互补对称电路中的自举电容

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OTL及OCL功率放大器的末级,大都采用互补对称电路。在互补对称电路中,通常都有自举电容,如图1中的电容C就是自举电容。自举电容在电路中起着增大动态范围及提高增益的作用,下面具体分析一下它是如何起到这样的作用的。

图1
图1 🔍原图 (458×592)

增大动态范围

为了说明自举电容C的作用,先来分析一下没有这个电容的情况,见图2。我们希望电路的动态范围尽可能地大,即要求在有u\(_{i}\)时,中点电位uk的变化范围尽可能地大,其最高值u\(_{kmax}\)应能接近电路中的最高电位Ec(u\(_{kmax}\)≈Ec),最低值u\(_{kmin}\)应能接近电路中的最低电位O(ukmin≈0)。

图2
图2 🔍原图 (464×494)

只有当T\(_{2}\)截止,T3接近于饱和时,才能使u\(_{k}\)=Uces3≈0。欲使T\(_{3}\)接近于饱和,它的基极电位应比发射极电位低0.7V(硅管)或0.3V(锗管),同时还应有较大的驱动电流ib3。实际上只要u\(_{i}\)足够大,ubl足够高,i\(_{b1}\)足够大,T1即可饱和。它的集电极电位u\(_{c1}\)就足够低,从而使ub3足够低,T\(_{3}\)接近于饱和。因此ukmin≈0的要求可以实现。

然而u\(_{kmax}\)≈Ec是不能实现的。因为要使u\(_{kmax}\)≈Ec,T\(_{2}\)应接近于饱和,T3应截止。要使T\(_{2}\)饱和,必须有足够大的基极驱动电流ib2。不难看出,i\(_{b2}\)是由电源电压Ec经电阻R\(_{3}\)、R4提供的,其大小为i\(_{b2}\)=[(Ec-u\(_{k}\))/(R3+R\(_{4}\))]-IR5(I\(_{R5}\)为R5中的电流)。如果T\(_{2}\)趋于饱和,则有uk≈E\(_{c}\),由上式不难看出uk≈E\(_{c}\),ib2≈0,这说明此时不可能有足够大的i\(_{b2}\)维持T2饱和,u\(_{k}\)也不可能接近于Ec。

这样,当输入电压u\(_{i}\)足够大时,ukmin可以接近于0而使输出电压负半周有足够大的幅度。但u\(_{kmax}\)因不能接近于Ec而使输出电压的正半周输出幅度减小,这样将产生失真而使电路的输出动态范围减小。

在图2中A点与K点之间接入自举电容C后(见图l),就可以解决这个问题。在图1中,通常取R\(_{3}\)《R4+R\(_{5}\),因此在静态时R3两端的直流电压可以忽略不计。这样,静态时A点电位U\(_{A}\)应为UA≈E\(_{c}\)。由于电路在静态时,中点电位Uk被调整为U\(_{k}\)=Ec/2,故电容C两端的电压U\(_{c}\)应为Uc≈E\(_{c}\)-Ec/2=E\(_{c}\)/2。同时因C的容量取得很大,其充、放电速度很慢。这样,当有输入信号时,虽然中点电位uk要变化,但电容两端的电压u\(_{c}\)应基本不变,维持其静态值,uc≈U\(_{c}\)≈Ec/2。

在图1中,T\(_{2}\)的基极驱动电流可以看作是由A点电位uA经电阻R\(_{4}\)提供的。如果ukmax=E\(_{c}\),即K点电位uk由静态值U\(_{k}\)=Ec/2升高E\(_{c}\)/2,由于uc始终维持为E\(_{c}\)/2,就将A点电位uA也由静态值U\(_{A}\)近似升高Ec/2,于是A点电位将变为u\(_{A}\)≈3Ec/2。也就是说,提供T\(_{2}\)基极驱动电流的电压uA将比电源电压E\(_{c}\)还高出Ec/2,且始终比u\(_{k}\)高Ec/2,而不是u\(_{A}\)与uK趋于相等。只要R\(_{4}\)取得合适,就可以使T2有足够大的基极驱动电流,而使它趋于饱和,从而使u\(_{kmax}\)≈Ec。因此,有了电容C就可以使u\(_{kmax}\)≈Ec的要求可以实现,从而解决了图2电路的问题,使图1所示的互补对称电路有较大的动态范围。

由以上分析可见,电容C的作用是当中点电位u\(_{K}\)升高时,使基极供电电位uA自动地随着升高,或说是由k点电位的升高自动地“举高”A点的电位,这种作用称为自举,相应地电容C称为自举电容。

提高增益

在互补对称电路中,电阻R\(_{5}\)的作用是为T2、T\(_{3}\)建立静态偏置,使它们工作于甲乙类。通常其阻值很小,R5《R\(_{4}\),故R5两端的信号电压很小,可以近似地看作短路(若R\(_{5}\)较大,可在它两端并联电容Cb,见图1、图2中虚线所示,以保证R\(_{5}\)对信号而言可看作短路,T2、T\(_{3}\)两只管子的基极信号电位可看作相等)。这样,对图2所示没有自举电容C的电路来说,当T2导通时,T\(_{3}\)截止,交流等效电路将如图3(a)所示。当T3导通,T\(_{2}\)截止时,交流等效电路将如图3(b)所示。无论是图3(a),还是图3(b),R3、R\(_{4}\)两端的信号电压就是T2或T\(_{3}\)的输入电压,它们加在L2或T\(_{3}\)的b、c两极之间,而负载RL两端的输出电压取自于T\(_{2}\)或T3的c、e两极之间。因此,输入、输出的公共端为集电极C。也就是说,这时作为末级的互补对称管T\(_{2}\)、L3构成的是共集电极放大器,或说是射极输出器。这种电路没有电压放大作用(电压放大倍数A\(_{u}\)≈1),功率增益也比较低。

图3
图3 🔍原图 (881×291)

对图1电路来说,由于C的电容量很大,对信号的容抗很小,可以看作短路,即对信号而言,A点与K点被接到一起,这样T\(_{2}\)导通及T3导通时的交流等效电路将分别为图4(a)、图4(b)所示。在这里,电阻R\(_{4}\)两端的电压就是T2或T\(_{3}\)的输入电压,它们加在T2或T\(_{3}\)的b、e两极之间,而负载RL两端的输出电压仍取自于T\(_{2}\)或T3的c、e两极之间。因此,输入、输出的公共端不再是集电极c,而变成了发射极e。这时T\(_{2}\)、T3构成的电路是共发射极放大器。共发射极放大器不仅有电流放大作用,也有电压放大作用,因此与没有自举电容C的情况相比,这时电路的增益就提高了。

图4
图4 🔍原图 (863×317)

最后需要指出,如果对电路的实际输出范围要求较小,大大小于末级互补对称电路的最大动态范围(对OTL电路为0~E\(_{c}\),对OCL电路为—EE~+E\(_{c}\)),且不要末级互补对称电路有电压放大作用(如某些用集成运算放大器作推动级的OTL或OCL电路),自举电容常常可以省去不用。(许茂祖)