BTL音頻功率放大電路教學(xué)研討

曹鐘林

（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫，214153）

BTL音頻功率放大電路教學(xué)研討

曹鐘林

（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫，214153）

在高職院校的《模擬電子技術(shù)》課程中，OCL和OTL音頻功率放大電路講解的較多，而應(yīng)用較為廣泛的BTL ( Balanced Transformer Less平衡無輸出變壓器) 音頻功率放大電路往往略講， BTL電路較OCL和OTL電路優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，應(yīng)當(dāng)給予一定的關(guān)注。本文從教學(xué)的角度解析BTL電路的結(jié)構(gòu)、原理及設(shè)計(jì)制作思路。

BTL；OCL；前置放大；功率放大；電源利用率

1 BTL音頻功率放大電路結(jié)構(gòu)、工作原理及特性

1.1 BTL音頻功率放大電路結(jié)構(gòu)

BTL亦稱橋式推挽電路，功率放大器的輸出級(jí)與揚(yáng)聲器間采用電橋式的聯(lián)接方式，主要解決OCL、OTL功放效率雖高，但電源利用率不高的問題。在相同的工作電壓和相同的負(fù)載條件下，BTL功放是它們輸出功率的3至4倍，其效率與OCL、OTL功放相近，適用于電源電壓低而需要獲得較大輸出功率的場(chǎng)合，其電路結(jié)構(gòu)見圖1。

從BTL電路結(jié)構(gòu)可見，BTL電路就是將兩組完全對(duì)稱的OCL電路以特定的形式進(jìn)行連接，OCL電路負(fù)載RL（揚(yáng)聲器）接地，BTL電路的負(fù)載RL接在兩組OCL電路的輸出端。另OCL電路的激勵(lì)信號(hào)Ui是單極性的音頻信號(hào)，而BTL電路的激勵(lì)信號(hào)是大小相等、極性相反的音頻信號(hào)。

圖1 BTL電路結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 BTL音頻功率放大電路工作原理

V1和V2是一組OCL電路輸出級(jí)，V3和V4是另一組OCL電路輸出級(jí)。 兩組功放的輸入端同時(shí)加入電壓幅值相等、極性相反的音頻激勵(lì)信號(hào)＋Ui和-Ui，其工作原理分析如下：

① 靜態(tài)時(shí)，即BTL電路無輸入信號(hào)，電橋平衡，負(fù)載RL中無直流電流，動(dòng)態(tài)時(shí)，橋臂對(duì)管輪流導(dǎo)通。

②在輸入信號(hào)正半周時(shí)，＋Ui和-Ui同時(shí)激勵(lì)使V1、V4導(dǎo)通，V2、V3截止，負(fù)載電流由

＋VCC→V1→RL→V4→-VCC。如圖1中的實(shí)線所示。

③在輸入信號(hào)負(fù)半周時(shí)，＋Ui和-Ui同時(shí)激勵(lì)使V1、V4截止，V2、V3導(dǎo)通，負(fù)載電流由

＋VCC→V3→RL→V2→-VCC。如圖1中虛線所示。

可以看出，在輸入信號(hào)一個(gè)完整的周期，BTL電路正負(fù)電源始終工作。對(duì)比OCL電路，如圖2所示。

在輸入信號(hào)＋Ui正半周時(shí)，V1導(dǎo)通，V2截止，負(fù)載電流由＋VCC→V1→RL→GND，如圖2中的實(shí)線所示，負(fù)電源未被利用。在輸入信號(hào)＋Ui負(fù)半周時(shí)，V2導(dǎo)通，V1截止，負(fù)載電流由GND→V2→RL→-VCC，如圖2中的虛線所示，正電源未被利用。OCL電路正負(fù)電源只能交替工作。所以O(shè)CL電路電源利用率比BTL電路電源利用率低。

OCL乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路存在交越失真，不適宜作音頻功放。目前應(yīng)用較多的OCL甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，該電路減少了交越失真，改善了輸出波形。

圖2 OCL電路結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 BTL電路與OCL電路輸出功率比較

功率放大器與一般的電壓放大器或電流放大器的要求不同，主要是要求輸出功率（output power）Po盡可能大，這是設(shè)計(jì)功率放大器需要考慮的要點(diǎn)之一。

①OCL電路輸出功率計(jì)算

設(shè)輸出電壓的幅值為Uom，有效值為Uo；輸出電流的幅值為Iom，有效值為Io。則功率放大電路輸出功率一般公式為

由于功率放大管工作采用共集（射極輸出器）方式，則Uom≈Uim，Po正比Uom，也即正比Uim，說明功率放大器需要足夠的激勵(lì)信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)Uim足夠大，使Uom=Uim=VCC-UCES≈VCC時(shí)，可得OCL最大輸出功率Pom。Pom正比

②BTL電路輸出功率計(jì)算

由BTL電路結(jié)構(gòu)和工作原理可知，當(dāng)BTL電路輸入端加足夠的激勵(lì)信號(hào)，在整個(gè)周期內(nèi)使V1、V4與V2、V3交替飽和導(dǎo)通，即有正負(fù)電源提供的能量被充分利用，忽略管子的飽和壓降UCES，負(fù)載兩端獲得的電壓幅值Uom=Uim≈VCC- （-VCC）=2 VCC，BTL電路輸出最大功率PO=POm。

綜上所述，BTL電路的主要特點(diǎn)有：兩個(gè)輸出端直流電位相等，無直流電流通過揚(yáng)聲器，與OCL(含OTL) 電路相比，在相同的電源電壓和負(fù)載情況下，BTL電路輸出電壓可增大1倍，輸出功率可增大4倍，這意味著在較低的電源電壓時(shí)也可獲得較大的輸出功率。BTL電路的效率在理想情況下為78.5%。

分立元件組成OCL功放對(duì)管子的對(duì)稱比較苛刻，需要做到一致，否則會(huì)造成輸出失真，不同極性的功率三極管配對(duì)相對(duì)較難。如果用分立元件構(gòu)建BTL功放，情況就不相同，只要同極性（型號(hào)）的功率三極管對(duì)稱即可，這是由BTL電路的工作原理推出的結(jié)果，也得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

2 BTL電路前置放大電路的幾種選擇

根據(jù)前面的分析，BTL音頻功率放大電路若要輸出足夠的功率，就需要獲得足夠大的激勵(lì)信號(hào)，這個(gè)激勵(lì)信號(hào)一般通過前置放大電路來實(shí)現(xiàn)。前置放大電路還具有變換輸入阻抗，使之與信號(hào)源相匹配。

BTL電路工作原理可知，要使BTL電路正常工作，還需將兩個(gè)大小相等、極性相反的信號(hào)同時(shí)施加到輸入端，缺一不可，所以需將同一信源的信號(hào)分離成大小相等、極性相反的信號(hào)。

2.1 BTL電路前置放大電路一

①電原理圖示意圖（如圖3所示）

圖3 BTL電路前置放大電路一

②基本工作原理分析

將微弱的音頻輸入信號(hào)Ui輸入到運(yùn)算放大器A1的反相端，經(jīng)過運(yùn)放反相比例放大，在其輸出端得到Uo1，Uo1=-（Rf1/ R1）Ui，結(jié)果表明輸入的音頻信號(hào)Ui經(jīng)反相比例運(yùn)算放大，電壓放大了Rf1/R1倍，輸出電壓與輸入電壓反相；同時(shí)將微弱的音頻輸入信號(hào)Ui輸入到運(yùn)算放大器A2的同相端，在其輸出端得到Uo2，Uo2=（1+Rf2/R2）Ui，結(jié)果表明輸入的音頻信號(hào)Ui經(jīng)同相比例運(yùn)算放大，電壓放大了（1+ Rf2/R2）倍，輸出電壓與輸入電壓同相。

設(shè)R1=R2、Rf1=Rf2。當(dāng)Rf1/R1遠(yuǎn)大于1時(shí)，Rf1/R1≈（1+ Rf2/R2），則有Uo1≈-Uo2。

運(yùn)算放大電路具有輸入阻抗高的特性，即獲取信號(hào)的能力強(qiáng)。運(yùn)算放大電路具有輸出阻抗低的特性，即帶負(fù)載能力亦強(qiáng)。故運(yùn)放常用于電子電路的輸入前置級(jí)。另運(yùn)算放大電路的電壓放大倍數(shù)Au調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，得到較為廣泛的應(yīng)用。

本例運(yùn)用雙運(yùn)放反相比例放大和同相比例放大的特性，電路既可實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行一定比例的放大，又將同一信號(hào)分離成大小相等、極性相反的信號(hào)，這恰恰是BTL電路正常工作所需的。實(shí)踐證明該電路形式簡(jiǎn)單，是切實(shí)可行的，可作為是BTL電路前置放大的優(yōu)選電路。

圖3中的RW為輸出調(diào)節(jié)同軸電位器，用于調(diào)節(jié)BTL激勵(lì)信號(hào)的大小，2個(gè)BTL激勵(lì)信號(hào)通過同軸電位器同步調(diào)節(jié)，可保證激勵(lì)信號(hào)的一致，否則會(huì)導(dǎo)致BTL電路輸出失真。RW同軸電位器作為音量調(diào)節(jié)電位器，介于前置放大電路與BTL末級(jí)功放之間。

2.2 BTL電路前置放大電路二

①電原理圖示意圖（如圖4所示）

圖4 BTL電路前置放大電路二

②基本工作原理分析

信號(hào)分離：將微弱的音頻輸入信號(hào)Ui經(jīng)電容C1耦合到由晶體三極管V1、Rb、Rc、Re構(gòu)成的甲類放大電路，在V1的發(fā)射極和集電極分別輸出Uo1和Uo2。設(shè)Rc=Re，通過微變等效可以計(jì)算出Uo1≈-Ui，Uo2≈Ui。顯而易見，從集電極輸出的信號(hào)Uo1與輸入信號(hào)反相，從發(fā)射極輸出的信號(hào)Uo2與輸入信號(hào)同相。

信號(hào)放大：Uo1通過電容C2耦合到運(yùn)算放大器A1的反相端，通過反相比例放大，在其輸出端得到，同時(shí)Uo2通過電容C3耦合到運(yùn)算放大器A2的反相端，通過反相比例放大，在其輸出端得到。設(shè)Rf1= Rf2，則有

本例這種電路組合既實(shí)現(xiàn)了對(duì)微弱的音頻信號(hào)的放大，同時(shí)也得到了大小相等、極性相反的信號(hào)，以供BTL電路正常工作之用。

需要指出的，V1集電極與發(fā)射極輸出信號(hào)反相電路的一致性較差，這是因?yàn)榘l(fā)射極輸出阻抗小而集電極輸出阻抗大導(dǎo)致的。由于后級(jí)采用了高輸入阻抗的集成運(yùn)放，故影響不大。

2.3 BTL電路前置放大電路三

運(yùn)用差分放大電路作前置放大，音頻信號(hào)從差分放大電路的一端輸入，經(jīng)差分放大分別從差分對(duì)管的集電極輸出大小相等、極性相反的信號(hào)作為BTL電路的輸入激勵(lì)信號(hào)。這里提供一種新的選擇思路作一般敘述。

3 BTL音頻功率放大電路整體設(shè)計(jì)制作與實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

靈活運(yùn)用掌握的《模擬電子技術(shù)》課程中的電源、晶體三極管、運(yùn)放和OCL電路等知識(shí)，是設(shè)計(jì)制作BTL音頻功率放大電路的基礎(chǔ)。

（1） 建立BTL音頻功率放大電路整體設(shè)計(jì)框圖（如圖5所示）

圖5 BTL音頻功率放大電路整體設(shè)計(jì)框圖

（2） 列出BTL音頻功率放大電路設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)及指標(biāo)

①輸出功率Po②效率③非線性失真THD④頻率響應(yīng)⑤輸入靈敏度⑥信噪比

（3）BTL音頻功率放大電路整體設(shè)計(jì)制作的其他工作流程

①圍繞音頻功率放大電路技術(shù)參數(shù)及指標(biāo)選擇匹配電路。

②在電路仿真平臺(tái)上搭建電路，進(jìn)行仿真測(cè)試并加以修正。

③仿真測(cè)試通過后選定應(yīng)用電路，生成布局、布線合理的PCB圖并按規(guī)范流程制作PCB電路板。選取并篩選元器件，正確焊接、連接和調(diào)試電路。選擇功率BJT器件的極限參數(shù)應(yīng)留有余量、并采用散熱器。

④測(cè)試：用專用儀器測(cè)試BTL音頻功率放大電路技術(shù)參數(shù)及指標(biāo)，對(duì)設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)加以驗(yàn)證。

總而言之，在《模擬電子技術(shù)》課程有關(guān)BTL音頻功率放大電路章節(jié)的教學(xué)中，只要準(zhǔn)確解析BTL音頻功率放大電路結(jié)構(gòu)、工作原理及特性，舉例得當(dāng)充分，拓寬學(xué)生的思維，并輔以一定的實(shí)驗(yàn)，提高其學(xué)習(xí)興趣、積極性和創(chuàng)新理念，就會(huì)達(dá)到或超出預(yù)期的教學(xué)效果。

[1]崔玫.《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》.清華大學(xué)出版社.2011

[2]華成英.《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》.北京高等教育出版社.2001

[3]鄧寬林.《如何利用集成功放構(gòu)成BTL電路》.現(xiàn)代電子技術(shù).2003（14）

[4]郭玉山《BTL功率放大器典型電路設(shè)計(jì)》科技資訊 2011(01)

Teaching research on BTL audio power amplifier

Cao Zhonglin
（Wuxi Institute of Commerce and Technology,Jiangsu Wuxi,214153）

In the course of 《Analog Electronic Technology》in higher vocational colleges, the OCL and OTL audio power amplifier circuit is more and more widely used, and the BTL (Transformer Less Balanced balanced output transformer) audio power amplifier circuit is often omitted. The advantages of BTL circuit and OTL circuit are obvious, and it should be given some attention. This paper analysis the structure, principle and design method of BTL circuit from the perspective of teaching.

BTL;OCL;preamplifier power;amplifier power;utilization

曹鐘林（1959—），男，江蘇揚(yáng)州市人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，副教授，研究方向應(yīng)用電子技術(shù)教育。

基金：江蘇省應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)中高職銜接課程體系建設(shè)研究課題（2015SKT001）