自行组装过一般OTL或OCL扩音机的无线电爱好者都知道,在扩音机工作在静态时,功放级的大功率管需保持一定的静态电流值,约为10~20毫安。那么,这个原则是根据什么确定的呢?不少读者可能通过试验发现:静态电流值太小时,如果将音量调小,扬声器中会出现明显的沙哑声,这种失真只有在小信号时才表现出来,被称为“交越失真”;若功放级静态电流值调得太大,功放管就会迅速发热,严重时甚至会将管子烧毁。
静态电流太小时,如果将音量调小,为什么会引起交越失真呢?为了谈清这个问题,我们先来了解一下与失真有密切关系的晶体三极管的特性曲线:由于一般功率放大电路几乎无例外的采用共发射极接法,所以我们只要研究一下晶体管共发射极电路的输入特性(见图1)及输出特性(见图2)就行了。


图1输入特性曲线中,横座标轴代表输入电压V\(_{BE}\)的大小,纵座标轴代表基极电流IB的大小,可以看出,只有输入电压V\(_{BE}\)大小一定数值(硅管约为0.6伏,锗管约为0.2伏)时,才能产生基极电流IB。我们将V\(_{BE}\)这个一定的数值称为晶体管基极的“正向导通电压”,用VBEO表示。当基极输入电压低于该管的V\(_{BEO}\)值时,没有基极电流流通,即IB≈0,此时更不会有集电极电流的变化ΔI\(_{C}\),集电极电流中仅包括集电极——发射极之间的漏电流Iceo,这时这只晶体管是没有放大作用的。当输入电压超过V\(_{BEO}\)值时,产生了一个基流ΔIB,引起集电极电流有一个变化量ΔI\(_{C}\),晶体管便产生了放大作用,放大倍数为hFE=\(\frac{ΔI}{_{C}}\)ΔIB。
图3是一个没有加偏置的推挽放大电路,当正向输入信号电压大于V\(_{BEO}\)时,上管导通,下管截止,产生IC1;当正向输入信号大于V\(_{BEO}\)时,两管均截止。当输入信号反向增加,并且幅度大于VBEO时,下管导通,产生I\(_{C2}\);如果信号是反向施加的,但其幅值小于VBEO,则两管均不导通。若从输入端加入一个正弦波信号,则在电路输出端负载上可得到一个如图4实线所示的波形。可以明显地看出,在上、下两管交替工作的一段区域,工作发生脱节,波形产生严重失真,这就是所说的交越失真。若对图4失真波形进行频谱分析,可以发现频谱中包含了除原来信号频率以外的丰富的高次谐波成分,所以扬声器的发声变得沙哑而且令人讨厌。


是否只要给功放管加上等于晶体管正向导通电压V\(_{BEO}\)的偏压,就可以消除交越失真呢?细心的读者会发现,交越失真的确会减小许多,但并不能根除。设此时在输入端输入一个正弦波信号,则输出波形如图5实线所示,可以看出它并不是一个真正的正弦波,在正、负半周的交接处波形仍然有一些畸变。其原因有如下两点:①晶体管输入特性曲线的起始处(见图1)有一些弯曲,即在IB很小时,I\(_{B}\)与VBE之间不成线性比例关系;②晶体管的放大倍数随集电极电流的大小而变化。I\(_{C}\)较小时,电流放大倍数较小;IC较大时,电流放大倍数增大。从图2特性曲线中也可以看出,I\(_{B}\)接近于零的几条特性曲线相隔较近,上面的几条曲线相隔较远。正是由于上述两种原因,使在小信号时输出电压的变化与输入电压不成线性比例关系,产生了失真。

为了确保功放电路不产生交越失真,功放电路需要建立一定的静态工作点。因为V\(_{BE}\)对管子的IB影响很大,于是对I\(_{C}\)影响也很大。又因为每只管子的VBEO值受温度和管子的V\(_{CE}\)值影响较大,每只管子的VBEO值又不尽相同,在业余条件下,V\(_{BEO}\)值也不容易测试准确,所以在实际工作中,往往不以偏压的大小来衡量工作点的高低,而是以管子集电极静态工作电流IC的大小来确定工作点。I\(_{C}\)值较容易测量,通过监视IC的大小,改变晶体管的基极上所加的正向偏压值,可很容易地调整好放大器的静态工作点。
静态电流选多大为合适呢?从减小输出信号的交越失真角度考虑,静态电流I\(_{C}\)值应适当大一些。如果静态IC值取得太小,对于高β的晶体管,则静态时I\(_{B}\)也很小。例如IC取1毫安,管子的β=40,则I\(_{B}\)=\(\frac{100}{40}\)=25微安。此时输入电路工作点正处于IB~V\(_{BF}\)特性的非线性区,信号肯定要产生交越失真。另外,如果所采用的是业余品大功率管,c—e极之间的漏电流Iceo可能较大,有的可能达到毫安级,这时,尽管所测得的静态电流I\(_{C}\)值有一定数值,但由于里面包含了较大成分的Iceo值,真正由于有I\(_{B}\)而产生的IC成分却较少,管子输入端所加的偏压V\(_{BE}\)值很小,可能等于或小于管子的VBEO值,I\(_{B}\)此时很小,近似于零,于是不可避免的要产生交越失真。为了克服交越失真,一般OTL和OCL功放电路的功放管,通常取静态电流为10~20毫安,例如北京核仪器厂服务公司生产的JMK—1、JMK—3型OCL扩音机就是按此而设计的。此时每只功放管静态功耗较小,用手摸管壳只感到微温。如果功放管Iceo值较大,为了减小交越失真,静态电流I\(_{C}\)值应适当取高些。
静态电流值是否取越大越好呢?不是。因为静态I\(_{C}\)值太大时,虽然交越失真消除了,电路却工作于甲类状态,使放大器的效率降低到仅有20~30%,电源损耗将大大增加。另一方面,功放管集电极功耗将大增,使管子严重发热,如果管子散热条件不良,将很快烧毁。所以静态电流IC应有一个确定的范围,不能太小,也不能太大。(盛宏志 张开善)