低β功率晶体管在高传真扩音机中的应用

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晶体管高传真扩音机的末级一般都采用互补或准互补推挽输出电路。为了减小交越失真,晶体管必须工作在甲乙类并且接近于乙类的状态,也就是说,无信号时管子不是完全截止,而是应有一个较小的静态电流。当信号一来到时,即使是较小的信号也要求管子马上进入放大区,对信号实现放大作用。这样对功放晶体管的β值就提出了一定要求,一般应在60~100之间。图1为末级功率管的I\(_{c}\)~Ib特性,可以看出,当管子的β≈50时,I\(_{c}\)~Ib特性还较好,即使I\(_{b}\)较小,管子也能导通,对应有一个Ic;当β≈30时,情况就不同了。可以看出,当信号电流I\(_{b}\)较小时,Ic有一段近似为零,即小信号时管子不导通,这样势必就要产生失真了。

为了消除这种失真,必须设法提高激励功率,并使它的起始推动电流在小信号一来到时就比较大。因此有的线路在激励级采用了β和功率都比较大的管子,如3DD100A、3CA1D、CD10B等,加上还要求配对使用,所以在业余制作时显得不太经济。

目前在业余制作活动中,低β值(如仅20~30倍)的大功率晶体管较便宜,数量也较多,怎样合理使用这些管子呢?下面向读者介绍一个“重叠式二次复合电路”。

重叠式二次复合电路原理

图2
图2 🔍原图 (515×545)

复合电路的原理见图2。其特点是激励级没有采用价格较贵的高β大功率晶体管,而是采用了两只低β的中功率晶体管复合起来来代用。由于复合管的电流放大倍数近似等于两管电流放大倍数的乘积,所以它既能输出较大的推动电流(即获得较大的推动功率),对于小信号也有较大的放大倍数,因此这时末级的功放管能使用低β值的大功率管。末级的具体电路见图3。

图3
图3 🔍原图 (808×637)

图3中,激励管采用一只NPN管(BG\(_{4}\))和一只PNP管(BG6)进行复合,等效得到一只NPN型的管子(BG'上)。这只NPN管再和一只NPN型的大功率管BG\(_{8}\)复合,最后得到一只相当于NPN型的推挽输出管,担负起信号正半周的放大任务;倒相激励管采用一只PNP管(BG5)和另一只PNP管(BG\(_{7}\))复合,得到一只相当于PNP型的管子BG'下。这只PNP管再和一只NPN大功率管BG9复合,最后得到一只相当于PNP型的推挽输出管,担负起信号负半周的放大任务。这就是所谓的“重叠式二次复合”。

图3中的R\(_{6}\)、R7是为了减小复合管的穿透电流而设置的分流电阻,R\(_{8}\)、R9是为了提高复合管工作稳定性而设置的负反馈电阻。这两个电阻的设置要降低一部分复合管的电流放大系数。总的电流放大系数为β\(_{上}\)≈β4·β\(_{6}\)·β8;β\(_{下}\)≈β5·β\(_{7}\)·β9。

激励级复合管的偏置电路

在OTL或OCL电路中,为了获得上下对称的输出波形,除了要求上、下复合管的特性尽量对称外,还要求上、下复合管的直流工作状态应尽量一致,这就要求偏置电路的设计应合理。

偏置电路的任务是给上、下复合管提供一个合适的静态偏置电压,使其有一个合适的静态工作电流,当信号一来到时管子马上进入放大状态,以克服交越失真。对于OTL电路来说,这个偏置电压还能使上、下复合管的直流状态完全对称,以此来取得1/2E\(_{C}\)的中点电压。这部分电路由图3中的BG2恒压源和BG\(_{3}\)恒流源组成,它们又都是BG1的集电极负载。BG\(_{1}\)起电压放大作用,工作于甲类状态。

上、下复合管的基极偏置电压U\(_{bb}\)'可参考图3求出:即Ubb'=U\(_{be上}\)+UR10+U\(_{be下}\)≈Ube上+U\(_{be8}\)+Ube下(忽略R\(_{12}\)、R14上的电压降)。又因为U\(_{be上}\)=Ube4,U\(_{be下}\)=Ube5+U\(_{R7}\)≈Ube5+U\(_{be7}\)(忽略R9上的压降),将其代入上式,并将所有硅管的U\(_{be}\)均按0.65伏计算,则Ubb'≈U\(_{be上}\)+Ube8+U\(_{be下}\)≈Ube4+U\(_{be8}\)+Ube5+U\(_{be7}\)≈0.65×4≈2.6伏。因为温度每升高产1℃时,硅管或锗管的Ube均增加2毫伏左右,则U\(_{bb}\)'为上述四管Ube增量之和,约为8毫伏。从图3又可以看出,U\(_{bb}\)'又是恒压源BG2的U\(_{ce2}\),当温度每升高1℃时,Ube2也要增加2毫伏,而U\(_{be2}\)增加会使Uce2下降。如果能使U\(_{be2}\)每增加2毫伏,Uce2就下降8毫伏,即满足U\(_{be2}\)/Uce2=1/4,就会正好补偿前面讲到的U\(_{bb}\)'的增量。

我们知道,U\(_{ce2}\)又等于Ic1在W\(_{1}\)、R3、R\(_{4}\)串联电路两端的压降,即Uce2=U\(_{w1}\)+UR3+U\(_{R4}\),而Ube2又等于U\(_{R4}\),所以Ube2/U\(_{ce2}\)=UR4/(U\(_{w1}\)+UR3+U\(_{R4}\))。显然,如果令R4/(W\(_{1}\)+R3+R\(_{4}\))=1/4,就会满足Ube2/U\(_{ce2}\)=1/4,就能达到对Ubb'的温度补偿。

调整这部分偏置电路时,应注意同时满足下面两项要求:①通过调整上、下偏置电阻的比值,即调整U\(_{be2}\)值来获得所需要的Ubb'值。此时只要U\(_{be2}\)固定不变,Ubb'也就固定不变(恒压)。因为U\(_{be2}\)是Ic1通过R\(_{4}\)/(W1+R\(_{3}\)+R4)分压取得的,BG\(_{3}\)是BG1的恒流源,I\(_{c1}\)≈Ie3≈\(\frac{U}{_{D}}\)-Ube3R\(_{5}\)≈1.4-0.7;150≈5毫安,基本不变,所以R4/(W\(_{1}\)3+R\(_{4}\))调好后,Ube2也不会再改变。由于BG\(_{2}\)恒压源的动态电阻很小,只有几十欧姆,流过BG2的电流大小对其恒压值没有影响,又保证了在交流状态下上、下复合管的基极电压的基本相等,则输出交流信号也会基本对称;②应使上、下偏置电阻的比值符合一定的比例关系,以满足温度补偿的需要。

实践证明,BG\(_{5}\)用锗管3AX31D代替,电路也能正常工作。这时Ubb'≈U\(_{be4}\)+Ube8+U\(_{be5}\)+Ubes≈0.65+0.65+0.12+0.65=2.1伏,U\(_{be2}\)/Uce2=0.65/2.1≈1/3,只要调整R\(_{4}\)/(W1+R\(_{3}\)+R4)的比值来满足这两个条件,就会得到满意的效果。

制作、调整注意事项

本电路对管子的各项要求见表1。对用于复合配对的管子,除了对β值有一个基本要求外,其U\(_{ce5}\)也不能相差太大。最后上、下复合管总的β值要求基本相等,即β4·β\(_{6}\)·β8≈β\(_{5}\)·β7·β\(_{9}\)。

图4
图4 🔍原图 (1851×781)

对其它元件没有什么特殊要求。1欧以下的小阻值电阻可用φ0.18mm的锰铜电阻丝(这种电阻丝每三米长的电阻有17欧)在废电阻骨架上绕制。R\(_{1}\)011、R\(_{14}\)、R15要选用功率大于1/2瓦的电阻。R\(_{14}\)、R15可采用多股锰铜丝并绕。另外,R\(_{6}\)和R7、R\(_{1}\)0和R11的阻值应尽量一致。

装配对,先安装BG\(_{1}\)~BG3、R\(_{2}\)~R5、W\(_{1}\)、C1、C\(_{2}\)。调整R5使I\(_{C1}\)≈4.7~5毫安。这时电流表必须串接在BG1的集电极回路,不能串接在发射极回路。否则由于表头内阻上存在电压降将使U\(_{be1}\)减小,甚至导致BG1不导通。BG\(_{1}\)如果不导通,除上述原因外,另一个原因则可能是URC太小。这是因为U\(_{be1}\)=URC- U\(_{R2}\),而UR2=I\(_{c1}\)·R2=5毫安×100欧=0.5伏是恒定的。当U\(_{RC}\)太小时,同样会导致Ube1变小。实践证明,U\(_{be1}\)必须调得足够大,即在断开BG1的基极测量U\(_{RC}\)时,URC≥l.25~1.35伏才能保证BG\(_{1}\)充分导通。

BG\(_{1}\)导通后,Uce1约在几伏的范围以内;BG\(_{1}\)如果没有导通,Uce1接近于E\(_{c}\),而Uce2、U\(_{ce3}\)均等于零。此时Ic1也等于零。当I\(_{c1}\)正常以后,再调整W1,即可获得所需要的U\(_{bb}\)'值。当BG5采用3CG3管时,调W\(_{1}\)使Ubb'≈2.4~2.6伏,并使R\(_{4}\)/(W1+R\(_{3}\)+R4)≈1/4;当BG\(_{5}\)采用3AX31D时,可调W1使U'\(_{bb}\)≈1.9~2.1伏,并使R4/(W\(_{1}\)+R3+R\(_{4}\))≈1/3即可。

W\(_{1}\)可采用0.25W、470ΩWJ型矩形微调金属膜电位器,直接焊在线路板上。或者先用外接电位器调好后再换上同数值的固定电阻。

调整时应注意BG\(_{2}\)的上偏电阻W1和R\(_{3}\)不要开路,否则BG2将截止。此时一方面会造成U\(_{b4}\)升高有可能烧毁上复合管。另一方面,由于上复合管c'-e'之间接近于短路状态,使中点电位升高,将会造成下复合管Ube下大大增加,这就势必要烧毁下复合管了。

I\(_{c1}\)及Ubb'基本正常后,安装好BG\(_{4}\)~BG7、R\(_{6}\)~ R11,然后通电。测量R\(_{1}\)0、R11上压降U\(_{R1}\)0、UR11,如果U\(_{R1}\)0≈UR11≤ 0.65伏,说明上、下激励管已基本对称。最后安装BG\(_{8}\)、BG9、R\(_{12}\)~R15,在BG\(_{8}\)、BG9集电极回路中串入电流表,细调W\(_{1}\),使ICQ8≈I\(_{CQ9}\)≈10~20毫安。为了符合对R4/W\(_{1}\)+R3+R\(_{4}\)配比的需要,最后可以用电仪器再细调一下R4的数值。此时如果I\(_{CQ8}\)和ICQ9从小到大变化始终相等,说明复合管基本对称,换上同数值的固定电阻以代替外接电位器即可。

有的大功率管性能不稳定,I\(_{CQ8}\)、ICQ9在通电一段时间后可能又有变化,要反复调整,直至稳定为止。(高鑫秋)

图1
图1 🔍原图 (380×380)