详解OCL功放差分放大电路

本文主题是图解经典电路之OCL差分功放，通过图文这种分析的方式能够有效减少面对复杂电路时的恐惧感。整个OCL电路可以等效为一个大功率的运放，如何消除大功率三极管的交越失真。又如何通过添加反馈电阻限制Q1Q2的静态偏置电流。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。

来详细讲解一些经典的电路，跟大家一起进步。另外，虽然我已经转做软件了，但是对硬件的爱丝毫不会减少，请大家放心。朋友们有什么经典电路想了解也可以私信我，如果感兴趣的人比较多的话，我也会挤时间单独出一期文章来讲解。你们的支持是我前进的动力，一起加油。刚把得。（写到最后，都要呼吸困难了，求赞，求安慰。））

好了，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。

（图一 完整 OCL差分放大电路）

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。

（一）第一步，尽可能的抽象这个电路图，会等效成什么样子那？

（图二 OCL等效电路）

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。

（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。

（图三 使用图腾柱提高输出功率）

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。

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。

（三）消除大功率三极管的交越失真

（图四 通过添加偏置电压，消除功率三极管的交越失真）

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。

（四）通过添加反馈电阻限制Q1Q2的静态偏置电流

（图四 通过添加反馈电阻限制Q1Q2的静态偏置电流）

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。

（五）给功放级添加前级驱动电路

（图五 跟功率三极管增加前置驱动电路）

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）

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。

（六）用两级共射放大器实现电压放大

（图六 共射放大器实现电压放大的功放电路）

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。

（七）差分电路作为第一级放大

（图七 差分放大器作为第一级放大电路）

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。

（八）使用有源负载，提高放大器的电压增益。

（图八 增加有源负载提高放大器增益）

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。

（九）增加前后级隔离电路，防止自激。

（图九 增加隔离电路，将前后级电源分开）

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

（十）增加相位补偿电容

（图十 增加相位补偿电容）

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。

（十一）并联功率管，实现更大输出功率

（图十一 并联功率管，实现更大输出功率）

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。