晶体管推挽功率放大器的交越失真.doc

晶体管推挽功率放大器的交越失真本文的测量与分析，以输入及输出均为变压器耦合的经典电路为原型。 另一种也被广泛使用的单端推挽电路，仅仅是输入信号的激励方式，以及输出信号的合成方式不同，下述的基本原理依然适用。电子管推挽放大器也会产生相同性质的失真，故本文中关于失真机理的描述也适用于理解电子管放大器。 本文仅单独研讨交越失真的成因及消除方法，至于推挽放大器的其它特性，不在研讨范围。 众所周知，推挽放大器，是一种需要由两个（或两组）晶体管来共同完成放大作用的放大器，电路中的两个晶体管，分别负责放大信号的正半周和负半周，再由输出变压器把两个半周的输出信号合成为一个完整的输出信号。 图1为推挽放大器的原理电路，输入信号由输入变压器分相后，分别馈送到两个晶体管的基极，馈送给两个晶体管基极的都是一个完整的信号，只是它们的相位是相反的，相差了180度；我们知道，结型为NPN的晶体管，只有当输入信号电压为正极性时，晶体管才会导通，输入信号电压为负极性时，晶体管处于截止状态，所以在推挽电路两个晶体管的集电极，我们只能分别得到半个周期的输出信号；两个晶体管把各自放大后的信号电压加载到输出变压器，变压器又把这两个半周的信号电压相继馈送给同一个负载，于是负载上实际得到的，是一个完整的输出信号电压。 图1：原理电路及输出信号的合成 如果我们完全依照原理电路搭建一个推挽放大器，那么我们所得到的放大信号将是这样的：显然，这不是我们期待得到的放大信号，这个输出信号没有一个完整的周期，产生了明显的失真；从图3中输出信号的周期范围可以看到，当上面那个晶体管已经脱离放大区域，停止工作，而下面那个晶体管却尚未进入工作状态；同样，当下面那个晶体管已经脱离放大区域，停止工作，上面那个晶体管也是未有进入工作状态； 这个失真发生在两个晶体管各自负责的半个周期之交接区域中，放大器理论把这种发生在信号上下半周交接区域所产生的失真称为“交越失真”。图2：输出信号波形 图3：输入信号波形与输出信号波形作叠加对比交越失真的成因 要知道这个交越失真是怎样产生的，首先要知道的是令晶体管工作所需的电压条件；大多数涉及晶体管电路原理的书籍中都会提到，在晶体管的PN结上，要加上一定的正向电压才能使其进入导通状态，半导体物理学把这个令晶体管进入正向导通状态的电压，称为晶体管的“特征电压”；不同材质的晶体管其导通电压并不相同，电路理论中，锗材料晶体管的“特征电压”被定为0.2V，硅材料晶体管的“特征电压”被定为0.7V。实际应用中需要留意的是：即使材质相同的晶体管，其导通电压也会略有不同，并且，这个“特征电压”也不是一个固定的值，而是在这个值附近的一个范围。 我们再来看看原理电路中，两个晶体管到底工作在半周期中的哪个范围 图4：上晶体管的输出波形与输入信号波形的叠加对比 图4、图5中两个晶体管的输出波形与输入信号波形的叠加对比，都反映了同样的问题：在信号的两个半周，上下晶体管都没有完整地工作在其负责放大的半周期内，只是在信号电压超过其“特征电压”时才开始工作，当信号电压低于其“特征电压”，但尚未回到0的时候，就已经脱离了工作状态，工作周期的滞后开始和提前结束，致使两管在工作交替期间的信号被丢失，这就是导致推挽放大器产生“交越失真”的成因。消除交越失真的方法 面对所出现的问题，首先是要找出问题的成因，才能据此探求解决问题的办法。上面的测量中，我们找到了造成“交越失真”是因为晶体管的“特征电压”在作怪，那么我们就可以这样做：预先为晶体管基极设置一个导通电压，令其在尚未有输入信号的时候，已经提前进入工作区域，这样，晶体管就可以在信号到来时马上进入工作状态，两个晶体管的信号交接过程就会变得畅顺，交越失真就可以消除。 这个为晶体管基极预置的电压，在晶体管放大器理论中称为“偏置电压”；也因为晶体管是电流控制器件，预置这个电压的实际目的是为晶体管基极注入一个小电流，令晶体管进入工作区域，所以这个注入的小电流也被称为晶体管的“偏置电流”。图5：下晶体管的输出波形与输入信号波形的叠加对比 图6：设置有“偏置电压”的实际工作电路 测试一下加入偏置电压后，晶体管的工作区域发生了什么改变； 图7为上晶体管的输出波形，从0V基线的位置可以看到，上晶体管已经工作在一个完整的半周期范围，它的截止区已经逾越了这个范围，落在下晶体管的工作区域。 图7：上晶体管工作区域 图8为下晶体管的输出波形，同样可以看到，此时下晶体管也已经工作在一个完整的半周期范围，它的截止区也逾越了这个范围，落在上晶体管的工作区域。 图8：下晶体管工作区域综合测试 我们调整图6偏置电路中的R1，使基极电压从0开始逐步增加，再看看原有的交越失真发生了什么变化。 图9：偏置电压略为增加后，对比图3中原来交越区域的不工作范围变窄，交越失真得到改善。 图10：当偏置电压增加到令晶体管已经完全进入工作状态，此时的交越失真也同时被消除。（图10中有意把输入、输出两个信号略作移位，以方便对比两个波形） 以上测试过程，我们解决了晶体管推挽放大器的交越失真问题，两个晶体管已经可以分别工作在各自的半个周期范围，负载得到了一个完整周期的不失真信号； 放大器理论中，把担负放大作用的器件（晶体管或电子管），在无输入信号时处于不工作状态的这种放大器，称为“乙类（B类）放大器”；把放大器件预先进入工作状态，但其依然主要是承担信号半个周期放大任务的这种放大器，称为“甲乙类（AB类）放大器”。在音频放大器中，为避免出现这种非线性失真，不使用乙类（B类）放大器，只使用甲乙类（AB类）放大器。如果我们继续增加偏置电压，令晶体