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，僅僅是輸入信號的激勵方式，以及輸出信號的合成方式不同，下述的基本原理依然適用。電子管推挽放大器也會產(chǎn)生相同性質的失真，故本文中關于失真機理的描述也適用于理解電子管放大器。本文僅單獨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（或兩組）晶體管來共同完成放大作用的放大器，電路中的兩個晶體管，分別負責放大信號的正半周和負半周，再由輸出變壓器把兩個半周的輸出信號合成為一個完整的輸出信號。

2、圖1為推挽放大器的原理電路，輸入信號由輸入變壓器分相后，分別饋送到兩個晶體管的基極，饋送給兩個晶體管基極的都是一個完整的信號，只是它們的相位是相反的，相差了180度；我們知道，結型為NPN的晶體管，只有當輸入信號電壓為正極性時，晶體管才會導通，輸入信號電壓為負極性時，晶體管處于截止狀態(tài)，所以在推挽電路兩個晶體管的集電極，我們只能分別得到半個周期的輸出信號；兩個晶體管把各自放大后的信號電壓加載到輸出變壓器，變壓器又把這兩個半周的信號電壓相繼饋送給同一個負載，于是負載上實際得到的，是一個完整的輸出信號電壓。圖1：原理電路及輸出信號的合成如果我們完全依照原理電路搭建一個推

3、挽放大器，那么我們所得到的放大信號將是這樣的：顯然，這不是我們期待得到的放大信號，這個輸出信號沒有一個完整的周期，產(chǎn)生了明顯的失真；從圖3中輸出信號的周期范圍可以看到，當上面那個晶體管已經(jīng)脫離放大區(qū)域，停止工作，而下面那個晶體管卻尚未進入工作狀態(tài)；同樣，當下面那個晶體管已經(jīng)脫離放大區(qū)域，停止工作，上面那個晶體管也是未有進入工作狀態(tài)；這個失真發(fā)生在兩個晶體管各自負責的半個周期之交接區(qū)域中，放大器理論把這種發(fā)生在信號上下半周交接區(qū)域所產(chǎn)生的失真稱為“交越失真”。圖2：輸出信號波形圖3：輸入信號波形與輸出信號波形作疊加對比交越失真的成因要知道這個交越失真是怎樣產(chǎn)生的，首先

4、要知道的是令晶體管工作所需的電壓條件；大多數(shù)涉及晶體管電路原理的書籍中都會提到，在晶體管的PN結上，要加上一定的正向電壓才能使其進入導通狀態(tài)，半導體物理學把這個令晶體管進入正向導通狀態(tài)的電壓，稱為晶體管的“特征電壓”；不同材質的晶體管其導通電壓并不相同，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。實際應用中需要留意的是：即使材質相同的晶體管，其導通電壓也會略有不同，并且，這個“特征電壓”也不是一個固定的值，而是在這個值附近的一個范圍。我們再來看看原理電路中，兩個晶體管到底工作在半周期中的哪個范圍圖4：上晶體管的輸出

5、波形與輸入信號波形的疊加對比圖4、圖5中兩個晶體管的輸出波形與輸入信號波形的疊加對比，都反映了同樣的問題：在信號的兩個半周，上下晶體管都沒有完整地工作在其負責放大的半周期內(nèi)，只是在信號電壓超過其“特征電壓”時才開始工作，當信號電壓低于其“特征電壓”，但尚未回到0的時候，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束，致使兩管在工作交替期間的信號被丟失，這就是導致推挽放大器產(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。上面的測量中，我們找到了造成“交越失真”是因為晶體管的“特征電壓”在作怪，那么我們

6、就可以這樣做：預先為晶體管基極設置一個導通電壓，令其在尚未有輸入信號的時候，已經(jīng)提前進入工作區(qū)域，這樣，晶體管就可以在信號到來時馬上進入工作狀態(tài)，兩個晶體管的信號交接過程就會變得暢順，交越失真就可以消除。這個為晶體管基極預置的電壓，在晶體管放大器理論中稱為“偏置電壓”；也因為晶體管是電流控制器件，預置這個電壓的實際目的是為晶體管基極注入一個小電流，令晶體管進入工作區(qū)域，所以這個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波形的疊加對比圖6：設置有“偏置電壓”的實際工作電路測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

7、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)工作在一個完整的半周期范圍，它的截止區(qū)已經(jīng)逾越了這個范圍，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，此時下晶體管也已經(jīng)工作在一個完整的半周期范圍，它的截止區(qū)也逾越了這個范圍，落在上晶體管的工作區(qū)域。圖8：下晶體管工作區(qū)域綜合測試我們調整圖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：當偏置電壓增加到令晶體管已經(jīng)完全進入工作狀態(tài)，此時的交