分立元件OTL功放资料要点.doc

典型OTL音频功率放大器组装与维修

场景描述
OTL电路的主要特点有是采用单电源供电方式, 输出端直流电位为电源电压的一半；输出端与负载之间采用大容量电容耦合,扬声器一端接地，具有恒压输出特性。

本任务流程如图3－1－1所示。
图3－1－1 任务流程图
准备实作材料
准备实训工具
OTL原理熟悉
OTL功放组装

OTL功放的调试

OTL功放维修

一、实训工具及器材准备
完成本次实训任务所需工具及器材见表3－1－1。
表3－1－1 拆装与检修动圈式扬声器实训工具及器材准备
工具名称
规格或型号
数量
备注
万用表
MF47型
1
或其他型号的万用表
电烙铁
35W
1
内热式或外热式电烙铁均可
梅花螺丝刀
3×40
1

一字螺丝刀
3×40
1

美工刀

1

MP3等信号源

1

尖镊子

1

助焊济和焊锡

适量

二、简易OTL音频功率放大器组装
（一）电路原理的熟悉
图3－1－2 简易OTL功放电路原理图

1、电路特点
本功放电路结构简单，元件易购，成本低廉，原理典型，非常适合初学者组装学习。电路包括：
A.电压放大器：将输入的微小音乐信号加以放大，通常采用共射级放大，图中以VT1VT2为核心组成的放大电路完成电压放大功能。
B.功率放大：功率放大级电路是用来提高电路的工作效率，通常共射级放大的输出电流很小，所以通过功放部分来推动喇叭。图中以VT3、VT4为核心组成的电路完成功率放大功能。
C.偏压装置：偏压装置为功率三极管提供正向偏压，使功率放大级电路工作于AB类放大状态，防止产生交越失真。图中VD5和R8为功放提供偏压，其中VD5具有负温特性，用以补偿功放管因温度升高引起电流增大。改变R8的阻值可以改变功放管的静态电流。
D.负反馈电路：利用负反馈的特性，控制整个放大电路的增益，提高电路稳定性。其中R4为放大器提供交直流负反馈，R5、C4对反馈的交流信号起分流作用，改变R4与R5的比值可以改变放大器的增益。
2、电路原理和各元件的作用
音量控制：由RP电位器调节，根据串联电路的分压原理知，当旋转电位器时获取的输入电压将发生改变，从而改变了音量的大小。
第一级共射极放大器：由R1、R2、R3、R4、R5、C3、C4、VT1组成。R1、R2为VT1提供偏置电压，改变二者的比值可以改变功放输出点的电压（正常要求为电源电压的一半）。C3为输入隔直耦合电容。R3是VT1的负载电阻，VT1和VT2是直流耦合，通过C3输入的信号经VT1放大后，直接送到VT2进行放大。直流耦合就等于直接耦合，所以，信号传输没有损耗，电路工作效率很高。
C4、R4R5组成负反馈电路，对于直流而言，C4表现出无穷大的阻抗，这可以使直流工作点非常稳定。对交流来说，C4相当于短路，R4和R5的比值决定了放大倍数。R5为零欧姆时，增益最大，灵敏度极高。我们一般可以根据实际情况在10-100欧姆中取值。
第二级共射极放大：以VT2为核心构成的放大电路。VT2是推动级放大管。输入信号经过VT1、VT2两级放大后，具备了驱动VT3、VT4（输出级）的能力。本功放电路只有三级，主要由第一二级（VT1、VT2）决定最大放大倍数，第三级（VT3、VT4）决定最大电流的驱动能力，想要电路放大倍数大，VT1、VT2要选放大倍数大的三极管，想要带负载能力强，VT3、VT4应该用大功率大电流的三极管，当然，放大倍数也不能太小。
C6是中和电容，起高频负反馈作用，该电容主要是为了减小高频的增益，当高频过强时，听起来会感觉声音尖、剌耳，当高频增益太强时，甚至出现高频寄生振荡，严重影响功放电路效率和音质。该电容一般取值在47-4700PF之间，要求不严时也可以取消。
VT3、VT4这对末级互补输出对管在工作时会发出较大的热量。改变R8可以改变VT3、VT4的工作电流，随着温度的升高，VT3、VT4的电流还会自动变大，电流变大就会更加发热，更加发热就会电流更加变大，这是一个恶性循环，所以，要求严格时，R8应该使用负温度系数的热敏电阻，并且紧挨着VT3、VT4感受温度来补偿VT3、VT4的电流变化。
R8和VD5、R6和R7、VT3的CE极三部分共同组成VT3、VT4的偏置电路，保证VT3、VT4在无信号时输出中点电压。R8和VD5千万不能开路，否则VT3、VT4会有很大的基极电流，导致VT3、VT4的集电极电流剧增，立即发热烧坏。但是，R8和VD5的分压也不能太低，否则，在小信号时会听出明显的截止失真（和交越失真相同）。这种失真只在小信号时才有明显的反应。在高档功放电路中，VD5和R8会用其它元件代替，同时还会引入温度补偿。
R6、R7主要是给VT3、VT4提供基极偏置电流。当信号正半周时，VT3基极电压会上升，R6、R7两端的电压会变小，将不能给VT3提供足够大的基极电流。由于C5自举电容的出现，信号正半周时会将C5的正极电压也“举”高，这就可以通过R7给VT3提供较大的基极电流。因此，R6、R7也是自举电路的一部分。
C5叫做自举电容，在信号的正半周，将R7供电电压举高，高于电源电压。如果R7没有较高的供电电压，就会让VT3在信号正半周峰值时基极电流变小，电流输出能力急剧下降，造成信号顶部失真。这种失真只会在大信号时才会发生。
C7是输出耦合电容。有音频信号输入时，VT3、VT4的发射极电压会有大幅度变化的信号，这个信号中有一个直流分压存在，不能直接加到喇叭上，必须经过一个隔直流通交的电容隔开。
R9和C8组成输出高频补偿电路R9取值应在1-10欧之间，不能太小，否则，相当于高频对地短路了；也不能太大，否则，C8就起不到应有的作用。
C8是输出高频补偿电容。喇叭属于电感性负载，对于高频信号来说，喇叭的等效阻抗要比低频高得多，同时高频信号更容易通过分布电容向四处传输，这很可能让电路产生高频信号正反馈，产生高频振荡或者高频寄生振荡，从而影响音质，甚至烧毁功放电路。因此，C8可以让电路在高频时的输出阻抗也得以降低，防止信号非正常的反馈，使整个电路进入平衡稳定的工作状态。实际应用中，该电容对音质影响较大，特别是在一些高档功放中（含集成电路功放），有的电路中如果没有这个电容，甚至完全无法工作。该电容一般取值在104-204之间，并且一般都要串联一个1-10欧姆的电阻。
VD1-VD4组成桥式整流电路，当输入交流电的时候，完成整流功能，将交流电变成直流电。当输入直流电的时候，其极性转化作用，无论输入直流电的正负极如何，都能将其转化为正确的供电电压，供电电压按该电路的参数应取7.5-9V，输入电压越高，功率越大，但功放管VT3、VT4发热越严重，其静态电流相应增大，需减小R8的阻值来调节静态工作电流。一般供电不要超过12V，否则VT3、VT4很容易过载烧坏。
C1、C2组成滤波电路。C1电源低频滤波电容，主要作用是滤除电源交流声，同时给交流信号提供电流回路，该电容的容量应该取得比较大，这样才有较好的效果。C2是电源高频滤波电容，主要作用是滤除高频杂音，同时也可以给高频交流信号提供电流回路，让高音效果改善，也起防止产生高频振荡的作用。该电容应选择涤纶电容等高频特性较好的电容，容量一般在473-474之间。
（二）电路材料的准备
请参考元件清单进行
序号
电路代号
元件名称
规格、型号
数量
备注
1
VD1-VD4
二极管
1N4004
4
可用1N4007
2
VD5
二极管
1N4148
1
可用其它二极管代
3
VT1
三极管
9015
1
小功率PNP管
4
VT2
三极管
9014
1
小功率NPN管
5
VT3
三极管
9013
1
注意与VT4配对
6
VT4
三极管
9012
1
注意与VT3配对
7
C1
电解电容器
1000μF/16V
1
可大于1000μF
8
C2
涤纶电容器
104
1
高频滤波用
9
C3
电解电容器
3.3μF/16V
1
输入耦合电容
10
C4
电解电容器
100μF/16V
1
交流旁路电容
11
C5
电解电容器
220μF/16V
1
自举电容
12
C6
瓷片电容器
101
1
高频负反馈电容
13
C7
电解电容器
470μF/16V
1
输出耦合电容
14
C8
涤纶电容器
104
1
输出高频补偿电容
15
R1
电阻器
150K 1/4W
1
可用200K可调
16
R2
电阻器
100K 1/4W
1
输入级分压式偏置
17
R3
电阻器
10K 1/4W
1
输入级负载电阻
18
R4
电阻器
2K 1/4W
1
交直流负反馈电阻
19
R5
电阻器
22Ω 1/4W
1
增益控制电阻
20
R6
电阻器
220Ω 1/4W
1
功放偏置电阻
21
R7
电阻器
220Ω 1/4W
1
功放偏置电阻
22
R8
电阻器

47Ω 1/4W
1
可用100Ω可调
23
R9
电阻器
10Ω 1/4W
1
也可用1/2W
24
RP
电位器
10K
1
可选立式电位器
25
IN
莲花插座
单孔
1
注意安装脚位
26
Y
扬声器
1W/8Ω
1
可用4寸扬声器
27

电路板
定做PCB板
1
也可用万能板
28

电池
9V叠层电池
1
用内阻小的电池
29

电池座
9V叠层电池用
1
为带线电池座
30

导线
连接扬声器等
若干
0.5mm2软铜线
表3-1-2 简易OTL功放元件清单

三）电路的装配
下图分别为印板图、装配图和元件布局图，大家可参照安装，注意装配工艺。

图3－1－3 简易OTL功放PCB与元件分布图

三、OTL功放的调试
将电路板A点铜箔断开，在断开点接入万用表，使用5mA档检测电流，改变R8的值（可使用可调电阻代替），使电流不超过1mA，以略大于0最佳，过大则发热大，没有会产生交越失真。

第一步：调节功放级静态电流

将万用表黑表笔接地，红表笔接输出耦合电容C7正端，调整R1的阻值，使功放输出端静态直流电压为电源电压的1/2。如果该点电压不为电源电压的1/2，在大功率时将提前出现失真使不失真输出功率减小。

第二步：调节功放输出端直流电压

将功放板接上扬声器和电源，为功放电路输入音乐信号，电源可使用9V叠层电池提供。改变R4和R5的比值，感受一下功放电路的放大倍数有何变化。

第三步：调节电路增益

图3－1－4 OTL功放的调试

三、OTL功放的维修
音频功率放大器由于工作在高电压，大信号状态下，故障发生率比较高。其主要有完全无声、无信号声、声轻和噪声等故障。
1、完全无声故障
完全无声故障是指音箱中无任何信号和噪声。
检测方法：首先，通过视听确定为完全无声故障，此时对功放电路而言，首先测量有无直流工作电压，如没有直流工作电压，则要用电压检测法检测电压供给电路及电源电路。若有直流工作电压，再测功放电路输出端直流电压，如有异常现象，说明有可能是功放电路损坏。
故障原因及处理措施：第一，电源电路故障，导致功率放大器无直流工作电压，检查电源电路；第二，功放电路击穿，导致多次烧坏保险丝或使保护电路动作，更换集成功放电路，第三，功放电路开路，更换或修复；第四，功放输出回路开路，如输出端耦合电路开路，可更换电容。
2、无信号声故障
无信号声故障是指扬声器中无信号声，但有噪声或电流声，这说明功放电路直流工作电压基本正常，并且功放输出回路没有开路。
检测方法：通电后，开大音量电位器，干扰动片，音箱中无响声便说明故障出在功率放大器电路中。这一故障可以表现为左右声道无声或只有一个声道无声。对于左右声道无声故障，主要测量集成功放电路各引脚电压（重点是前级电路偏置引脚上电压），有异常时进行重点检查。另外，用电压检查静噪声电路是否处于静噪声状态，对于前置电压放大级采用分立元器件构成的电路，还要用电压检查法检测这一放大级的直流工作电压是否正常。对于只有一个声道无声故障，如是分立元气件放大器，可用干扰检查法缩小故障范围。对于集成电路放大器，主要测左右声道对称作用引脚上的直流工作电压，进行对比，有异常时进行重点检查。并且注意，输入回路元器件铜箔线路是否开路。
故障原因几处理措施第一，集成功放电路损坏可更换新件；第二，静躁电路处于静躁状态，如静躁电容击穿或严重漏电，可更换电容；第三，放大管损坏，可更换新件；第四，前置电压放大级无直流工作电压，如退耦合电容击穿或严重漏电，看更换新件；第五，输入回路耦合电容，电阻开路，更换新件；第六，输入回路铜箔线路开裂，重新焊好；第七，一个声道静躁管击穿。
3、声音轻故障
声音轻故障的判断方法同前面介绍的无声故障判别方法一样，即在干扰音量电位器动片时，音箱中声音较轻，便说明故障出 在功率放大器电路中。这一故障也分成左右声道均和只有一个声道轻两种。
检测方法：对于左右声道功率均轻故障，首先测量功率放大器的直流工作电压是否偏低。如果偏低，测功放电路的静态工作电流，若偏大说明功放电路损坏，如不偏大，说明电源电路有问题。如集成功放电路很热（烫手），说明有高频自激或集成功放电路损坏。对于只有一个声道的声轻故障，重点检查交流负反馈网络是否开路。然后，测量集成功放电路各引脚的 直流工作电压，进行左右声道对应作用引脚的电压对比，有异常现象时重点检查。另外，一个声道静躁管不好（集电极、发射极之间的内阻很小）也有可能导致一个声道声音轻故障。
故障原因及处理措施：第一，直流工作电压低，查电源电路；第二，集成功放电路损坏，更换新件；第三，前置放大管性能不好，更换新件；第四，静躁管性能不好 更换新件；第五，交流负反馈网络开路，重焊或更换；第六，前置偏置电压供给电路故障，如退藕电容漏电，更换新件。
4、噪声或啸叫故障
判断噪声故障是否处在功率放大电路中的方法时：将音量电位器关死，如噪声任然存在或大有减少但没有消声失，这说明故障出在功率放大电路中。
检查方法：对交流声故障，用替代检查法检查整机滤波电路和功放电路中的 滤波，退藕电容是否开路或容量变小。对于噪声故障，主要用替代检查法检查各耦和电容是否漏电，以及电路中电解电容是否性能变劣。在排除上述原因后可进行集成电路的代替检测。对于啸叫故障，主要是用适当大小的小电容并在功放电路中各消振电容中，以及检查电源高频滤波电容。
故障原因及处理措施：第一，整机滤波电容开路（交流声），更换新件：第二，前置电压放大级电源滤波电容开路（交流声）更换电容：第三，输入回路耦合电容漏电或元器件虚焊，更换或重焊：第四，集成功放电路本身损坏更换新件：第五，高频消振电容失效或电源高频滤波电容开路更换电容：第六，前置电压放大器噪声大，更换新件。

相关理论知识

一、音频功率放大器的组成
音频功率放大器是能够对电压和电流进行不失真放大的有源电路，在实际应用中通常将其分为前级放大和后级放大两种。前级放大也称为前置放大，其主要作用是将音频信号进行初步的电压放大，以便其它电路对音频信号进行处理；而后级放大称为音频功率放大，其主要作用是将经过调音台处理后的信号进行功率放大，以提供足够大的功率去推动音箱工作。家用音响系统为了减少连接线、缩小体积、降低成本，往往将前置放大和功率放大放在一台设备内，构成组合式放大器。
功率放大器的基本组成如图3－1－5所示。

图3－1－5 功率放大器的基本组成方框图
输入级起着缓冲作用，其输入阻抗较高，以减小本级电路对前级电路的影响。预激励级的作用是控制其后的激励级和功率输出级两推挽管的直流平衡，并提供足够的电压增益，输出较大的电压以推动激励级和功放级正常工作。激励级的作用是给功率输出级提供足够大的激励电流及稳定的静态偏压。功率输出级向扬声器提供足够的激励电流，以保证扬声器正常工作。此外，功率输出级还向保护电路、功率指示电路提供控制信号，向输出级提供负反馈信号。
二、音频功率放大器的分类
1.按功率放大器与音箱的配接方式分
(1)定压式功放。为了远距离传输音频功率信号，减少在传输线上的能量损耗，该方式以较高电压形式传送音频功率信号。一般有75V、120V、240V等不同电压输出端子供使用者选择。使用定压功放要求功放和扬声器之间使用线性变压器进行阻抗匹配。
(2) 定阻式功放。功率放大器以固定阻抗形式输出音频功率信号，也就是要求音箱按规定的阻抗进行配接，才能得到额定功率的输出分配。
2.按功率放大器的使用元件分
(1)电子管功率放大器。电子管放大器具有音色柔和、富有弹性和空间感强等优点。
(2)晶体管功率放大器。晶体管功率放大器具有体积小、功率大、耗能少等特点，技术参数指标很高，具有良好的瞬态特性等优点。这是功放机的主要电路形式。
(3)集成电路功率放大器。随着集成电路生产工艺的成熟，使得集成大功率优质功放得以大量应用，它具有结构简单，功能完善等特点。
(4)V―MOS功率放大器。场效应管制作的功放具有噪声低、动态范围大、无需保护等特点，性能十分优越。
3.按晶体管工作特性分
(1)A类(甲类)放大器
　　A类(甲类)放大器，是指电流连续地流过所有输出器件的一种放大器。 这种放大器，由于避免了器件开关所产生的非线性，只要偏置和动态范围控制得当，仅从失真的角度来看，是一种良好的线性放大器，但效率很低是它的致命弱点。
　　(2)B类(乙类)放大器
　　B类(乙类)放大器，是指器件导通时间为50％的一种工作类别。这类放大器工作效率高，但存在交越失真，即在正负半周的波形连接处，由于晶体管的非线性，波形的合成总是存在着一些不够平滑的现象。
(3)AB类（甲乙类）放大器
　　AB类(甲乙类)放大器，实际上是A类(甲类)和B类(乙类)的结合，每个器件的导通时间在50—100％之间。AB类(甲乙类)放大器在输出低于某一电平时，两个输出器件皆导通，其状态工作于A类(甲类)；当电平增高时，一个器件将完全截止，而另一个器件将供给更多的电流。这样解决了甲类功放效率低和乙类功放存在交越失真的问题
(4)C类(丙类)放大器
C类(丙类)放大器，是指器件导通时间小于50％的工作类别。这类放大器一般用于射频放大，很难找到用于音频放大的实例。
(5)D类(丁类)放大器
　　这类放大器的特点是功率器件工作在开关状态，理论上效率很高。工作频率超过音频，它是通过控制信号的占空比，使它的平均值能代表音频信号的瞬时电平，这种情况被称为脉宽调制(PWM)。随着高频大功率开关器件生产技术的提高，这类功放将会越来越普遍。
4.按晶体管功率放大器的末级电路结构分
(1)OTL电路。OTL电路为单端推挽式无输出变压器功率放大电路，通常采用单电源供电，从两组串联的输出中点通过电容耦合输出信号。与采用输出变压器的功放电路相比，具有体积小、重量轻、制作方便等优点，性能也较好。
(2)OCL电路。OCL电路的最大特点是电路全部采用直接耦合方式，中间既不要输入、输出变压器，也不要输出电容，通常采用正、负对称电源供电。该电路克服了OTL电路中输出电容的不良影响，如低频性能不好、放大器工作不稳定，以及输出晶体管和扬声器受浪涌电流的冲击等。
(3)BTL电路。BTL电路的特点是把负载扬声器跨接在两组性能相同、输出信号相位相反的单端推挽功率放大电路之间，这样在较低的电源电压下能得到较大的输出功率。通常采用单组电源供电。
三、功率放大器的技术指标
一个好的放大器，要求能准确地放大来自各声源的声音信号，力求恢复该声源音质状况的本来面貌。具体评判一个放大器的好坏，需要有一些具体的、客观的评判指标，下面对这些指标分别予以介绍。
1.输出功率
输出功率的大小是根据放大器的使用环境、条件及对象等许多因素决定的，它是功率放大器最基本的一项指标。衡量放大器输出功率的指标有最大不失真连续功率、音乐功率和峰值功率等几种不同的指标。目前公认的指标是“最大不失真连续功率”，又叫RMS功率，正弦波功率或平均值功率等。
2.增益
放大器的增益是放大器放大能力的重要指标，也称为放大倍数。其定义为放大器的输出量与输入量之比。根据其输入量与输出量的不同，又分为电压增益、电流增益和功率增益。由于人耳对音量大小的感觉并不和声音功率的变化成正比，而是近似成对数关系，所以，放大器的增益也常用分贝(dB)来表示。
3.信噪比
信噪比是指信号与噪声的比值，常用符号S/N来表示，它等于输出信号电压与噪声电压之比，用dB表示。信噪比越大，表明混在信号中的噪声越小，放大器的性能越好。
4. 频率响应
频率响应即有效频率范围，它是用来反映放大器对不同频率信号的放大能力。放大器的输入信号是由许多频率成分组成的复杂信号，由于放大器存在着阻抗与频率有关的电抗元件及放大器本身的结电容等，使放大器对不同频率信号的放大能力也不相同，从而引起输出信号的失真。频率响应通常用增益下降3dB以内的频率范围来表示。一般的高保真放大器为了能真实地反映各种信号，其频率响应通常应达到几Hz到几十kHz宽度。
5. 放大器的失真
音频信号经过放大器之后，不可能完全保持原来的面貌，这就称为失真。失真的种类很多，除了上述的频率失真以外，还有谐波失真、相位失真、互调失真和瞬态失真等。其中最主要的是谐波失真。
谐波失真是指信号经放大器放大后输出的信号比原有声源信号多出了额外的谐波成分。相位失真是指音频信号经过放大器以后，对不同频率信号产生的相移的不均匀性，以其在工作频段内的最大相移和最小相移之差来表示。互调失真是各个频率信号之间相互调制，产生新的频率分量。瞬态互调失真是指晶体管放大器由于采用了深度大回环负反馈而带来的一种失真。
6.动态范围
放大器的动态范围通常是指它的最高不失真输出电压与无信号时的输出噪声电压之比，用dB来表示。动态范围越大，放大器的失真越小。
7. 分离度
立体声的分离度即左右声道串通衰减，是指放大器中左、右两个声道信号相互串扰的程度，单位为dB。如果串扰量大，亦即分离度低，则会出现声场不饱满，立体感将被减弱等现象，重放音乐的效果差。

8. 阻尼系数
阻尼系数是指放大器对负载进行电阻尼的能力，是衡量放大器内阻对扬声器所起阻尼作用大小的一项性能指标。阻尼系数越大，对扬声器的抑制能力就越强。高保真扩音机的阻尼系数应在10以上。
9.转换速率
为了衡量放大器在通过矩形波时引起前沿上升时间延迟，使输出信号产生失真，通常用放大器的转换速率来描述，这个指标越高越好。转换速率低，是功率放大器产生瞬态互调失真的重要原因。高保真放大器的转换速率要求在20V/μs以上。
四、OTL功放电路原理
OTL（Output Transformer Less）电路称为无输出变压器功放电路。是一种输出级与扬声器之间采用电容耦合而无输出变压器的功放电路。
1、OTL电路的主要特点：
A、采用单电源供电方式，输出端直流电位为电源电压的一半；
B、输出端与负载之间采用大容量电容耦合，扬声器一端接地；
C、具有恒压输出特性，允许扬声器阻抗在4 W，8 W，16 W之中选择，最大输出电压的振幅为电源电压的一半，即1/2 V cc，额定输出功率约为V2 cc /（8RL）。
D、输出端的耦合电容对频响也有一定影响。
2、OTL的电路结构（如图3－1－6所示）
V1和V2配对，一只为NPN型，另一只为PNP型。输出端中点电位为电源电压的一半，Uo＝Vcc/2。功放输出与负载（扬声器）之间采用大电容耦合。
3、OTL电路原理：
图3－1－6 OTL功放电路结构
在输入信号正半周时，V1导通，电流自Vcc经V1为电容C充电，经过负载电阻RL到地，在RL上产生正半周的输出电压。在输入信号的负半周时，V2导通，电容C通过V2和RL放电，在RL上产生负半周的输出电压。只要电容C的容量足够大，可将其视为一个恒压源，无论信号如何，电容C上的电压几乎保持不变。