初学入门：OTL音频功率放大电路仿真实验

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音频功率放大器的作用是放大前置放大器输出的音频电压信号，产生足够的不失真输出功率，以推动扬声器发声。因此，功率放大器不仅要有足够的电压输出，更需要有足够的电流输出。功率放大器通常是由一个电压放大器和一个电流放大器组成。对功率放大器的要求还有：信噪比高、失真度小、动态范围宽、功率转换效率高等。本文利用Proteus具有的仿真功能，对音频功率放大电路进行静态工作点、瞬态、交流小信号仿真实验，以期初步了解电路的性态。

为了对仿真结果进行比较，电路中小功率三极管NPN型选用2N4401或2N5551，PNP型选用2N4403或2N5401，大功率管NPN型选用2N3055，PNP型选用2N2955，电源电压采用直流33V，负载扬声器采用4Ω电阻。

1. OTL仿真电路

按照《电子报》2022年第49期第4版上《OTL音频功率放大电路解读》一文中的电路，在Proteus软件中绘制电路，将原文电路图中的W1的代号改为RV1，W2的代号改为RV2。二极管选用1N4148，激励源为正弦信号，观察点有输出中点A、自举电容B、反馈点C、输入点D，并在输出点扬声器端放置电压探针Output。采用仿真元器件绘制的电路如图1所示。

图1  OTL仿真电路

2. 静态工作点仿真

合适的静态工作点是放大电路正常工作的重要条件。如果静态工作点选择不合适，则输出波形会失真。OTL电路要求输出中点电位等于或接近1/2Vcc，即16.5V。静态工作点仿真的观察点是输出中点A的电位、Q3集电极与发射极电压、放大电路总静态电流，分别在观察点放置量程为V的电压表VA、量程为mV的电压表UQ3CE、量程为mA的电流表ID。仿真结果如图2所示。图中将R1的取值从220kΩ调整为390kΩ，调节RV2时总静态电流变化不明显。电压表UQ3CE显示-10.0mV、VA显示+16.6V、电流表ID显示+33.4mA。

图2 静态工作点仿真结果

3. 频域图表仿真

频域图表是在一定的频率范围内计算电路的响应。进行频域分析时，电路中激励源的属性中幅度必须设置一个大于零的值。将图1电路中输出负载扬声器改为阻值为4Ω的电阻器，以激励信号源Uin为参考源，起始频率为10Hz、终止频率为100k Hz，仿真观察点设定为Output点。频域分析仿真结果如图3所示，图中上面一条为幅频特性曲线，下面一条为相频特性曲线。可以看到，该电路在频率范围约为50Hz～10kHz内幅度比较平坦，在20Hz～1kHz频带范围内几乎没有相移。

图3 频域仿真结果

4. 模拟图表仿真

模拟图表仿真是以时间轴为X轴、以电压或电流等为Y轴，绘制一条或多条随时间变化的曲线。本节以输出点信号Output为左纵轴。根据给定的不同信号幅度和频率，通过输入信号与输出信号进行对比判断电路的状态。信号采用正弦波信号，其频率分别取20Hz、200Hz、2kHz、20kHz四种，幅度分别取20mV、40mV、80mV、120mV四种，进行仿真观察。当信号幅度为45mV、频率为2kHz时输出波形开始出现削顶失真，不再继续仿真。

以信号源幅度为20mV，频率分别设定为20Hz、200 Hz、2kHz、20 kHz进行瞬态分析仿真，仿真观察点设定为图1中的A、B、C、D点的结果如图4所示。从图4中可以看出，输出幅度峰值约为85mV，放大电路的峰值放大倍数约为4.25。

（a）频率为20Hz

（b）频率为200Hz

（c）频率为2kHz

（d）频率为20kHz

图4 信号幅度为20mV的仿真结果

以信号源幅度为45mV，频率分别设定为20Hz、200 Hz、2kHz、20 kHz进行模拟图表仿真。仿真观察点设定为图1中的Output点的结果如图5所示。从图5可以看出，输出幅度正负半周对称性差，信号频率为2kHz、幅度为45mV时输出幅度峰值正半周约为130mV、负半周约为250mV，放大电路的最大峰值放大倍数约为5.56。

（a）频率为20Hz

（b）频率为200Hz

（c）频率为2kHz

（d）频率为20kHz

图5 信号幅度为45mV的仿真结果

由于输出幅度正负半周对称性差，笔者将图1中的自举电容C6去掉后再仿真。信号频率为2kHz、幅度为45mV时，输出幅度峰值正半周约为3.2V、负半周约为2.7V，放大电路的最大峰值放大倍数平均值约为65.5。信号幅度增至200mV时，输出最大不失真幅度正半周约13V、负半周约10V，放大电路的最大峰值放大倍数平均值约为57.5。改动后电路的模拟图表仿真结果如图6所示，电路的频率响应如图7所示。

图6 去除自举电容后的频域仿真结果

图7 去除自举电容后的频率响应仿真结果