BTL功率放大器

大家知道OCL和OTL兩種功放電路的效率很高，但是他們的缺點(diǎn)就是電源的利用率都不高，其主要原因是在輸入正弦信號(hào)時(shí)，在每半個(gè)信號(hào)周期中，電路只有一個(gè)晶體管和一個(gè)電源在工作。為了提高電源的利用率，也就是在較低電源電壓的作用下，使負(fù)載獲得較大的輸出功率，一般采用平衡式無(wú)輸出變壓器電路，又稱為BTL電路。電路如圖1所示。

在輸入信號(hào) Ui正半周時(shí)，V1，V4導(dǎo)通，V2，V3截止，負(fù)載電流由VCC經(jīng)V1，RL，V4流到虛地端。如圖1中的實(shí)線所示。 在輸入信號(hào)Ui負(fù)半周時(shí)，V1，V4載止，V2，V3導(dǎo)通，負(fù)載電流由VCC經(jīng)V2，RL，V3流到虛地端。如圖1中虛線所示。可見(jiàn)：

（1）該電路仍然為乙類推挽放大電路，利用對(duì)稱互補(bǔ)的2個(gè)電路完成對(duì)輸入信號(hào)的放大；其輸出電壓的幅值為：UOM≈VCC 最大輸出功率為：Pom=0.5Uom(max)Iom(max)=0.5Vcc*Vcc/RL

（2）同OTL電路相比，同樣是單電源供電，在VCC，RL相同條件下，BTL電路輸出功率為OTL電路輸出功率的4倍，即BTL電路電源利用率高；

（3）BTL電路的效率在理想情況下，仍近似為78.5%。

集成功率放大電路構(gòu)成BTL電路的條件

在實(shí)際工作中經(jīng)常用到集成功率放大電路，兩塊對(duì)稱集成功率放大電路也可構(gòu)成BTL電路。用集成電路怎樣才能構(gòu)成BTL電路。上面已經(jīng)介紹了分立元件的BTL電路，首先我們來(lái)分析分立元件BTL電路特點(diǎn)：

（1）由電路結(jié)構(gòu)中可見(jiàn)，BTL電路由2個(gè)互補(bǔ)對(duì)稱電路構(gòu)成，A1，A2電路的元件參完全相同；

（2）2個(gè)互補(bǔ)放大器輸入端電壓極性相反，其值大小相等，即為差模信號(hào)。

（3）2個(gè)互補(bǔ)集成放大電路輸出端電壓的極性相反，值大小相等，即負(fù)載RL兩端電壓大小相等，極性相反。

根據(jù)以上特點(diǎn)，可采用2種型號(hào)、參數(shù)完全相同的集成功率放大電路，且使2個(gè)放大輸入信號(hào)極性相反，同時(shí)使負(fù)載兩端（輸出端）的電壓極性相反，便可構(gòu)成BTL電路，在實(shí)際中通常這種方法，容易使電路參數(shù)完全對(duì)稱，一般采用雙功率放大電路構(gòu)成。其原理框圖如圖2所示，要求A1，A2輸入信號(hào)大小相等，放大電路輸入、輸出回路完全相同，只有這樣才能保證負(fù)載RL兩端電壓大小相等；另一方面要求A1，A2都不具有（或都有）倒相作用，保證負(fù)載兩端電壓極性相反。另一種方法就是將雙端輸入改為單端輸入，輸入、輸出信號(hào)滿足上述要求即可。

與OCL、OTL功放相比，在相同的工作電壓和相同的負(fù)載條件下，BTL是它們輸出功率的3至4倍．在單電源的情況下，BTL可以不用輸出電容，電源的利用率為一般單端推挽電路的兩倍，適用于電源電壓低而需要獲得較大輸出功率的場(chǎng)合，在新型的集成功放電路中應(yīng)用比較廣泛。

簡(jiǎn)單的BTL放大器是兩個(gè)極性相反的OTL放大器或無(wú)變壓器的OCL放大器推動(dòng)的。

BTL放大器詳細(xì)寫法是 Balanced Transformer Less，一說(shuō)是Bridge Transformerless,此功率放大器沒(méi)有變壓器。

集成功放構(gòu)成BTL的方法

BTL電路要求輸入信號(hào)為正負(fù)信號(hào)（對(duì)地而言），如果前級(jí)電路是OCL電路，問(wèn)題不大，直接把對(duì)地平衡的正負(fù)信號(hào)輸入即可，如果前級(jí)是單端輸出的信號(hào)（以地為信號(hào)另一端），則要采取一定方法才行。集成功率放大電路在BTL電路中可采用以下方法。

（1） 輸入采用從雙差分的兩個(gè)集電極取得相反極性的信號(hào)，分別加入到兩個(gè)功放的同相端，反相端接地，在兩個(gè)功放的輸出端得到相反的信號(hào)輸出，推動(dòng)喇叭。這適合于雙端輸入，不接地，有正負(fù)極性信號(hào)的情況。如下圖3所示的電路。

（2）把一路輸出信號(hào)衰減到足夠小后再反饋到另一路功放的反相端，其同相端接地，這適合于單端輸入的情況。如下面幾個(gè)電路圖所示。

圖中兩個(gè)功放電路的電路結(jié)構(gòu)相同，增益相同，電源供電和接地線沒(méi)有畫出。在兩個(gè)功放的輸出端得到相反的信號(hào)輸出，推動(dòng)喇叭。

這是用TDA2030構(gòu)成的BTL功放。

射頻功率放大器：

射頻功率放大器（RF PA）是各種無(wú)線發(fā)射機(jī)的重要組成部分。在發(fā)射機(jī)的前級(jí)電路中，調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號(hào)功率很小，需要經(jīng)過(guò)一系列的放大一緩沖級(jí)、中間放大級(jí)、末級(jí)功率放大級(jí)，獲得足夠的射頻功率以后，才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻功率放大器。

射頻功率放大器是發(fā)送設(shè)備的重要組成部分。射頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)是輸出功率與效率。除此之外，輸出中的諧波分量還應(yīng)該盡可能的小，以避免對(duì)其他頻道產(chǎn)生干擾。

高頻功率放大器：

高頻功率放大器用于發(fā)射級(jí)的末級(jí)，作用是將高頻已調(diào)波信號(hào)進(jìn)行功率放大，以滿足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過(guò)天線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收級(jí)可以接收到滿意的信號(hào)電平，并且不干擾相鄰信道的通信。

高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率放大器或諧振功率放大器；寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出。在“低頻電子線路”課程中已知，放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同，將其分為甲、乙、丙三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的流通角為360o，適用于小信號(hào)低功率放大。乙類放大器電流的流通角約等于180o；丙類放大器電流的流通角則小于180o。乙類和丙類都適用于大功率工作。丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高者。高頻功率放大器大多工作于丙類。但丙類放大器的電流波形失真太大，因而不能用于低頻功率放大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載的諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然極近于正弦波形，失真很小。除了以上幾種按電流流通角來(lái)分類的工作狀態(tài)外，又有使電子器件工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的丁類放大和戊類放大。丁類放大器的效率比丙類放大器的還高，理論上可達(dá)100%，但它的最高工作頻率受到開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間所產(chǎn)生的器件功耗(集電極耗散功率或陽(yáng)極耗散功率）的限制。

如果在電路上加以改進(jìn)，使電子器件在通斷轉(zhuǎn)換瞬間的功耗盡量減小，則工作頻率可以提高。這就是戊類放大器。在低頻放大電路中為了獲得足夠大的低頻輸出功率，必須采用低頻功率放大器，而且低頻功率放大器也是一種將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換為交流輸出的能量轉(zhuǎn)換器。高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點(diǎn)都是輸出功率大和效率高，但二者的工作頻率和相對(duì)頻帶寬度卻相差很大，決定了他們之間有著本質(zhì)的區(qū)別。低頻功率放大器的工作頻率低，但相對(duì)頻帶寬度卻很寬。例如，自20至20000 Hz，高低頻率之比達(dá)1000倍。因此它們都是采用無(wú)調(diào)諧負(fù)載，如電阻、變壓器等。高頻功率放大器的工作頻率高（由幾百kHz一直到幾百、幾千甚至幾萬(wàn)MHz），但相對(duì)頻帶很窄。例如，調(diào)幅廣播電臺(tái)（535－1605 kHz的頻段范圍）的頻帶寬度為10 kHz，如中心頻率取為1000 kHz，則相對(duì)頻寬只相當(dāng)于中心頻率的百分之一。中心頻率越高，則相對(duì)頻寬越小。因此，高頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。由于這后一特點(diǎn)，使得這兩種放大器所選用的工作狀態(tài)不同：低頻功率放大器可工作于甲類、甲乙類或乙類（限于推挽電路）狀態(tài)；高頻功率放大器則一般都工作于丙類（某些特殊情況可工作于乙類）。

寬頻帶發(fā)射機(jī)的各中間級(jí)還廣泛采用一種新型的寬帶高頻功率放大器，它不采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路，而是以頻率響應(yīng)很寬的傳輸線作負(fù)載。這樣，它可以在很寬的范圍內(nèi)變換工作頻率，而不必重新調(diào)諧。綜上所述可見(jiàn)，高頻功率放大器與低頻功率放大器的共同之點(diǎn)是要求輸出功率大，效率高；它們的不同之點(diǎn)則是二者的工作頻率與相對(duì)頻寬不同，因而負(fù)載網(wǎng)絡(luò)和工作狀態(tài)也不同。

高頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)有：輸出功率、效率、功率增益、帶寬和諧波抑制度（或信號(hào)失真度）等。這幾項(xiàng)指標(biāo)要求是互相矛盾的，在設(shè)計(jì)放大器時(shí)應(yīng)根據(jù)具體要求，突出一些指標(biāo)，兼顧其他一些指標(biāo)。例如實(shí)際中有些電路，防止干擾是主要矛盾，對(duì)諧波抑制度要求較高，而對(duì)帶寬要求可適當(dāng)降低等。功率放大器的效率是一個(gè)突出的問(wèn)題，其效率的高低與放大器的工作狀態(tài)有直接的關(guān)系。放大器的工作狀態(tài)可分為甲類、乙類和丙類等。為了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙類、丙類，即晶體管工作延伸到非線性區(qū)域。但這些工作狀態(tài)下的放大器的輸出電流與輸出電壓間存在很嚴(yán)重的非線性失真。低頻功率放大器因其信號(hào)的頻率覆蓋系數(shù)大，不能采用諧振回路作負(fù)載，因此一般工作在甲類狀態(tài)；采用推挽電路時(shí)可以工作在乙類。高頻功率放大器因其信號(hào)的頻率覆蓋系數(shù)小，可以采用諧振回路作負(fù)載，故通常工作在丙類，通過(guò)諧振回路的選頻功能，可以濾除放大器集電極電流中的諧波成分，選出基波分量從而基本消除了非線性失真。

所以，高頻功率放大器具有比低頻功率放大器更高的效率。高頻功率放大器因工作于大信號(hào)的非線性狀態(tài)，不能用線性等效電路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法——折線法來(lái)分析其工作原理和工作狀態(tài)。這種分析方法的物理概念清楚，分析工作狀態(tài)方便，但計(jì)算準(zhǔn)確度較低。以上討論的各類高頻功率放大器中，窄帶高頻功率放大器：用于提供足夠強(qiáng)的以載頻為中心的窄帶信號(hào)功率，或放大窄帶已調(diào)信號(hào)或?qū)崿F(xiàn)倍頻的功能，通常工作于乙類、丙類狀態(tài)。寬帶高頻功率放大器：用于對(duì)某些載波信號(hào)頻率變化范圍大得短波，超短波電臺(tái)的中間各級(jí)放大級(jí)，以免對(duì)不同fc的繁瑣調(diào)諧。通常工作于甲類狀態(tài)。