的电源电压和负载情况下，BTL电路输出电压可增大1倍，输出功率可增大4倍，这意味着在较低的电源电压时也可获得较大的输出功率。BTL电路的效率在理想情况下为78.5%。

分立元件组成OCL功放对管子的对称比较苛刻，需要做到一致，否则会造成输出失真，不同极性的功率三极管配对相对较难。如果用分立元件构建BTL功放，情况就不相同，只要同极性（型号）的功率三极管对称即可，这是由BTL电路的工作原理推出的结果，也得到了实验的验证。

2 BTL电路前置放大电路的几种选择

根据前面的分析，BTL音频功率放大电路若要输出足够的功率，就需要获得足够大的激励信号，这个激励信号一般通过前置放大电路来实现。前置放大电路还具有变换输入阻抗，使之与信号源相匹配。

BTL电路工作原理可知，要使BTL电路正常工作，还需将两个大小相等、极性相反的信号同时施加到输入端，缺一不可，所以需将同一信源的信号分离成大小相等、极性相反的信号。

2.1 BTL电路前置放大电路一

①电原理图示意图（如图3所示）

图3 BTL电路前置放大电路一

②基本工作原理分析

将微弱的音频输入信号Ui输入到运算放大器A1的反相端，经过运放反相比例放大，在其输出端得到Uo1，Uo1=-（Rf1/ R1）Ui，结果表明输入的音频信号Ui经反相比例运算放大，电压放大了Rf1/R1倍，输出电压与输入电压反相；同时将微弱的音频输入信号Ui输入到运算放大器A2的同相端，在其输出端得到Uo2，Uo2=（1+Rf2/R2）Ui，结果表明输入的音频信号Ui经同相比例运算放大，电压放大了（1+ Rf2/R2）倍，输出电压与输入电压同相。

设R1=R2、Rf1=Rf2。当Rf1/R1远大于1时，Rf1/R1≈（1+ Rf2/R2），则有Uo1≈-Uo2。

运算放大电路具有输入阻抗高的特性，即获取信号的能力强。运算放大电路具有输出阻抗低的特性，即带负载能力亦强。故运放常用于电子电路的输入前置级。另运算放大电路的电压放大倍数Au调节简单，得到较为广泛的应用。

本例运用双运放反相比例放大和同相比例放大的特性，电路既可实现对微弱信号进行一定比例的放大，又将同一信号分离成大小相等、极性相反的信号，这恰恰是BTL电路正常工作所需的。实践证明该电路形式简单，是切实可行的，可作为是BTL电路前置放大的优选电路。

图3中的RW为输出调节同轴电位器，用于调节BTL激励信号的大小，2个BTL激励信号通过同轴电位器同步调节，可保证激励信号的一致，否则会导致BTL电路输出失真。RW同轴电位器作为音量调节电位器，介于前置放大电路与BTL末级功放之间。

2.2 BTL电路前置放大电路二

①电原理图示意图（如图4所示）

图4 BTL电路前置放大电路二

②基本工作原理分析

信号分离：将微弱的音频输入信号Ui经电容C1耦合到由晶体三极管V1、Rb、Rc、Re构成的甲类放大电路，在V1的发射极和集电极分别输出Uo1和Uo2。设Rc=Re，通过微变等效可以计算出Uo1≈-Ui，Uo2≈Ui。显而易见，从集电极输出的信号Uo1与输入信号反相，从发射极输出的信号Uo2与输入信号同相。

信号放大：Uo1通过电容C2耦合到运算放大器A1的反相端，通过反相比例放大，在其输出端得到，同时Uo2通过电容C3耦合到运算放大器A2的反相端，通过反相比例放大，在其输出端得到。设Rf1= Rf2，则有

本例这种电路组合既实现了对微弱的音频信号的放大，同时也得到了大小相等、极性相反的信号，以供BTL电路正常工作之用。

需要指出的，V1集电极与发射极输出信号反相电路的一致性较差，这是因为发射极输出阻抗小而集电极输出阻抗大导致的。由于后级采用了高输入阻抗的集成运放，故影响不大。

2.3 BTL电路前置放大电路三

运用差分放大电路作前置放大，音频信号从差分放大电路的一端输入，经差分放大分别从差分对管的集电极输出大小相等、极性相反的信号作为BTL电路的输入激励信号。这里提供一种新的选择思路作一般叙述。

3 BTL音频功率放大电路整体设计制作与实现要点

灵活运用掌握的《模拟电子技术》课程中的电源、晶体三极管、运放和OCL电路等知识，是设计制作BTL音频功率放大电路的基础。

（1） 建立BTL音频功率放大电路整体设计框图（如图5所示）

图5 BTL音频功率放大电路整体设计框图

（2） 列出BTL音频功率放大电路设计技术参数及指标

①输出功率Po②效率③非线性失真THD④频率响应⑤输入灵敏度⑥信噪比

（3）BTL音频功率放大电路整体设计制作的其他工作流程

①围绕音频功率放大电路技术参数及指标选择匹配电路。

②在电路仿真平台上搭建电路，进行仿真测试并加以修正。

③仿真测试通过后选定应用电路，生成布局、布线合理的PCB图并按规范流程制作PCB电路板。选取并筛选元器件，正确焊接、连接和调试电路。选择功率BJT器件的极限参数应留有余量、并采用散热器。

④测试：用专用仪器测试BTL音频功率放大电路技术参数及指标，对设计预期目标加以验证。

总而言之，在《模拟电子技术》课程有关BTL音频功率放大电路章节的教学中，只要准确解析BTL音频功率放大电路结构、工作原理及特性，举例得当充分，拓宽学生的思维，并辅以一定的实验，提高其学习兴趣、积极性和创新理念，就会达到或超出预期的教学效果。

[1]崔玫.《模拟电子技术基础》.清华大学出版社.2011

[2]华成英.《模拟电子技术基础》.北京高等教育出版社.2001

[3]邓宽林.《如何利用集成功放构成BTL电路》.现代电子技术.2003（14）

[4]郭玉山《BTL功率放大器典型电路设计》科技资讯 2011(01)

Teaching research on BTL audio power amplifier

Cao Zhonglin
（Wuxi Institute of Commerce and Technology,Jiangsu Wuxi,214153）

In the course of 《Analog Electronic Technology》in higher vocational colleges, the OCL and OTL audio power amplifier circuit is more and more widely used, and the BTL (Transformer Less Balanced balanced output transformer) audio power amplifier circuit is often omitted. The advantages of BTL circuit and OTL circuit are obvious, and it should be given some attention. This paper analysis the structure, principle and design method of BTL circuit from the perspective of teaching.

BTL;OCL;preamplifier power;amplifier power;utilization

曹钟林（1959—），男，江苏扬州市人，高级实验师，副教授，研究方向应用电子技术教育。

基金：江苏省应用电子技术专业中高职衔接课程体系建设研究课题（2015SKT001）