首先图1是一个比较典型的音频功放,其来源是HIFIDIY.NET论坛,且品质得到众多发烧友的认可。只不过这是一个OCL功放
图1 DX AMP
图中Q3的发射极电阻和电容是我加上去的,原图是没有的。注意图中我标记的内容。容易认识到电压放大管Q3是放大通路的分水岭,Q3的B极之前是小信号电路,可以用小信号模型分析,而Q3的C极之后是大信号电路,要用分析大信号电路的方法来分析。
首先我们来了解大信号和小信号有什么区别。
看图2,这是常用的东芝大功率三极管2SC5200的IV特性曲线。
图2 大功率三极管2SC5200特性曲线
我在图中作出了红色的负载线,可以看到蓝色标注的X点,IC=6A,而IB=100mA,β值只有60,而Y点的β值是100多一点。可是在小信号情况下我们认为β是一个常数。所以如果照搬小信号分析时的结论而应用于大信号电路分析,极有可能造成错误。
需要说明一点的是:图2中的负载曲线表示的负载是1R,实际扬声器是8R、4R等规格。这样画的目的是为了说明我的观点。而饱和区的β值则会更小。
再看图3,这是三极管TIP41的Datasheet中的figure1
图3
从图中可以看到β值(β与hFE之严格定义和区别,请参看陈星弼《晶体管设计与原理(第2版)》等资料)随着集电极电流的变换情况,注意此图中用的是对数坐标。
我们知道扬声器的负载是8R、4R等规格,而电源用±16V,±30V等很正常,图1中用的是±35V。假如我设定±16V,则8R负载时,瞬间输出电流可达2A,这样IB就需要2A/100=20mA,这不再是一个可以忽略的量。
那我们来看一下没有自举时的情况会怎样?
图4
T1的输入忽略了偏置。考虑两种极端情况,第一种如图4.(蓝色的叉叉表示“此路不通”)当输入信号处于负半周时,即T1被截止的时候,T1的集电极是高电平,但是由于输出管的IB是mA级甚至10mA级,而电阻RC是kΩ级(这是因为为了保证电压放大线性度,电压放大管一般用小功率管,那么它的集电极偏置电流不能太大,所以RC不能太小),则RC上的压降是很可观的,而T2的E极电压跟随其B极,减掉一个VRC压降后,显然输出再也达不到VCC。
再看另一种极端情况,见图5
图5
此时T1是导通,甚至饱和。则电流流向如图中红线,这两个电流加在一起也是可观的,但是前面讲过RE是相对小的阻值。设想从图4的情形快速转变到图5的情形,则在转变完成后很短时间内CE是需要从VEE开始充电的,这样T1的C极就能够到达VEE或者非常接近VEE,从而输出可以到达VEE+|VBE|,可以认为能达到VEE。
经过上述分析,我们认为要扩展输出摆幅,电路需要改进。改进一,采用两级射随,TIP41/42属于中等的功率管,其与A1943/C5200组成达林顿结构。改进二,用自举电容。在怎样加电容之前,我们看到问题是在输出处于正半周的时候,RC上的压降大;而输出处于负半周的时候,除了不能缺少的T3的基极电流外还有额外的T1的集电极电流,但是无法消除的。
在加自举电容前,我们先来了解电容的性质。所以我们先看图6所示的最简单的整流滤波电路
图6 |