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【干货】推挽放大器交越失真的成因及消除方法

2020-06-29 11:39 来源:互联网 编辑:咩咩

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。

至于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,以及输出信号的整合方式不同,下述的基本原理依然适用。

电子管推挽放大器也会发生相同性质的失真,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整合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倒相后,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,只有当输入信号为正极性电压的时候,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;两个晶体管分别把自己放大后的信号加载到输出变压器,变压器又把这两个半周的信号相继馈送给同一个负载,于是负载实际上得到的,是一个完整的放大信号。

【干货】推挽放大器交越失真的成因及消除方法

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:

【干货】推挽放大器交越失真的成因及消除方法

图 2:输出信号波形

【干货】推挽放大器交越失真的成因及消除方法

图 3:输入信号波形与输出信号波形作叠加对比

显然,这不是我们期待得到的放大信号,它并没有一个完整的信号周期,产生了明显的失真;

图 3 中可以看到,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所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产生的失真称为“交越失真”。

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,两个晶体管到底是怎样的一个工作情况

【干货】推挽放大器交越失真的成因及消除方法

图 4:上晶体管的输出波形与输入信号波形的叠加对比

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图 5:下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,就脱离了工作状态,这种偷工减料的行为致使工作交替过程期间的信号被丢失,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路也被称为晶体管的“偏置电流”。

【干货】推挽放大器交越失真的成因及消除方法

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。

【干货】推挽放大器交越失真的成因及消除方法

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。

【干货】推挽放大器交越失真的成因及消除方法

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。

【干货】推挽放大器交越失真的成因及消除方法

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。

【干货】推挽放大器交越失真的成因及消除方法

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,为消除这种非线性失真,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,令晶体管产生更大的基极电流,则其截止区还会继续向对方晶体管的工作区域延伸,直到最后完全覆盖对方的整个工作区域,两个晶体管都会工作在完整的信号周期范围,此时,放大器的属性也随之发生了改变,它脱离了甲乙类(AB 类)放大器,变成为纯甲类(A 类)推挽放大器。

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