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          還搞不懂推挽放大電路?看這一文,工作原理+電路圖講解

          作者: 時(shí)間:2024-08-16 來源:李工談元器件 收藏

          今天給大家分享的是:、工作原理、A類放大電路、B類放大電路、AB類放大電路、如何降低的交叉失真。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202408/462102.htm

          一、推挽放大電路

          推挽晶體管電路是一種電子電路,使用以特定方式連接的有源器件,可以在需要時(shí)交替提供電路并從連接的負(fù)載吸收電流,用于向負(fù)載提供大功率,也被稱為推挽放大器。

          推挽放大器由2個(gè)晶體管組成,其中一個(gè)是NPN型,另外一個(gè)PNP型。一個(gè)晶體管在正半周期推動(dòng)輸出,另一個(gè)在負(fù)半周期拉動(dòng)輸出,因此被稱為推挽放大器。

          推挽放大器電路的主要優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)沒有信號(hào)時(shí),輸出晶體管沒有功耗。推挽放大電路有多種類型,但通常將B類放大器視為推挽放大器。

          推挽放大電路

          二、A類放大器

          A類配置是最常見的功率放大器配置,僅由一個(gè)設(shè)置為始終保持導(dǎo)通狀態(tài)的開關(guān)晶體管組成,產(chǎn)生最小的失真和最大幅度的輸出信號(hào)。A類放大器的效率很低,接近30%。即使沒有連接輸入信號(hào),A 類放大器的級(jí)也允許相同數(shù)量的負(fù)載電流流過它,因此輸出晶體管需要大散熱器。A類放大器的電路圖如下:

          A類放大器

          三、B類放大器

          B類放大器是實(shí)際的推挽放大器。B 類放大器的效率高于 A 類放大器,因?yàn)樗蓛蓚€(gè)晶體管 NPN 和 PNP 組成。B 類放大器電路以這樣一種方式偏置,即每個(gè)晶體管將在輸入波形的一個(gè)半周期內(nèi)工作。因此,這類放大電路的導(dǎo)通角為180度。一個(gè)晶體管在正半周期推動(dòng)輸出,而另一個(gè)在負(fù)半周期拉動(dòng)輸出,這就是它被稱為推挽放大器的原因。B類放大器的電路圖如下:

          B類放大器

          交叉失真

          B 類通常會(huì)受到稱為交叉失真的影響,其中信號(hào)在 0V 時(shí)失真。我們知道,晶體管需要在其基極 - 發(fā)射極結(jié)處提供 0.7v 的電壓才能將其打開。因此,當(dāng)交流輸入電壓施加到推挽放大器時(shí),它從 0 開始增加,直到達(dá)到 0.7v,晶體管保持關(guān)斷狀態(tài),我們沒有得到任何輸出。PNP 晶體管在交流波的負(fù)半周也會(huì)發(fā)生同樣的事情,這被稱為死區(qū)。為了克服這個(gè)問題,二極管用于偏置,然后放大器被稱為 AB 類放大器。

          四、AB類放大器

          交叉失真缺陷可以通過使用兩個(gè)在晶體管位置導(dǎo)通的二極管來校正。修改后的電路現(xiàn)在稱為 AB 類放大器電路。

          該AB類放大器是利用A類和B類放大器電路的特性制成的電路。從 0V 到 0.7V,二極管偏置在導(dǎo)通狀態(tài),此時(shí)晶體管在基極沒有信號(hào)。這解決了交叉失真問題。

          AB類放大器

          五、推挽放大電路工作原理

          推挽放大電路

          推挽放大電路由兩個(gè)晶體管Q1和Q2組成,分別為NPN和PNP。當(dāng)輸入信號(hào)為正時(shí),Q1 開始導(dǎo)通并在輸出端產(chǎn)生正輸入的復(fù)制品。此時(shí)Q2仍處于關(guān)斷狀態(tài)。

          在這里,在這種情況下

          V輸出= V輸入– V BE1

          類似地,當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)時(shí),Q1 關(guān)閉,Q2 開始導(dǎo)通并在輸出端產(chǎn)生負(fù)輸入的復(fù)制品。

          在這種情況下:

          V OUT = V IN + V BE2

          現(xiàn)在,為什么當(dāng) VIN達(dá)到零時(shí)會(huì)發(fā)生交越失真?下面為推挽放大器電路的粗略特性圖和輸出波形。

          推挽放大器電路的粗略特性圖和輸出波形。

          晶體管 Q1 和 Q2 不能同時(shí)導(dǎo)通,要使 Q1 導(dǎo)通,我們要求 V IN必須大于 Vout,對(duì)于 Q2,Vin 必須小于 Vout。如果 V IN等于零,則 Vout 也必須等于零。

          現(xiàn)在,當(dāng) V IN從零開始增加時(shí),輸出電壓 Vout 將保持為零,直到 V IN小于 V BE1(約為 0.7v),其中 V BE是導(dǎo)通 NPN 晶體管 Q1 所需的電壓。因此,在 V IN小于 V BE或 0.7v期間,輸出電壓呈現(xiàn)死區(qū)。當(dāng) V IN從零開始下降時(shí)也會(huì)發(fā)生同樣的事情,PNP 晶體管 Q2 不會(huì)導(dǎo)通,直到 V IN大于 V BE2 (~0.7v),其中 V BE2是導(dǎo)通晶體管 Q2 所需的電壓。

          六、如何降低推挽晶體管電路的交叉失真

          不管是為揚(yáng)聲器還是伺服放大電路供電,推挽輸出級(jí)(B類)是一個(gè)很好的選擇。主要優(yōu)點(diǎn)就是當(dāng)沒有信號(hào)存在時(shí),輸出晶體管中沒有功耗。缺點(diǎn)就是信號(hào)子0V附近失真。下面來看看使用一些簡(jiǎn)單的技術(shù)可以降低多少失真。

          推挽輸出級(jí)

          該電路被稱為互補(bǔ)對(duì)稱推挽輸出級(jí)。

          • 有一個(gè) NPN 和一個(gè) PNP 設(shè)備。

          • NPN 和 PNP 電路看起來一樣。

          • 該級(jí)既可以提供電流也可以吸收電流。因?yàn)殡娐穼?shí)際上只是幾個(gè)射極跟隨器驅(qū)動(dòng)同一個(gè)負(fù)載,所以操作簡(jiǎn)單;Q1 進(jìn)行正擺動(dòng);Q2 進(jìn)行負(fù)擺動(dòng)。

          在仿真中,將 10 kHz 的 5V 峰值正弦波應(yīng)用于輸入。繪制輸入 V(1) 和輸出 V(2) 電壓。“正弦波”輸出——輸出級(jí)是簡(jiǎn)單的射極跟隨器。打開晶體管大約需要 0.7 V。這意味著在輸入達(dá)到 +0.7 V 之前,Q1 的發(fā)射極不會(huì)開始正向移動(dòng)。同樣,在輸入低于 -0.7 V 之前,Q2 的發(fā)射極不會(huì)向負(fù)移動(dòng)。實(shí)際上,+/-0.7 V 之間的任何輸入信號(hào)都有進(jìn)入“死區(qū)”,使輸出停留在 0V。另一個(gè)不良影響是輸出低于 5V 峰值約 0.7 V。

          1、失真程度怎么樣?

          仿真提供了一種方便的方法來確定輸出信號(hào)的總諧波失真 (THD)。通過包含命令四個(gè) 10KHZ V(2),使用 10kHz 作為基頻計(jì)算電壓 V(2) 的傅里葉級(jí)數(shù)。

          如果信號(hào)是沒有失真的純正弦波,則傅里葉級(jí)數(shù)將在基本 10kHz 處顯示一個(gè)大分量 V1,沒有任何分量,V2、V3、V4...,諧波頻率為 20kHz、30kHz、40kHz... .. 另一方面,失真波在諧波處顯示出重要的成分。THD 很容易計(jì)算為:

          總諧波失真

          2、二極管偏置

          這里需要一種方法來彌補(bǔ)射極跟隨器的 0.7 V 損失。這里就要想:哪個(gè)組件的導(dǎo)通電壓接近 VBE 壓降?答案是PN結(jié)二極管,下面顯示了兩個(gè)二極管清理死區(qū)的示意圖。

          兩個(gè)二極管清理死區(qū)

          這是解決失真問題的簡(jiǎn)單而有效的方法。二極管 D1 為輸入信號(hào)增加了大約 0.7 V,與 NPN 發(fā)射極跟隨器 Q11 的下降量大致相同,為 -0.7 V。最終效果是 VD1 和 VBE 相互抵消,保持(大約)輸入電平。二極管 D2 對(duì) Q12 的作用相同,只是極性相反。

          RB1 控制 D1 的電流,電流越大(RB1 越小)意味著二極管電壓越大,因此在無輸入信號(hào)時(shí) Vbe 越大。這種增加的偏差應(yīng)該會(huì)進(jìn)一步減少失真。但是,注意不要讓 RB1 太小。由此產(chǎn)生的更高的二極管電流和更高的二極管電壓開始正向偏置 Q1,導(dǎo)致集電極電流流動(dòng),即使沒有輸入信號(hào)也是如此。此時(shí),晶體管已進(jìn)入 AB 類偏置。只要您考慮到 Q1 中的額外功耗,這可能沒問題。(偏置過多的另一個(gè)危險(xiǎn)是晶體管在升溫時(shí)進(jìn)入熱失控狀態(tài)。)

          在另一個(gè)極端,降低 RB1 可能會(huì)限制最大輸出擺幅。RB1 有兩個(gè)功能:

          • 將基極電流輸送到 Q11

          • 將偏置電流輸送到 D1

          你可以通過 IRB1 = (VPOS - VB11) / RB1 計(jì)算通過 RB1 的電流,從這個(gè)公式你可以知道 IRB1 會(huì)隨著 VB11 的增加而變小。到達(dá)一個(gè)點(diǎn),IRB1 不足以同時(shí)為 D1 和 Q11 供電。隨著輸入增加,二極管 D1 最終關(guān)斷,使輸出在剩余的電壓峰值期間保持平坦。

          3、用 RB1 來嘗試進(jìn)一步降低 THD

          將 RB1 從 10k 降低到 1k 這樣的值,重新運(yùn)行模擬。THD 有沒有下降?另一方面,如果追求的是低功耗,則增加 RB1 以降低輸出級(jí)中的偏置電流。但是,在輸出在峰值附近變平之前,用不依賴于 VB11 的電流源替換 RB1,或者選擇具有更高 Beta 的晶體管。)

          4、反饋回路中的輸出級(jí)

          反饋可以幫助解決漂移和非線性電路等問題。這里對(duì)清理失真正弦波的任務(wù)進(jìn)行測(cè)試。

          下面是一個(gè)推挽級(jí),包含在一個(gè)簡(jiǎn)單的單位增益運(yùn)算放大器電路的反饋回路中。

          簡(jiǎn)單的單位增益運(yùn)算放大器電路的反饋回路

          這里移除了二極管偏壓,讓反饋環(huán)路對(duì)電路起到作用。

          這里運(yùn)行仿真并繪制帶有反饋的輸入V(21) 和輸出電壓 V(22)。查看運(yùn)算放大器的輸出 V,運(yùn)算放大器的輸出補(bǔ)償了射極跟隨器的 0.7 V 壓降。然后對(duì)輸出執(zhí)行傅里葉分析,THD 現(xiàn)在應(yīng)該被壓低到 0.1% 以下。


          總結(jié)

          如果要降低推挽放大電路的交叉失真,有以下方法:

          1、像前面的電路一樣添加二極管偏置

          2、通過添加兩個(gè)反饋電阻來為該級(jí)增加一些增益;一個(gè)從 RL3 到運(yùn)算放大器的負(fù)輸入,另一個(gè)從負(fù)輸入到地。增益與運(yùn)算放大器同相放大器的增益相同。只要確保降低輸入電壓,就不會(huì)過度驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)。




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