OTL功放电源电压越低效率越高

ace919

OTL功放电源电压越低，电源的利用效率就越高。这里指的是给定的一个OTL功放，比如4节1.5V电池供电的收音机的OTL功放，随着收听，电池电压逐渐变低，但输出给定音频功率（比如100mW）的电源利用效率，会越来越高。

因为前几天本坛讨论此事比较热烈，就用LTspice仿真了下。

1.35V的电压源用于提供三极管Q1、Q2静态电流。
BV1的输出电压跟踪电源电压Vcc，使得中间点e的静态电压始终为电源电压的一半。
所有4个电压源交直流内阻均为0。
波形图为Vcc=6V，Vin=2V（正弦波峰值）时的情况。绿线为扬声器端的电压曲线，蓝线为电源Vcc的瞬时功率曲线，红线为扬声器的瞬时功率曲线。

先看看电源电压Vcc=6V时的直流工作点：

e点电压正好为电源电压的一半，两个三极管的集电极电流约为5.57mA。

LTspice自己有计算平均功率的功能：


Vcc=6V，Vin=2V时的FFT频谱图：

几乎没有偶次谐波，两个互补对管参数越一致，这个特性就越明显。

Vcc=6V，仿真了Vin从0.5V到3V的几种情况，这是汇总的功率、效率及总谐波失真THD表：



可以看出：
结论1. 在电源电压及扬声器阻抗不变的情况下，音量越大，效率越高。
结论2. 在前级推动电压摆幅达到从0到电源电压时，输出功率最大，效率最高。

Vcc=6V，Vin=3V时，效率为74.19%。之所以最高效率达不到理论最高值78.5%，应该主要是三极管饱和压降不为0，导致输出电压峰峰值小于电源电压的原因。我们看此时的波形图：

可以看出绿色曲线V(out)的上下峰均被轻微削顶。此时的失真度为1.5%，仍不算大。当然在实际机器中，互补对管不可能这么完美匹配，中点电压及前级的推动电压电平也不可能这么恰到好处，因此很可能失真度会大一些。不过实际电路大都有负反馈，可以减少一部分失真。


再看看同一个电路，其他情况不变，仅电源电压降至Vcc=4.5V的情况。先看直流工作点：

e点电压依然正好为电源电压的一半，两个三极管的集电极电流约为5.49mA。

Vcc=4.5V，仿真了Vin从0.5V到2.25V的几种情况，这是汇总的功率、效率及总谐波失真THD表：

其规律与Vcc=6V时相同。


对照Vcc=4.5V，与Vcc=6V时的表格，可以看出：
结论3. 电源电压越高，能提供的最大输出功率越大。
结论4. 电源电压越高，在达到最大输出功率时，效率也越高，也就是最大效率越接近理论值78.5%。
结论5. 电源电压降低时，同样的前级推动电压（峰峰值不超出电源电压），输出功率基本不变。
结论6. 电源电压越低，电源的利用效率越高。

比如对同样的输入电压Vin=2V，Vcc=6V时，输出功率=215.02mW，而当Vcc降为4.5V时，输出功率=214.90mW，功率几乎不变。但效率从Vcc=6V时的48.93%升为Vcc=4.5V时的65.23%。


注：
仿真时为了消除互补对管参数不一致造成的偏差，创造了个与2N4401 NPN三极管参数完全一致，但为PNP管的PNP4401。
这个在LTspice的安装目录中找到standard.bjt这个文件，用文本编辑器打开，把2N4401那一段复制粘贴到文件最后，并把其中的NPN类型改为PNP，同时器件名2N4401改为PNP4401，即在库中增加了2N4401的完美互补对管PNP4401。

ace919

补充Vcc=3V与Vcc=9V时的表格，规律相同。

笑咪咪

非常感谢楼主的这种的严谨态度。用数据说话确实要比我个人的感觉可靠多了，也比简单的说教容易让人信服。

我对仿真一窍不通，但对数据与结论非常感兴趣。

从中可以知道那个78%的理想只能是在一个点上。

楼主的结论指出，随着电压的降低电源的利用率越高。(我不清楚这个描述是否精准)

反过来理解，就是输出功率越低，电源的利用率越差。

也就是说，一般人是不会满功率收听节目的，所以电源的利用率是相对低的。

从数据中得知：

在满功率的44%处收听时，电源的利用率会下降33%左右。

在满功率的25%处收听时，电源的利用率会下降50%以上。

maojc

尽管是接近理想状态的仿真 但已经回答了笑眯眯坛友的疑惑。

实际就是大功放小输出效率较低。

因为OTL 9V 8Ω的理想输出为1W↑如果只输出200mw

显然要比只有200mw最大输出的收音机耗电要大

如果能找到合适的喇叭使最大输出也为200mw

那效率是一样的

谢谢楼主的仿真实验       这点字打了20分钟来晚了

笑咪咪

maojc 发表于 2014-3-7 20:50
尽管是接近理想状态的仿真 但已经回答了笑眯眯坛友的疑惑。

实际就是大功放小输出效率较低。

您说得是，费电是因为自己的电压选用不当，或是扬声器选用不当。

当年自己也不具备这些知识，要是现在肯定会与朋友们探讨一下的。

翌阳

对啊，所以嘛，我把我的DE1103从BTL输出改成了OTL输出，因为平时听不了那么大声的。

maojc

笑咪咪 发表于 2014-3-7 21:08
您说得是，费电是因为自己的电压选用不当，或是扬声器选用不当。

当年自己也不具备这些知 ...

是这样的 对于电池供电的收音机特别要考虑效率
我有一个插卡收音机D类功放耗电就很省 声音也好

翌阳

zhke 发表于 2014-3-7 21:17
功率储备小了。。。

不hifi了。。。

对的，效率高了，不发热了，当然也不HIFI（发烧）了。
其实音质更好了，OTL音质比BTL音质要好不少。

笑咪咪

maojc 发表于 2014-3-7 21:15
是这样的 对于电池供电的收音机特别要考虑效率
我有一个插卡收音机D类功放耗电就很省 声音也 ...

好在那都是过去的事了，现在都是用充电电池也就无所谓了。

不过不管怎么设计电压，一般人总是不太可能在最大功率下收听的。

更何况楼主的这个似乎是用等幅音频来做的仿真，真实的音频(动态范围)就是在满功率下也不会有那么高的电源利用率。

现在我那台S2000用了八只1900ma的充电电池，12天就听没电了。

yngz

OTL电路的负载阻抗就是扬声器阻抗。输出一定的功率，负载上的交流电压是一定的，电源电压越高，晶体管所要负担的电压就越高，效率就越低。对于变压器输出的推挽功放，变压器可以把扬声器阻抗提升到晶体管更合适的集电极阻抗。输出同样的功率时，集电极负载上可以分得更多的电压，这样就比OTL电路效率高了。但是集电极负载阻抗的提高降低了最大输出功率的能力，因此效率与最大输出功率是有矛盾的。在给定的电源电压下，输出额定的功率，忽略变压器的效率，变压器推挽功放的效率要更有优势一些。另外那种传统的分立元件的OTL电路由于推动级的原因，在输出管远未达到饱和状态之前，推动级就已经削波了。在不失真状态下，传统OTL电路的效率一般很难超过50%。集成电路OTL功放可能使用了复杂的电路来解决这个问题，效率比简单的分立元件的OTL更高一些。

yinyin

看楼主那个图，只看出Vcc是6,Vbb是个1.35的电池，前面是2个电池串联，幅值从哪里来没搞清。

ace919

翌阳 发表于 2014-3-7 21:13
对啊，所以嘛，我把我的DE1103从BTL输出改成了OTL输出，因为平时听不了那么大声的。

这个办法不错，那天也改了。我一是不喜欢大声，二是不喜欢立体声

枫丹白露

这个是正常的，好比串联稳压器一样，当输出电压最低时，效率最低。不过如果是做实验数据，最好模拟实际电路，因为上管和下管在实际电路中其激励电流是不同的，这样数据会更准确。

ace919

yngz 发表于 2014-3-7 21:22
OTL电路的负载阻抗就是扬声器阻抗。输出一定的功率，负载上的交流电压是一定的，电源电压越高，晶体管所要负 ...

如果三极管也是理想的（不是仿真器库里的三极管模型，而是要求Vbe=0, Vces=0, beta极大等等理想条件），再加上推动级也是理想的，应该不管变压器输入输出推挽功放，还是OTL，OCL，BTL，最高效率都是78.5%（猜测，未仿真）。

但在实际电路中，即使不考虑设计调试中的不恰当因素，也难以接近理想状态。

变压器输入输出推挽功放，相对来说最容易达到较好的状态，但最大的问题是音频变压器大多在低频与高频段性能均不太好。

OTL，OCL，BTL中，有些问题是相似的。比如6V电源的OTL，其推动级最好是享受8V与-2V的双电源，或者某种正负自举电路（如果有的话），否则没法使输出级达到电压满摆幅。