晶体管推挽功率放大器的交越失真

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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