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B類和AB類推挽式放大器

發布時間:2011/12/17 9:22:41 訪問次數:6884

     如果放大器偏壓在截止區,使得在輸入信號周期的前180工作于線性區,后180工作于截止區,則這種放大器屬于B類放大器。AB類放大器的偏壓則讓導通角稍大于180。B類或AB類放大器都比A類放大器更有效率,這是他們的優點;也就是說,如果輸入相同的功率,可以由B類或AB類放大器取得較大的輸出功率。但足B類或AB類放大器的電路,若要將輸入信號線性放大,會比較困難。我們也將會學習到,為了盡量在輸出端取得與輸入信號波形相同的信號,推挽( push-pull)式電路是B類或AB類放大器常用的形式。
    在學完本節后,我們應該能夠:解釋與分析B類或AB類放大器的工作原理;解釋B類放大器的工作原理;參與討論B類放大器Q點的位置;描述B類推挽式放大器的工作原理;解釋交越失真及其原因;解釋AB類放大器的工作原理;分析AB類推挽式放大器;計算最大輸出功率;計算直流輸入功率;計算B類放大器最大效率;計算輸入阻抗;分析達林頓推挽式放大器;參與討論推挽式放大器的驅動方法。
   1.B類放大器工作原理
    圖9.6顯示的是在時間軸上,B類( class B)放大器輸出與輸入波形的比較。
    B類放大器偏壓在截止點,所以ICQ=0且VcsQ=VCE(cutoff)。當輸入信號使晶體管進入導通狀態時,晶體管將離開截止點而工作在線性區。這種情況可以用圖9.7的發射極跟隨器線路加以說明,我們可以看到,輸出波形與輸入波形并不相同。

       
   2.B類推挽式放大工作原理
    我們已經看到,圖9.7電路只在輸入信號正半周導通。若要在整個周期都執行放大功能,必須加上一個在負半周導通的B類放大器。兩個一起工作的B類放大器組合,稱為推挽式( push-pull)操作。
    有兩種方式可運用推挽式放大器在輸出端產生整個波形。第一種方式使用變壓器耦合。第二種方式使用互補對稱武晶體管( complementary symmetry transistors);也就是一對互相配對的NPNlPNP BJT,或是一對互相搭配使用的N溝道或P溝道FET。
    (1)變壓器耦合    變壓器耦合( transformer coupling)電路顯示在圖9.8。輸入變壓器的次級線圈具有中間抽頭,此抽頭連接到接地端,因而造成次級線圈兩端互為反相。因此變壓器將輸入信號轉換成兩個相位相反的信號,再分別提供給兩個晶體管。請注意,兩個晶體管都屬于NPN型。因為信號相位相反,Qi將會在正半周導通,Q2將會在負半周導通。雖然兩個晶體管總是有一個處于截止狀態,再次利用有中間抽頭的初級線圈,輸出變壓器可以將兩個晶體管的輸出信號組合在一起。正電源電壓連接到輸出變壓器初級線圈的中間抽頭位置。

                    
    (2)互補對稱式晶體管
    圖9.9顯示B類推挽式放大器最常見的形式,其中使用兩個發射極跟隨器,以及具有正電壓與負電壓的兩個電源供應。因為一個發射極跟隨器使用NPN晶體管,另一個使用PNP晶體管,兩個在各自輸入周期的相反半周內導通,所以是互補式放大器。請注意,兩個晶體管的基極都沒有加上直流偏置電壓,即VB =0。所以都是直接利用信號電壓來驅動晶體管進入導通狀態。在輸入信號的正半周內,Q1導通;在輸入信號的負半周內,Q2導通。

        
    (3)交越失真
    當基極直流電壓為零時,兩個晶體管都截止,輸入信號電壓必須超過VBE,才會使晶體管導通。因為這樣,輸入信號在正半周與負半周的交替過程中,會有一段時間沒有一個晶體管是導通的,如圖9. 10所示。因為這樣而造成的輸出波形失真稱為交越失真(crossover distortion)。

                  
    3.AB類推挽式放大器的偏壓方式
    要克服交越失真,可以將基極的直流偏壓調整到剛好能夠克服晶體管的V BE,這種修正過的工作模式稱為AB類(class AB)。在AB類操作中,即使沒有輸入信號出現,放大器的推挽這一級也是施加偏壓成稍微導通的狀態。這可以利用分壓器以及二極管的配置來完成,如圖9. 11所示。如果D,與Dz的二極管特性能夠與晶體管基極一發射極結特性緊密配合,二極管中的電流與晶體管中的電流會相等;這神情況稱為電流鏡像( cur-rent mirror)。電流鏡像可以產生所需要的AB類操作,因此消除交越失真。

                           
    在偏壓電路中,R1和R2電阻值相等,可以提供正負電源電壓。這樣可以強迫兩個二極管間的A點電壓為零,所以就沒必要加上輸入耦合電容器。輸出端的直流電壓也是ov。假設兩個晶體管與兩個二極管都相同,D1電壓降等于Q2的VBE,D2電壓降等于Q2的VBE。既然它們的特性相配合,二極管電流將與IcQ相同。二極管電流IcQ與可以在R1或R2上,運用歐姆定律求得
                               ICQ=Vcc-0.7V/R1
    AB類放大器工作所需的這個微小電流能夠消除交越失真,但是如果晶體管與二極管電壓降沒有匹配適當,或是如果二極管與晶體管沒有達到熱平衡,這個電流就會有熱不穩定性的潛在可能。功率晶體管產生的熱量會降低基極一發射極間的電壓,并使電流增加。如果二極管也上升相同溫度,電流就能移穩定;但是如果二極管的溫度比晶體管低,IcQ就會增加得更多。這種情況下熱量將不斷地產生,稱為熱跑脫(thermal runa-way)。為防止這種情況發生,二極管必須和晶體管保持相同的環境溫度。在某些情況,每個晶體管的發射極端加上小電阻可以減緩熱跑脫的現象。
    交越失真也會發生在變壓器耦合放大器中,例如圖9.8的電路,要消除這種情況,可在輸入變壓器的次級端加上0. 7V的偏壓,就可剛好令兩個晶體管導通。利用電源供應器和一個二極管就能產生所需的偏壓,如圖9. 12所示。

                   
    考慮圖9.11AB類放大器的Q1交流負載線。Q點稍微在截止點上方。(而在真正的B類放大器,Q點則在截止點上)。對雙電源電路而言,IcQ如前面計算式所示,交流截止電壓則是Vcc。雙電源推挽式放大器的交流飽和電流為
                               Ic(sat)=Vcc/RL    (9.5)
    NPN晶體管的交流負載線,如圖9.13所示。交流負載線則是通過VCEQ與直流飽和電流IC(sat)這兩點的直線。不過,直流飽和電流是兩個晶體管的集電極對發射極都短路時的電流。而此時兩個電源供應器之間也會短路,這將使電源供應器產生最大電流,所以意味著直流負載線會垂直通過截止點,如下圖所示。沿著直流負載線的操作可以產生相當高的電流,比如由熱跑脫引起的情況,可能會燒壞晶體管。

                     
    圖9.14(b) AB類放大器的Q1交流負載線顯示在圖9.14(a)中。圖中顯示,信號在交流負載線的粗線段區域內變化。在交流負載線的上端,晶體管電壓Vce最小,而輸出電壓最大。

              
    在最大值的情況下,晶體管Q.和Q2會彼此交替從截止點附近驅動到飽和點附近。輸入信號的正半周內,Q1發射極從Q點的o值變化到接近Vcc值,產生比Vcc小一點的正峰值電壓。同樣地,在輸入信號的負半周,Q2發射極從Q點的0值變化到接近-V cc值,產生約等于-Vcc的負峰值電壓。雖然在飽和電流附近工作是可能的,但是在這種區域工作會產生更多的信號矢真。式(9.5)的交流飽和電流也是輸出電流的峰值。每個晶體管基本上可以在整個負載線區域工作。記得在A類放大器中,晶體管也是可以在整個負載線區域工作,但是這與上述情況有明顯不同。在A類操作中,Q點靠近中點,即使沒有信號輸入,仍然有可觀的電流通過晶體管。在B類操作中,沒有信號輸入時,只有非常少的電流通過晶體管,TCS1CM6AO所以消耗功率非常低。因此B類放大器的效率比A類放大器高很多。稍后會說明B類放大器的最大效率理論值是79%。
  


 


 


 

     如果放大器偏壓在截止區,使得在輸入信號周期的前180工作于線性區,后180工作于截止區,則這種放大器屬于B類放大器。AB類放大器的偏壓則讓導通角稍大于180。B類或AB類放大器都比A類放大器更有效率,這是他們的優點;也就是說,如果輸入相同的功率,可以由B類或AB類放大器取得較大的輸出功率。但足B類或AB類放大器的電路,若要將輸入信號線性放大,會比較困難。我們也將會學習到,為了盡量在輸出端取得與輸入信號波形相同的信號,推挽( push-pull)式電路是B類或AB類放大器常用的形式。
    在學完本節后,我們應該能夠:解釋與分析B類或AB類放大器的工作原理;解釋B類放大器的工作原理;參與討論B類放大器Q點的位置;描述B類推挽式放大器的工作原理;解釋交越失真及其原因;解釋AB類放大器的工作原理;分析AB類推挽式放大器;計算最大輸出功率;計算直流輸入功率;計算B類放大器最大效率;計算輸入阻抗;分析達林頓推挽式放大器;參與討論推挽式放大器的驅動方法。
   1.B類放大器工作原理
    圖9.6顯示的是在時間軸上,B類( class B)放大器輸出與輸入波形的比較。
    B類放大器偏壓在截止點,所以ICQ=0且VcsQ=VCE(cutoff)。當輸入信號使晶體管進入導通狀態時,晶體管將離開截止點而工作在線性區。這種情況可以用圖9.7的發射極跟隨器線路加以說明,我們可以看到,輸出波形與輸入波形并不相同。

       
   2.B類推挽式放大工作原理
    我們已經看到,圖9.7電路只在輸入信號正半周導通。若要在整個周期都執行放大功能,必須加上一個在負半周導通的B類放大器。兩個一起工作的B類放大器組合,稱為推挽式( push-pull)操作。
    有兩種方式可運用推挽式放大器在輸出端產生整個波形。第一種方式使用變壓器耦合。第二種方式使用互補對稱武晶體管( complementary symmetry transistors);也就是一對互相配對的NPNlPNP BJT,或是一對互相搭配使用的N溝道或P溝道FET。
    (1)變壓器耦合    變壓器耦合( transformer coupling)電路顯示在圖9.8。輸入變壓器的次級線圈具有中間抽頭,此抽頭連接到接地端,因而造成次級線圈兩端互為反相。因此變壓器將輸入信號轉換成兩個相位相反的信號,再分別提供給兩個晶體管。請注意,兩個晶體管都屬于NPN型。因為信號相位相反,Qi將會在正半周導通,Q2將會在負半周導通。雖然兩個晶體管總是有一個處于截止狀態,再次利用有中間抽頭的初級線圈,輸出變壓器可以將兩個晶體管的輸出信號組合在一起。正電源電壓連接到輸出變壓器初級線圈的中間抽頭位置。

                    
    (2)互補對稱式晶體管
    圖9.9顯示B類推挽式放大器最常見的形式,其中使用兩個發射極跟隨器,以及具有正電壓與負電壓的兩個電源供應。因為一個發射極跟隨器使用NPN晶體管,另一個使用PNP晶體管,兩個在各自輸入周期的相反半周內導通,所以是互補式放大器。請注意,兩個晶體管的基極都沒有加上直流偏置電壓,即VB =0。所以都是直接利用信號電壓來驅動晶體管進入導通狀態。在輸入信號的正半周內,Q1導通;在輸入信號的負半周內,Q2導通。

        
    (3)交越失真
    當基極直流電壓為零時,兩個晶體管都截止,輸入信號電壓必須超過VBE,才會使晶體管導通。因為這樣,輸入信號在正半周與負半周的交替過程中,會有一段時間沒有一個晶體管是導通的,如圖9. 10所示。因為這樣而造成的輸出波形失真稱為交越失真(crossover distortion)。

                  
    3.AB類推挽式放大器的偏壓方式
    要克服交越失真,可以將基極的直流偏壓調整到剛好能夠克服晶體管的V BE,這種修正過的工作模式稱為AB類(class AB)。在AB類操作中,即使沒有輸入信號出現,放大器的推挽這一級也是施加偏壓成稍微導通的狀態。這可以利用分壓器以及二極管的配置來完成,如圖9. 11所示。如果D,與Dz的二極管特性能夠與晶體管基極一發射極結特性緊密配合,二極管中的電流與晶體管中的電流會相等;這神情況稱為電流鏡像( cur-rent mirror)。電流鏡像可以產生所需要的AB類操作,因此消除交越失真。

                           
    在偏壓電路中,R1和R2電阻值相等,可以提供正負電源電壓。這樣可以強迫兩個二極管間的A點電壓為零,所以就沒必要加上輸入耦合電容器。輸出端的直流電壓也是ov。假設兩個晶體管與兩個二極管都相同,D1電壓降等于Q2的VBE,D2電壓降等于Q2的VBE。既然它們的特性相配合,二極管電流將與IcQ相同。二極管電流IcQ與可以在R1或R2上,運用歐姆定律求得
                               ICQ=Vcc-0.7V/R1
    AB類放大器工作所需的這個微小電流能夠消除交越失真,但是如果晶體管與二極管電壓降沒有匹配適當,或是如果二極管與晶體管沒有達到熱平衡,這個電流就會有熱不穩定性的潛在可能。功率晶體管產生的熱量會降低基極一發射極間的電壓,并使電流增加。如果二極管也上升相同溫度,電流就能移穩定;但是如果二極管的溫度比晶體管低,IcQ就會增加得更多。這種情況下熱量將不斷地產生,稱為熱跑脫(thermal runa-way)。為防止這種情況發生,二極管必須和晶體管保持相同的環境溫度。在某些情況,每個晶體管的發射極端加上小電阻可以減緩熱跑脫的現象。
    交越失真也會發生在變壓器耦合放大器中,例如圖9.8的電路,要消除這種情況,可在輸入變壓器的次級端加上0. 7V的偏壓,就可剛好令兩個晶體管導通。利用電源供應器和一個二極管就能產生所需的偏壓,如圖9. 12所示。

                   
    考慮圖9.11AB類放大器的Q1交流負載線。Q點稍微在截止點上方。(而在真正的B類放大器,Q點則在截止點上)。對雙電源電路而言,IcQ如前面計算式所示,交流截止電壓則是Vcc。雙電源推挽式放大器的交流飽和電流為
                               Ic(sat)=Vcc/RL    (9.5)
    NPN晶體管的交流負載線,如圖9.13所示。交流負載線則是通過VCEQ與直流飽和電流IC(sat)這兩點的直線。不過,直流飽和電流是兩個晶體管的集電極對發射極都短路時的電流。而此時兩個電源供應器之間也會短路,這將使電源供應器產生最大電流,所以意味著直流負載線會垂直通過截止點,如下圖所示。沿著直流負載線的操作可以產生相當高的電流,比如由熱跑脫引起的情況,可能會燒壞晶體管。

                     
    圖9.14(b) AB類放大器的Q1交流負載線顯示在圖9.14(a)中。圖中顯示,信號在交流負載線的粗線段區域內變化。在交流負載線的上端,晶體管電壓Vce最小,而輸出電壓最大。

              
    在最大值的情況下,晶體管Q.和Q2會彼此交替從截止點附近驅動到飽和點附近。輸入信號的正半周內,Q1發射極從Q點的o值變化到接近Vcc值,產生比Vcc小一點的正峰值電壓。同樣地,在輸入信號的負半周,Q2發射極從Q點的0值變化到接近-V cc值,產生約等于-Vcc的負峰值電壓。雖然在飽和電流附近工作是可能的,但是在這種區域工作會產生更多的信號矢真。式(9.5)的交流飽和電流也是輸出電流的峰值。每個晶體管基本上可以在整個負載線區域工作。記得在A類放大器中,晶體管也是可以在整個負載線區域工作,但是這與上述情況有明顯不同。在A類操作中,Q點靠近中點,即使沒有信號輸入,仍然有可觀的電流通過晶體管。在B類操作中,沒有信號輸入時,只有非常少的電流通過晶體管,TCS1CM6AO所以消耗功率非常低。因此B類放大器的效率比A類放大器高很多。稍后會說明B類放大器的最大效率理論值是79%。
  


 


 


 

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