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一、引言

功率放大电路（Power Amplifier）是模拟电子系统的核心模块之一，其核心任务是将小信号放大到足以驱动负载（如扬声器、电机）的功率级别。本文基于Multisim 14.0仿真平台，系统解析低频功率放大器中甲类、乙类、甲乙类功放原理，并对比OCL与OTL电路的设计差异。通过理论推导与仿真案例，帮助读

二、功率放大电路分类与特性

1. 甲类功放（Class A）

• 核心特征：晶体管在整个信号周期内导通（导通角360°），静态工作点Q位于负载线中点。
• 典型波形：输出波形无截止失真，但存在较大静态功耗（图1）。
• 效率公式：理论最大效率仅25%（ηmax=PoPDC=25%ηmax​=PDC​Po​​=25%）。
• 应用场景：高保真音频前级（如Hi-Fi音响输入级）。

![甲类功放波形与Q点]

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2. 乙类功放（Class B）

• 核心特征：两管互补推挽，每管导通180°，静态电流为零。
• 交越失真：因晶体管阈值电压导致小信号区域波形畸变（图2）。
• 效率优势：理论效率提升至78.5%（ηmax=π4≈78.5%ηmax​=4π​≈78.5%）。
• 典型电路：OCL乙类互补对称电路（需双电源供电）。

![乙类功放交越失真]

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3. 甲乙类功放（Class AB）

• 折中设计：通过设置微小偏置电压，使Q点略高于截止区（导通角>180°）。
• 关键改进：消除交越失真，兼顾效率与线性度（图3）。
• 偏置方法：二极管偏置、VBEVBE​倍增电路等。
• 典型应用：OCL甲乙类功放（如LM386集成芯片）。

4 工作状态对比表

参数	甲类	乙类	甲乙类
导通角	360°	180°	200°-300°
理论效率	< 25%	60-70%	50-60%
失真类型	线性失真	交越失真	复合失真
静态电流	大	接近零	中等

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三、OCL与OTL电路对比解析

1. OCL电路（无输出电容功放）

• 电路结构：双电源供电（±VCC），输出端直接连接负载。
• 核心优势：
  • 低频响应优异（无耦合电容相位失真）
  • 输出功率大（Pomax=VCC22RLPomax​=2RL​VCC2​​）
• 设计挑战：
  • 需严格对称的NPN/PNP互补对管
  • 中点电位漂移需通过负反馈抑制

Multisim仿真要点：

1. 搭建OCL乙类电路，输入1kHz正弦波，观察交越失真
2. 插入二极管偏置（1N4148），升级为甲乙类，对比失真改善
3. 测量最大不失真输出电压，验证\(P_o = \frac{V_{opp}^2}{8R_L}\)

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2. OTL电路（无输出变压器功放）

• 电路结构：单电源供电，输出端通过大电容（C>1000μFC>1000μF）耦合负载。
• 关键参数：
  • 中点电压需调整为VCC/2VCC​/2（通过电阻分压或运放伺服）
  • 输出功率公式：Pomax=VCC28RLPomax​=8RL​VCC2​​（与OCL同电源下功率相同）
• 典型应用：便携式设备音频输出（如车载收音机）

Multisim仿真案例：

1. 搭建OTL甲乙类电路，调节电位器使中点电压为6V（当VCC=12V时）
2. 观察输出电容充放电过程对低频截止频率的影响（\(f_L = \frac{1}{2\pi R_L C}\)）
3. 对比OTL与OCL在相同负载下的效率差异

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四、Multisim仿真实战：甲乙类OCL功率放大器

1. 电路设计

• 核心器件：2N3904（NPN）、2N3906（PNP）、1N4148偏置二极管
• 仿真步骤：
  1. 创建双电源（±12V）供电的互补对称电路
  2. 添加二极管D1、D2提供约1.2V偏置电压（消除交越失真）
  3. 负载RL​=16Ω，输入信号3Vrms@1kHz

 

2. 关键波形分析

        仿真波形如下：

 

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五、工程选型指南

参数	OCL电路	OTL电路
电源类型	双电源（±VCC）	单电源（+VCC）
输出元件	无电容	大容量耦合电容（C）
低频响应	极佳（DC~100kHz）	受限于C（fL>20HzfL​>20Hz）
适用场景	高端音响、实验室设备	便携设备、低成本系统
保护电路	必需（防直流冲击）	可选（电容隔离）

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六、结语

功率放大器的设计需要在效率、失真、成本之间取得平衡。通过Multisim仿真，工程师可快速验证甲类、乙类、甲乙类拓扑的性能差异，并优化OCL/OTL电路参数。未来趋势指向高效率D类功放与GaN器件的结合，但传统线性功放因其低噪声特性，仍将在特定领域保持不可替代性。

扩展阅读：

• [OTL功率放大器焊接教程与频响测试] 
• [OCL电路过流保护设计实例] 

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声明：本文仿真数据基于Multisim 14.0，电路参数请根据实际器件调整。引用理论公式请参考《模拟电子技术基础》（王兆安著）。

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