晶體管推挽功率放大器的交越失真

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1、晶體管推挽功率放大器的交越失真本文的測(cè)量與分析，以輸入及輸出均為變壓器耦合的經(jīng)典電路為原型。另一種也被廣泛使用的單端推挽電路，僅僅是輸入信號(hào)的激勵(lì)方式，以及輸出信號(hào)的合成方式不同，下述的基本原理依然適用。電子管推挽放大器也會(huì)產(chǎn)生相同性質(zhì)的失真，故本文中關(guān)于失真機(jī)理的描述也適用于理解電子管放大器。本文僅單獨(dú)研討交越失真的成因及消除方法，至于推挽放大器的其它特性，不在研討范圍。眾所周知，推挽放大器，是一種需要由兩個(gè)（或兩組）晶體管來共同完成放大作用的放大器，電路中的兩個(gè)晶體管，分別負(fù)責(zé)放大信號(hào)的正半周和負(fù)半周，再由輸出變壓器把兩個(gè)半周的輸出信號(hào)合成為一個(gè)完整的輸出信號(hào)。圖1為推挽放大器的

2、原理電路，輸入信號(hào)由輸入變壓器分相后，分別饋送到兩個(gè)晶體管的基極，饋送給兩個(gè)晶體管基極的都是一個(gè)完整的信號(hào)，只是它們的相位是相反的，相差了180度；我們知道，結(jié)型為NPN的晶體管，只有當(dāng)輸入信號(hào)電壓為正極性時(shí)，晶體管才會(huì)導(dǎo)通，輸入信號(hào)電壓為負(fù)極性時(shí)，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，所以在推挽電路兩個(gè)晶體管的集電極，我們只能分別得到半個(gè)周期的輸出信號(hào)；兩個(gè)晶體管把各自放大后的信號(hào)電壓加載到輸出變壓器，變壓器又把這兩個(gè)半周的信號(hào)電壓相繼饋送給同一個(gè)負(fù)載，于是負(fù)載上實(shí)際得到的，是一個(gè)完整的輸出信號(hào)電壓。圖1：原理電路及輸出信號(hào)的合成如果我們完全依照原理電路搭建一個(gè)推挽放大器，那么我們所得到的放大信號(hào)將

3、是這樣的：顯然，這不是我們期待得到的放大信號(hào)，這個(gè)輸出信號(hào)沒有一個(gè)完整的周期，產(chǎn)生了明顯的失真；從圖3中輸出信號(hào)的周期范圍可以看到，當(dāng)上面那個(gè)晶體管已經(jīng)脫離放大區(qū)域，停止工作，而下面那個(gè)晶體管卻尚未進(jìn)入工作狀態(tài)；同樣，當(dāng)下面那個(gè)晶體管已經(jīng)脫離放大區(qū)域，停止工作，上面那個(gè)晶體管也是未有進(jìn)入工作狀態(tài)；這個(gè)失真發(fā)生在兩個(gè)晶體管各自負(fù)責(zé)的半個(gè)周期之交接區(qū)域中，放大器理論把這種發(fā)生在信號(hào)上下半周交接區(qū)域所產(chǎn)生的失真稱為“交越失真”。圖2：輸出信號(hào)波形圖3：輸入信號(hào)波形與輸出信號(hào)波形作疊加對(duì)比交越失真的成因要知道這個(gè)交越失真是怎樣產(chǎn)生的，首先要知道的是令晶體管工作所需的電壓條件；大多數(shù)涉及晶體管

4、電路原理的書籍中都會(huì)提到，在晶體管的PN結(jié)上，要加上一定的正向電壓才能使其進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，半導(dǎo)體物理學(xué)把這個(gè)令晶體管進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)的電壓，稱為晶體管的“特征電壓”；不同材質(zhì)的晶體管其導(dǎo)通電壓并不相同，電路理論中，鍺材料晶體管的“特征電壓”被定為0.2V，硅材料晶體管的“特征電壓”被定為0.7V。實(shí)際應(yīng)用中需要留意的是：即使材質(zhì)相同的晶體管，其導(dǎo)通電壓也會(huì)略有不同，并且，這個(gè)“特征電壓”也不是一個(gè)固定的值，而是在這個(gè)值附近的一個(gè)范圍。我們?cè)賮砜纯丛黼娐分?，兩個(gè)晶體管到底工作在半周期中的哪個(gè)范圍圖4：上晶體管的輸出波形與輸入信號(hào)波形的疊加對(duì)比圖4、圖5中兩個(gè)晶體管的輸出波形與輸入信號(hào)波

5、形的疊加對(duì)比，都反映了同樣的問題：在信號(hào)的兩個(gè)半周，上下晶體管都沒有完整地工作在其負(fù)責(zé)放大的半周期內(nèi)，只是在信號(hào)電壓超過其“特征電壓”時(shí)才開始工作，當(dāng)信號(hào)電壓低于其“特征電壓”，但尚未回到0的時(shí)候，就已經(jīng)脫離了工作狀態(tài)，工作周期的滯后開始和提前結(jié)束，致使兩管在工作交替期間的信號(hào)被丟失，這就是導(dǎo)致推挽放大器產(chǎn)生“交越失真”的成因。消除交越失真的方法面對(duì)所出現(xiàn)的問題，首先是要找出問題的成因，才能據(jù)此探求解決問題的辦法。上面的測(cè)量中，我們找到了造成“交越失真”是因?yàn)榫w管的“特征電壓”在作怪，那么我們就可以這樣做：預(yù)先為晶體管基極設(shè)置一個(gè)導(dǎo)通電壓，令其在尚未有輸入信號(hào)的時(shí)候，已經(jīng)提前進(jìn)入工

6、作區(qū)域，這樣，晶體管就可以在信號(hào)到來時(shí)馬上進(jìn)入工作狀態(tài)，兩個(gè)晶體管的信號(hào)交接過程就會(huì)變得暢順，交越失真就可以消除。這個(gè)為晶體管基極預(yù)置的電壓，在晶體管放大器理論中稱為“偏置電壓”；也因?yàn)榫w管是電流控制器件，預(yù)置這個(gè)電壓的實(shí)際目的是為晶體管基極注入一個(gè)小電流，令晶體管進(jìn)入工作區(qū)域，所以這個(gè)注入的小電流也被稱為晶體管的“偏置電流”。圖5：下晶體管的輸出波形與輸入信號(hào)波形的疊加對(duì)比圖6：設(shè)置有“偏置電壓”的實(shí)際工作電路測(cè)試一下加入偏置電壓后，晶體管的工作區(qū)域發(fā)生了什么改變；圖7為上晶體管的輸出波形，從0V基線的位置可以看到，上晶體管已經(jīng)工作在一個(gè)完整的半周期范圍，它的截止區(qū)已經(jīng)逾越了這個(gè)

7、范圍，落在下晶體管的工作區(qū)域。圖7：上晶體管工作區(qū)域圖8為下晶體管的輸出波形，同樣可以看到，此時(shí)下晶體管也已經(jīng)工作在一個(gè)完整的半周期范圍，它的截止區(qū)也逾越了這個(gè)范圍，落在上晶體管的工作區(qū)域。圖8：下晶體管工作區(qū)域綜合測(cè)試我們調(diào)整圖6偏置電路中的R1，使基極電壓從0開始逐步增加，再看看原有的交越失真發(fā)生了什么變化。圖9：偏置電壓略為增加后，對(duì)比圖3中原來交越區(qū)域的不工作范圍變窄，交越失真得到改善。圖10：當(dāng)偏置電壓增加到令晶體管已經(jīng)完全進(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)的交