转载，详细图解差分放大电路与推挽功放电路
本帖最后由 Nubility 于 2023-10-11 18:09 编辑<p>本文转自 知乎 ，原标题为 <a href="https://www.zhihu.com/tardis/bd/art/26166739?source_id=1001" target="_blank">图解经典电路之OCL差分功放 </a>。 感觉这个帖子对电路讲得很详细，对模拟电路不熟悉的人也能一看就弄懂这个电路的原理，所以转过来给大家看看。原文地址 <a href="https://www.zhihu.com/tardis/bd/art/26166739?source_id=1001" target="_blank">https://www.zhihu.com/tardis/bd/art/26166739?source_id=1001</a></p>
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<p>废话不多说，第一期图解电路图系列，我们来讲解一个非常经典的OCL差分功放电路。学模拟的朋友都知道，多数入门模拟的新人第一个小作品基本就是电源啊，功放啊这些比较简单，又比较实用的电路。所以，这里第一个电路就选了这个经典的功放电路，看图。</p>
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<p>（图一 完整 OCL差分放大电路）</p>
<p>看到这个电路图，可能一些刚入门的朋友会有点蒙。不用怕，只要心里默念OCL大法好，就能看懂了。哈哈，开个玩笑啦。现在开始带大家一起来分析这个电路。我的方式是从简到难，从框架到细节这样的顺序来讲解电路，先讲框架，然后逐渐加添加电路细节，所以大家跟上思路。</p>
<p>（一）第一步，尽可能的抽象这个电路图，会等效成什么样子那？</p>
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<p>（图二 OCL等效电路）</p>
<p>对，就是上面这个电路，整个OCL电路可以等效为一个大功率的运放，加上几个电阻电容构成了一个同向放大器，就是这么简单。为了便于理解，我把等效电路中电阻电容的编号也跟原图中对应起来了，大家看出区别和联系来了吗？所以整个功放的增益怎么算？截止频率怎么算？是不是很简单？什么，你不懂运放？来来来，打开电脑，打开浏览器，调出收狗输入法，输入“清华大学模拟电子技术基础”，先从头看一遍。什么，你看不懂？好吧，出门右转，那边工地上还在招搬砖工，快去报名吧。晚了来不急了老哥！好了， 如果上面的等效电路你能够看明白，那么这个OCL电路你也就弄明白了，当然，除了一点具体的实现细节还需要跟你讲解一下。来来来，我们一步步还原上面的完整电路。</p>
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<p>（二）实际的运放功率不够大怎么办？ 你首先想到的是什么？ 没错，后级加上大功率三极管。看下图。</p>
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<p>（图三 使用图腾柱提高输出功率）</p>
<p>如上图，在运放的后级加上一级图腾柱来提高功放的输出功率，什么，你问我为啥后面的两个三极管Q1，Q2叫做图腾柱？呵呵，鬼知道，可能是因为图腾象征着力量吧，这两个三极管给了你力量咯。眼尖的小伙伴开始抱怨了，亲，你这个电路不科学啊，后面图腾柱的两个基极直接接在一起会有交越失真的幺。</p>
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<p>没错，少年。确实会存在交越失真，我们要保证两个三极管时刻处于导通状态，怎么办呐？当然是给两个三极管都提供一个维持导通的偏执电压喽。看下图。</p>
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<p>（三）消除大功率三极管的交越失真</p>
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<p>这个时候又有人开始吐槽了，加偏置电压我懂，但是为啥加了个三极管Q3来提供偏置那？哈哈，这就要说道这个传说中的倍压电路了。我们只看Q3，R4,R5，请告诉我Q3集射极之间电压是多少？如果忽略三极管基极电流的话，是不是Vce=Vbe*(R4/R5+1)对不对？这样我们如果把R4换成一个电位器是不是就可以调节Q3两端的电压了？这个可调电压正好提供给Q1,Q2作为偏置电压。当然，因为三极管IC-Vbe传输特性曲线非常陡，偏置电压稍大一点，集电极电流就会爆涨，所以，为了能够更方便的调节偏置电压，我们会在Q1,Q2发射极之间串联一个小的反馈电阻，如下图。R8,R9作为发射极反馈电阻来维持Q1，Q2空载偏置电流在一个比较小的量级上，减小空载功耗，减小发热。</p>
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<p>（四）通过添加反馈电阻限制Q1Q2的静态偏置电流</p>
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<p>（图四 通过添加反馈电阻限制Q1Q2的静态偏置电流）</p>
<p>小伙伴们这个时候高兴了，看上去现在这个电路已经可以工作了，没啥大毛病，然而让我们算一笔账，如果设计最大输出功率为20W，喇叭阻抗8欧姆，那么功率三极管输出最大电压17.9V，最大电流将要达到2.236A，如果假定Q1,Q2的增益为50（在大电流的时候，三极管的增益会大大降低），那偏置电路要提供最大电流为44.7mA，然而看图中，R6，R7加上倍压电路流过的最大电流也就2.34mA，所以偏置电路根本无法提供这个大的电流，所以我们有必要在功率放大级之前再加一级驱动电路。给功率级提供足够的驱动电流，如下图。</p>
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<p>（五）给功放级添加前级驱动电路</p>
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<p>（图五 跟功率三极管增加前置驱动电路）</p>
<p>看到没，红框里面就是为驱动后级的大功率三极管增加的前置驱动电路，可以看出，增加Q1来驱动Q4，Q2驱动Q5，并且把后级的偏置电路移到前级驱动电路中去了，因为驱动电路采用的是设计跟随器的结构，所以可以这样做，Q4，Q5基极偏置电压仍然可以通过倍压电路控制，只不过这个时候的倍压电路Q3集射极之间的电压要包括驱动级Q1，Q2的偏置电压，所以VceQ3= 4* Vbe。并且在Q1Q2基极之间加上了一个电容，这是为了保证交流信号流过时，Q1，Q2基极看到的交流阻抗相等（说白了就是电容C3把Q1,Q2基极交流短路了，所以看到的的交流阻抗肯定一样啊）</p>
<p>实际上，到此为止，这个电路已经可以实际工作了，当然还需要在各路电源上添加必要的滤波电容。但是那，由于受到运放价格，运放最大工作电压，以及模拟发骚友不断发骚精神的影响，很多成品电路并不会采用运放作为前级电压放大的，所以接下来，我们看看一看如何用三极管实现电压放大。说白了，要模拟运放，就需要提供一个非常大的开环电压增益，然后通过反馈电阻稳定实际的放大倍数。</p>
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<p>（六）用两级共射放大器实现电压放大</p>
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<p>（图六 共射放大器实现电压放大的功放电路）</p>
<p>如上图，主要增加了两级共射级放大电路，Q6作为第一级电压放大，并且在其发射极加上反馈电阻，R2主要给Q6提供静态电流，对于交流信号，C5近似短路，所以R2并联R13，与C2，R3构成反馈，来控制整个环路的增益，另外需要注意的一点是，因为使用了两级共射放大器，Q7集电极的静态电压不为0，所以放大后的电压信号需要经过C4交流耦合到后级驱动电路，有时候，我们并不希望中间环节通过电容耦合信号，这样容易导致低频信号的丢失，以及相位偏转，引起电路自激。这个时候，就到了那个牛逼哄哄的差分放大电路出场了。</p>
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<p>（七）差分电路作为第一级放大</p>
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<p>（图七 差分放大器作为第一级放大电路）</p>
<p>如上图就是在第一级放大电路中加入差分放大器，因为差分放大，两个管子Q6, Q7基极虚短，且Q6的基极已地作为参考，另外反馈电阻R3直接接到了Q7的基极，这样输出端电压就被整个环路控制到跟Q6输入端电压一致le（Q6端是参考地电平，所以输出端被控制为0V），差分放大后再通过一级共射放大，来获得更高的增益，输出直接耦合给后级驱动电路。这样，我们就用三极管放大器完美的模拟了运放。但是，等等，我们真的完美的模拟了运放吗？不，答案是否定的，因为现在的工艺，随便一个运放，开环增益都已经达到10^6了，加上反馈电路，整个电路的增益可以很精确的被设计，但是我们上面这个电路的开环电压增益明显不够，可能同学们要说了，增益不够就多加几级呗。童鞋，你很聪明嘛。但是级数太多很容易导致系统自激，并且也不方便调试。那还有没有方法在不增加放大器级数的前提下，提高增益那？ 当然有，我们伟大的工程师早就设计出了更加狂拽炫酷吊炸天的电路。那就是有源负载，哈哈，现在我们 的电路越来越像原始的OCL电路了，兄弟们，刚把得。</p>
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<p>（八）使用有源负载，提高放大器的电压增益。</p>
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<p>（图八 增加有源负载提高放大器增益）</p>
<p>如上，在驱动级加入了电流源作为有源负载，大大提高了驱动级的电压增益。在差分电路集电极部分加入镜像电流源，一方面作为有源负载使用，另一方面，两个分支互为镜像，电压增益变为单边增益的两倍，而差分电路电路的下方替换为标准的电流源，保证两个分支总电流的稳定。加入了这几部分之后，整个电路的开环增益将约等于两级放大器三极管ft相乘，假设使用的是S8050三极管，增益约等于为300，所以整个电路的开环增益Go=300*300=90000,这对于功放电路来说已经完全够用了。到目前为止，仿佛一切具备了？是的，从理论上来说，仿佛一切都ok了。然而，理想太丰满，显示很骨感，还要考虑电路的稳定性啊老铁， 环路增益这么大，输出功率这么大，电源电压肯定要抖起来了幺，很容易自激，所以我们有必要把前级电压放大和后级功放放大隔离开，否则功率一大就要自激了。如下图，我们增加DC隔离电路。</p>
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<p>（九）增加前后级隔离电路，防止自激。</p>
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<p>（图九 增加隔离电路，将前后级电源分开）</p>
<p>如上，通过一个二极管将前后级电源分开，当后级电压突然大幅下降的时候，二极管D3，D4不导通，电容C2，C5给前级供电，当后级电压恢复以后，通过二极管直接给前级供电，并给电容充电，由于前级需要的电流非常小，所以电容C2，C5上的电压基本维持在电源最高电压上，不会随着后级电压大幅度波动，从而实现了隔离的作用。然后，然后，然后还没有完，因为使用了多级电路结构，所以有必要做一些相位补偿。如下图</p>
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<p>（十）增加相位补偿电容</p>
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<p>（图十 增加相位补偿电容）</p>
<p>可能很多朋友不知道为啥要加这个电容，原因是多级放大器，信号经过每一级放大器都会有个相移，尤其对于高频信号，这个相移会更加明显，如果相移累加到180，那么负反馈就变成了正反馈，整个电路就要自激了，烧管子分分钟的事情。图中在三极管的共射放大器的基极和集电极直接跨接一个pF级的小电容，因为共射放大器的理论相移是180度，但是高频信号会被补偿电容旁路，使相移减小，从而避免整个环路相移累加到180度，然后自激。所以，这个电容还是很有必要的。到现在，整个电路就完美了。如果你想获得更大的功率，那么可以通过并列功率管子的方式实现，如下图。这就跟开始的OCL完整电路图完全一样了。</p>
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<p>（十一）并联功率管，实现更大输出功率</p>
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<p>（图十一 并联功率管，实现更大输出功率）</p>
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<p>如上图，在输出端，通过并联功率管实现更大功率的输出，但是要注意的一点是，因为三极管是正温度系数的器件（也就是温度越高，同样的集电极电流需要的基极电压越小，换句话说，保持Vbe不变，温度升高--->集电极电流增加--->温度继续升高--->集电极电流继续增加--->GameOver 这很很容易导致管子烧毁），所以，并联管子的时候，务必要在三极管的输入端分别串联一个数十欧的电阻，来实现多个并联管子的电流均衡，防止一个管子电流过大。</p>
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<p><a href="https://www.zhihu.com/answer/1607508478" style="color:blue; text-decoration:none">为什么学了模数电还是看不懂较复杂的电路图？</a></p>
<p>这次，你不会说首帖电原理图中三极管Q7是从基极输出了吧？</p>
maychang 发表于 2023-10-11 18:53
这次，你不会说首帖电原理图中三极管Q7是从基极输出了吧？
<p>上一个帖子的Q7是pnp三极管,确实是基极输出，这里的Q7是npn三极管，不一样</p>
Nubility 发表于 2023-10-11 19:15
上一个帖子的Q7是pnp三极管,确实是基极输出，这里的Q7是npn三极管，不一样
<p>首帖电原理图中，Q4Q5Q7Q8Q9上下颠倒一下，就是你上一个帖子的输入级。</p>
<p>注意上一个帖子里面，对应本帖Q7的那个PNP管是置于电源正端的。</p>
maychang 发表于 2023-10-11 19:24
首帖电原理图中，Q4Q5Q7Q8Q9上下颠倒一下，就是你上一个帖子的输入级。
注意上一个帖子里面，对应本帖 ...
<p>仿真结果显示上一个帖子里面Q3的输入确实是来自Q7</p>
Nubility 发表于 2023-10-11 19:43
仿真结果显示上一个帖子里面Q3的输入确实是来自Q7
<p>Sign！</p>
<p>你那个仿真结果，我已经评论过了，此处不再赘述。</p>
<p>此文首图中Q3、Q10、Q11如果上下颠倒，把极性反过来，也恰和你上一个帖子里面的对应电路相当。本帖首图Q3是放大管，Q10产生固定电压，Q11是恒流源负载。你上一个帖子里面放大管是PNP管，位于电源正端，恒流源负载是NPN管，位于电源负端。</p>
Nubility 发表于 2023-10-11 19:43
仿真结果显示上一个帖子里面Q3的输入确实是来自Q7
<p>转载的这个电路，和你上次帖子比较，基本是相同的，只不过输入级和放大级极性颠倒了一下而已。</p>
<p>把这一点看明白了，你上次电路就明白了。</p>
Nubility 发表于 2023-10-11 19:43
仿真结果显示上一个帖子里面Q3的输入确实是来自Q7
<p>建议你把两个电原理图并排放在一起，对照着仔细看看。另发一帖讨论也可以。</p>
maychang 发表于 2023-10-11 19:56
Sign！
你那个仿真结果，我已经评论过了，此处不再赘述。
此文首图中Q3、Q10、Q11如果上下颠倒，把 ...
<p>好几种软件仿真都是这样的结果，都观察到Q7的基极有输出波形</p>
Nubility 发表于 2023-10-11 20:02
好几种软件仿真都是这样的结果，都观察到Q7的基极有输出波形
<p>我已经在你上次帖子里面说过了：那个管子基极有波形，但幅度比输入信号还要小得多。</p>
maychang 发表于 2023-10-11 19:56
Sign！
你那个仿真结果，我已经评论过了，此处不再赘述。
此文首图中Q3、Q10、Q11如果上下颠倒，把 ...
<p>对于只有一个三极管的恒流源，我觉得是要类似下面图里这样，三极管基极和发射极直连的电阻的一端分别接在一个恒压的模块的两端才能成为恒流源</p>
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Nubility 发表于 2023-10-11 20:07
对于只有一个三极管的恒流源，我觉得是要类似下面图里这样，三极管基极和发射极直连的电阻的一端分别接在 ...
<p>在8楼我建议你把两个电原理图并排放在一起，对照着仔细看看。</p>
<p>我来开一帖，把两个电原理图并排对比，也可以。不过今天太晚了。明天我发出来。</p>
Nubility 发表于 2023-10-11 20:07
对于只有一个三极管的恒流源，我觉得是要类似下面图里这样，三极管基极和发射极直连的电阻的一端分别接在 ...
<p>你上次那个帖子，电原理图加上了彩色方框。你把未加彩色方框的图贴出来，省得我再涂去彩色方框。</p>
<p>感谢楼主分享，干货满满，多谢多谢</p>
不错
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