BTL音頻功率放大電路教學研討

曹鐘林

（無錫商業職業技術學院，江蘇無錫，214153）

BTL音頻功率放大電路教學研討

曹鐘林

（無錫商業職業技術學院，江蘇無錫，214153）

在高職院校的《模擬電子技術》課程中，OCL和OTL音頻功率放大電路講解的較多，而應用較為廣泛的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電路優點是顯而易見的，應當給予一定的關注。本文從教學的角度解析BTL電路的結構、原理及設計制作思路。

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構、工作原理及特性

1.1 BTL音頻功率放大電路結構

BTL亦稱橋式推挽電路，功率放大器的輸出級與揚聲器間采用電橋式的聯接方式，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合，其電路結構見圖1。

從BTL電路結構可見，BTL電路就是將兩組完全對稱的OCL電路以特定的形式進行連接，OCL電路負載RL（揚聲器）接地，BTL電路的負載RL接在兩組OCL電路的輸出端。另OCL電路的激勵信號Ui是單極性的音頻信號，而BTL電路的激勵信號是大小相等、極性相反的音頻信號。

圖1 BTL電路結構示意圖

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

① 靜態時，即BTL電路無輸入信號，電橋平衡，負載RL中無直流電流，動態時，橋臂對管輪流導通。

②在輸入信號正半周時，＋Ui和-Ui同時激勵使V1、V4導通，V2、V3截止，負載電流由

＋VCC→V1→RL→V4→-VCC。如圖1中的實線所示。

③在輸入信號負半周時，＋Ui和-Ui同時激勵使V1、V4截止，V2、V3導通，負載電流由

＋VCC→V3→RL→V2→-VCC。如圖1中虛線所示。

可以看出，在輸入信號一個完整的周期，BTL電路正負電源始終工作。對比OCL電路，如圖2所示。

在輸入信號＋Ui正半周時，V1導通，V2截止，負載電流由＋VCC→V1→RL→GND，如圖2中的實線所示，負電源未被利用。在輸入信號＋Ui負半周時，V2導通，V1截止，負載電流由GND→V2→RL→-VCC，如圖2中的虛線所示，正電源未被利用。OCL電路正負電源只能交替工作。所以OCL電路電源利用率比BTL電路電源利用率低。

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

圖2 OCL電路結構示意圖

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，這是設計功率放大器需要考慮的要點之一。

①OCL電路輸出功率計算

設輸出電壓的幅值為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信號。當輸入信號Uim足夠大，使Uom=Uim=VCC-UCES≈VCC時，可得OCL最大輸出功率Pom。Pom正比

②BTL電路輸出功率計算

由BTL電路結構和工作原理可知，當BTL電路輸入端加足夠的激勵信號，在整個周期內使V1、V4與V2、V3交替飽和導通，即有正負電源提供的能量被充分利用，忽略管子的飽和壓降UCES，負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電路的主要特點有：兩個輸出端直流電位相等，無直流電流通過揚聲器，與OCL(含OTL) 電路相比，在相同的電源電壓和負載情況下，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功放對管子的對稱比較苛刻，需要做到一致，否則會造成輸出失真，不同極性的功率三極管配對相對較難。如果用分立元件構建BTL功放，情況就不相同，只要同極性（型號）的功率三極管對稱即可，這是由BTL電路的工作原理推出的結果，也得到了實驗的驗證。

2 BTL電路前置放大電路的幾種選擇

根據前面的分析，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信號，這個激勵信號一般通過前置放大電路來實現。前置放大電路還具有變換輸入阻抗，使之與信號源相匹配。

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

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

設R1=R2、Rf1=Rf2。當Rf1/R1遠大于1時，Rf1/R1≈（1+ Rf2/R2），則有Uo1≈-Uo2。

運算放大電路具有輸入阻抗高的特性，即獲取信號的能力強。運算放大電路具有輸出阻抗低的特性，即帶負載能力亦強。故運放常用于電子電路的輸入前置級。另運算放大電路的電壓放大倍數Au調節簡單，得到較為廣泛的應用。

本例運用雙運放反相比例放大和同相比例放大的特性，電路既可實現對微弱信號進行一定比例的放大，又將同一信號分離成大小相等、極性相反的信號，這恰恰是BTL電路正常工作所需的。實踐證明該電路形式簡單，是切實可行的，可作為是BTL電路前置放大的優選電路。

圖3中的RW為輸出調節同軸電位器，用于調節BTL激勵信號的大小，2個BTL激勵信號通過同軸電位器同步調節，可保證激勵信號的一致，否則會導致BTL電路輸出失真。RW同軸電位器作為音量調節電位器，介于前置放大電路與BTL末級功放之間。

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

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

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

本例這種電路組合既實現了對微弱的音頻信號的放大，同時也得到了大小相等、極性相反的信號，以供BTL電路正常工作之用。

需要指出的，V1集電極與發射極輸出信號反相電路的一致性較差，這是因為發射極輸出阻抗小而集電極輸出阻抗大導致的。由于后級采用了高輸入阻抗的集成運放，故影響不大。

2.3 BTL電路前置放大電路三

運用差分放大電路作前置放大，音頻信號從差分放大電路的一端輸入，經差分放大分別從差分對管的集電極輸出大小相等、極性相反的信號作為BTL電路的輸入激勵信號。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計制作與實現要點

靈活運用掌握的《模擬電子技術》課程中的電源、晶體三極管、運放和OCL電路等知識，是設計制作BTL音頻功率放大電路的基礎。

（1） 建立BTL音頻功率放大電路整體設計框圖（如圖5所示）

圖5 BTL音頻功率放大電路整體設計框圖

（2） 列出BTL音頻功率放大電路設計技術參數及指標

①輸出功率Po②效率③非線性失真THD④頻率響應⑤輸入靈敏度⑥信噪比

（3）BTL音頻功率放大電路整體設計制作的其他工作流程

①圍繞音頻功率放大電路技術參數及指標選擇匹配電路。

②在電路仿真平臺上搭建電路，進行仿真測試并加以修正。

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

④測試：用專用儀器測試BTL音頻功率放大電路技術參數及指標，對設計預期目標加以驗證。

總而言之，在《模擬電子技術》課程有關BTL音頻功率放大電路章節的教學中，只要準確解析BTL音頻功率放大電路結構、工作原理及特性，舉例得當充分，拓寬學生的思維，并輔以一定的實驗，提高其學習興趣、積極性和創新理念，就會達到或超出預期的教學效果。

[1]崔玫.《模擬電子技術基礎》.清華大學出版社.2011

[2]華成英.《模擬電子技術基礎》.北京高等教育出版社.2001

[3]鄧寬林.《如何利用集成功放構成BTL電路》.現代電子技術.2003（14）

[4]郭玉山《BTL功率放大器典型電路設計》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，江蘇揚州市人，高級實驗師，副教授，研究方向應用電子技術教育。

基金：江蘇省應用電子技術專業中高職銜接課程體系建設研究課題（2015SKT001）