实验三十一、OCL 电路输出功率和效率的研究

一、题目

研究 OCL 功率放大电路的输出功率和效率。

二、仿真电路

OCL 功率放大电路如图1所示。
$$图1\text{OCL}功率放大电路$$图中采用 NPN 型低频功率晶体管 2SC2001，其参数为：$I_{CM}=700\text{mA}$，$P_T=600\text{mW}$，$U_{(BR)CEO}=25\text{V}$，$U_{CES}=0.6\text{V}$；PNP 型低频功率晶体管 2SA952，其参数为：$I_{CM}=-700\text{mA}$，$P_T=600\text{mW}$，$U_{(BR)CEO}=-25\text{V}$，$U_{CES}=-0.6\text{V}$。
输出功率 $P_o$ 为交流功率，可采用瓦特表测量；电源消耗的功率 $P_V$ 为平均功率，可采用直流电流表测量电源的输出平均电流，然后计算出 $P_V$。

三、仿真内容

1、观察输出信号波形的失真情况。
2、分别测量静态时以及输入电压峰值为 $11\text{V}$ 时的 $P_o$ 和 $P_V$，计算效率。

四、仿真结果

仿真结果如表1所示。$$表1测试数据$$

输入信号   \\\, V1峰值/V	直流电流表1   \\\, 读数 $I_{C1}$/mA	直流电流表2   \\\, 读数 $I_{C2}$/mA	电源消耗的   \\\, 功率 $P_V$/W	瓦特表读   \\\, 数 $P_o$/W	OCL 电路输出信号正、负   \\\, 向峰值 $U_{omax+}$，$U_{omax-}$/V
0	0	0	0	0	0,0
11	62.282	62.723	1.500	1.011	10.218,-10.206

由表1中的数据，经计算，可得电源消耗的功率、输出功率和效率，如表2所示。$$表2功率和效率$$

输入电压   \, 峰值为 11 V	$+V_{CC}$ 功耗 $P_{V+}$/W	$-V_{CC}$ 功耗$P_{V-}$/W	电源总功耗 $P_V$/W	输出功率$P_{om}$/W	效率/%
计算公式	$I_{C1}{V}_{CC}$	$I_{C2}{V}_{CC}$	$(I_{C1}+I_{C2})V_{CC}$	$(\frac{U_{omax+}-U_{omax-}}{2}{)}^2/(2R_L)$	$P_{om}/P_V$
计算结果	0.747	0.753	1.500	1.043	69.5%

五、结论

（1）OCL 电路输出信号峰值略小于输入信号峰值，输出信号波形产生了交越失真，且正、负输出幅度略有不对称。产生交越失真的原因是两只晶体管均没有设置合适的静态工作点，正、负向输出幅值不对称的原因是两只晶体管的特性不是理想对称。
（2）由理论计算可得电源消耗的功率$$P_V=\frac{2}{\pi }\cdot \frac{V_{CC}\cdot (U_{omax+}-U_{omax-})/2}{R_L}\approx 1.560\text{W}$$该数据明显大于仿真结果，必然使效率降低，为$$\eta =\frac{P_{om}}{P_V}\approx 66.9\%$$与通过仿真所得结果误差小于 $5\%$，产生误差的原因是输出信号产生了交越失真和非对称性失真。由此可见，对于功率放大电路的仿真对设计具有指导意义。
（3）本例演示了功率的测试方法。