分立元件的功放电路的实验研究

刘艳萍

(山西职业技术学院，山西 太原 030006)

0 引言

分立元件的单电源供电的功率放大电路在理实一体化教学中主要讲授乙类和甲乙类两类放大电路，而OTL形式的乙类放大电路输出波形失真严重，下面以这种放大电路为切入点，分情况讨论实验过程中存在的一些失真现象，以及电容元件对整个电路结果造成的影响。

1 乙类互补对称的功放电路(OTL形式)的实验研究

该电路的结构如图1所示[1]。实验时，由于功率放大电路工作于大信号状态下，故输入信号ui设为峰峰值Vpp=5 V，频率f=1 kHz的正弦信号。以下所有电路中的输入信号都取这个值。

图1 OTL基本电路

电路的工作原理为：工作时，功率管TIP41C和TIP42C总是轮流导通。当输入信号ui>0 时，功率管TIP42C截止，TIP41C逐渐导通，同时直流电源+12 V给电容C(470 μF)充电，很快E点电压达到6 V；当输入信号ui< 0 时，功率管TIP41C截止，TIP42C逐渐导通，同时电容C开始放电，它相当于-6 V的负电源给电路供电。

图2 消除交越失真的OTL电路

理论上负载10 k的电阻中流过的电流为放大后的输出电流，其波形应呈正弦波形；负载两端的输出电压未被放大，也应呈正弦波形。但是在实验室用示波器观察输出端的电压波形时，得到的结果却如图3所示。

图3 OTL基本电路的输出波形

分析原因，在ui< 0的负信号输入电路时，管子TIP42C很容易导通，470 μF的电容快速放电，故负载两端的电压波形出现了负半波削去波底的现象。要使负半波呈现完整的波底，应使管子TIP42C导通时相对缓慢些，从而使得470 μF的电容放电时间维持得长点，这样可以在图1所示的电路输入端接入一个10 μF的电解电容。此时，利用电容两端电压不能突变的特性，使得管子TIP42C导通时缓慢导通，470 μF的电容放电时才不至于太快，从而维持负半波波底的完整性。

再次输入信号ui，示波器上观察到输出电压的波形如图4所示。可见，同为OTL形式的乙类功率放大电路，只是输入端的元件稍有差别，便使得两次输出波形发生了很大变化，10 μF的电容在这里所起的作用不言而喻。

图4 存在交越失真的输出波形

很明显，这次得到的波形虽然波顶和波底同在，但是在正半波和负半波交接处出现了失真。引起这种失真的原因在于两个功率管都存在开启电压Uon，故在|ui|

2 甲乙类互补对称的功放电路(OTL形式)的实验研究

该电路结构如图2所示。实验时，各电阻和电位器的取值如下：R1=R2=1 k，RL=2 k，RP1=470，RP2=100 k，C1=10 μF，C2=220 μF。操作时，先调静态值。将万用表调至电压档，把两表笔分别放于两管TIP41C和TIP42C的基极，先调节电位器RP2，再调节RP1，反复多次调节，直至两基极间电压约为1.0 V为止。再输入正弦信号ui，用示波器观察负载两端电压即输出电压u0的波形，发现此时的波形已为平滑的、完整的正弦波，交越失真已经消除。

通过进一步的深入研究发现，该电路中的两个电容器C1和C2所起的作用很关键，C1为耦合电容，起到隔直通交的作用，C2则起着负电源的作用，它相当于电压为-6 V的负电源。实验表明，该电路中无论哪个电容去掉都会影响到u0的波形，下面分几种情况具体来讨论实验结果。

2.1 电容C1接上，而C2不接时的实验现象及研究

将图2所示电路中的耦合电容C1接上，而去掉电容C2，先调好静态值再输入正弦信号，从示波器上观察到u0的波形为平滑的正弦波，表面上看和消除交越失真后的正弦波形完全一样。但是这个实验结果和理论分析的结果根本不一致。因为若电容C2不接，当电路输入负信号时，功放电路中就没有负电源向管子TIP42C供电，管子就无法工作(因为三极管是有源元件)，这种情况下理论上分析u0的波形应该只有正半波，然而实验结果并非如此。

分析原因，发现负信号(ui< 0)输入时，管子TIP41C静态时的基极电压与输入信号的负电压叠加抵消后仍为正电压，故它的发射结始终是导通的，而管子TIP42C始终截止，因此示波器上显示的负载两端的电压波形始终为输入信号ui的波形，并不是经过功率放大电路以后的真正的输出电压波形，我们所看到的只是一种假象。

2.2 电容C1不接，而C2接上时的实验现象及研究

将图2所示电路中的耦合电容C1去掉，而C2接上，先调好静态值再输入正弦信号，这时从示波器上观察到u0的波形出现了失真，显示仅为幅度较小的正半波形，如图5所示。为什么会出现这种失真现象呢？究其原因，得知正半波形是在ui>0的信号输入时产生的，且管子TIP41C导通时存在交越失真的现象，所以波形的幅度较小。而当ui< 0的信号输入时，二极管4007瞬间截止，管子TIP42C很快导通，电容C2上已有的电荷只能顺着100 k的电位器这条支路向下运动，即瞬间放电。很快，放电结束，管子TIP42C又处于截止状态，故波形只有正半波，而无负半波。仔细观察，发现在正半波与横轴交接处总有一小段波形不太平滑，其实这部分波形正是电容C2放电过程的体现。

图5 失真的输出波形(a)

图6 失真的输出波形(b)

2.3 电容C1和C2均不接时的实验现象及研究

将图2所示电路中的电容C1和C2均去掉，先调好静态值再输入正弦信号，这时从示波器上观察到u0的波形出现了明显的失真，显示仅为幅度较大的正半波，如图6所示。这种实验现象说明在正信号输入时，管子TIP41C的基极电压为正值，发射极电压为0 V，管子TIP41C始终导通，这时u0的波形与ui的几乎一样，为幅度较大的正半波；在负信号输入时，管子TIP41C的基极电压为负值，管子TIP41C截止，同时二极管4007也瞬间截止，管子TIP42C只能截止，输出电压无波形。

3 结束语

实际中，功率放大电路常采用两管轮流导通的推挽电路来减小失真[3]，很多课本上常以乙类和甲乙类这两种功放电路为例来讲述电路的工作原理，但是理论上分析时经常忽略电路输入端的电容元件，其实电容的存在与否会直接影响到输出波形的失真程度。以上通过实验室亲自实验观察到了功放电路的各种失真现象，加深了对功放电路的理解。因此，注重实践操作，加强实验观察，是以后教学和研究的方向。