除A、B外的第三类AB放大器

标签:放大器
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       AB类放大器输出级结合了A类放大器和B类放大器的优点,从而产生了更好的放大器设计。任何放大器的目的都是产生一个遵循输入信号特性的输出,但又足够大,足以满足与其相连的负载的需求。我们已经看到,放大器的功率输出是施加到负载的电压和电流的乘积(P = V * I),而功率输入是直流电压和从电源获取的电流的乘积。

 

       尽管A类放大器(输出晶体管100%的时间导通)的放大率可能很高,但是从DC电源到AC电源输出的转换效率通常不足50%。但是,如果我们将A类放大器电路修改为以B类模式工作(每个晶体管仅导通50%的时间),则集电极电流仅在周期的180 o内流入每个晶体管。此处的优点是DC到AC转换效率要高得多,大约为75%,但是这种B类配置会导致输出信号失真,这是不可接受的。

 

       产生具有B类配置的高效率输出和A类配置的低失真的放大器的一种方法是创建一种放大器电路,该电路是前两种类型的组合,从而产生了一种新型放大器电路,称为一个AB类放大器。然后,AB类放大器输出级结合了A类放大器和B类放大器的优点,同时将与它们相关的低效率和失真问题最小化。

 

       如前所述,AB类放大器是A类和B类的组合,因为对于小功率输出,该放大器用作A类放大器,但对于大电流输出,则变为B类放大器。通过对放大器输出级中的两个晶体管进行预偏置可以实现此操作。然后,每个晶体管将180之间传导ö和360 ö取决于电流输出和预偏置的量的时间。因此,放大器输出级用作AB类放大器。

 

       首先,让我们看一下不同放大器类别的输出信号的比较。

 

       不同放大器类别的比较

 

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       然后,放大器类始终定义如下:

 

       A类:  –放大器的单个输出晶体管在输入波形的整个360 o周期内导通。

       B类:  –放大器的两个输出晶体管仅导通一半,即输入波形的180 o。

       AB类:  –放大器的两个输出晶体管在输入波形的180 o至360 o之间导通。

       

       A类放大器操作

 

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       对于A类放大器操作,开关晶体管Q点位于晶体管输出特性负载线的中心附近,并且在线性区域内。这允许晶体管在整个360 o内导通,因此输出信号在输入信号的整个周期内变化。

 

       A类的主要优点是输出信号将始终是输入信号的精确再现,从而减少失真。但是,它效率低下,因为要使晶体管偏置在负载线的中心,即使没有输入信号要放大,也必须始终有合适的直流静态电流流过开关晶体管。

 

       B类放大器操作

 

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       对于B类放大器操作,使用两个互补的开关晶体管,每个晶体管的Q点(即其偏置点)位于其截止点。

 

       这允许一个晶体管在输入波形的一半上放大信号,而另一晶体管放大另一半。然后将这两个放大的一半在负载处组合在一起,以产生一个完整的波形周期。此NPN-PNP互补对也称为推挽配置。

 

       由于截止偏置,当没有输入信号时,静态电流为零,因此,当晶体管处于静态状态时,不会耗散功率或浪费功率,相对于A类,提高了B类放大器的整体效率。

 

       但是,由于对B类放大器施加了偏置,使得输出电流仅在输入周期的一半时间内流经每个晶体管,因此输出波形不是输入波形的精确复制品,因为输出信号会失真。这种失真发生在输入信号的每个零交叉点处,由于两个晶体管在它们之间切换为“ ON”,从而产生通常称为交叉失真的现象。

 

       通过将晶体管的偏置点定位在截止点之上,可以轻松解决此失真问题。通过将晶体管偏置在略高于其截止点但远低于A类放大器的中心Q点的位置,我们可以创建AB类放大器电路。那么,AB类放大器的基本目的是保留基本的B类配置,同时通过将每个开关晶体管偏置到略高于阈值的水平来改善其线性度。

 

       偏置AB类放大器

 

       那么我们该怎么做。即使没有输入信号,也可以通过将两个开关晶体管偏置为轻微导通,从而由标准的B类推挽级构成AB类放大器。这种小的偏置设置可确保两个晶体管在输入波形的一小部分期间同时导通超过输入周期的50%,但不到100%。

 

       通过使用适当的偏置,可以大大降低B类放大器中产生交叉失真效应的0.6至0.7V(一个正向二极管电压降)死区。可以使用预设的电压偏置,分压器网络或使用串联的二极管装置,以多种不同方式实现晶体管器件的预偏置。

 

       AB类放大器电压偏置

 

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       这里,通过使用适当的固定偏置电压施加在TR1和TR2的基极上来实现晶体管的偏置。然后是一个区域,两个晶体管均处于导通状态,流过TR1的静态小集电极电流与流过TR2并流入负载的小静态集电极电流相结合。

 

       当输入信号变正,在基极的电压TR1增大产生类似量从而增加流过集电极电流的正输出TR1注入电流到负载,- [R 大号。但是,由于两个基极之间的电压是固定且恒定的,因此,在正半周期间,TR1导通的任何增加都会导致TR2的导通相等且相反的下降。

 

       结果,晶体管TR2最终截止,留下正向偏置的晶体管TR1,以将所有电流增益提供给负载。同样,对于输入电压的负一半,情况相反。也就是说,TR2导通下沉负载电流而TR1截止作为输入信号变得更负。

 

       然后我们可以看到,当输入电压V IN为零时,两个晶体管都因其偏置电压而略微导通,但是当输入电压变得正或负时,两个晶体管中的一个导通的电流会更多,从而导致负载的下沉当前。由于两个晶体管之间的切换几乎立即发生并且是平稳的,因此大大降低了影响B类配置的交叉失真。但是,当两个晶体管切换时,不正确的偏置会导致尖锐的交叉失真尖峰。

 

       使用固定的偏置电压可使每个晶体管导通输入周期的一半以上(AB类操作)。但是,在放大器输出级设计中增加额外的电池并不是很实际。一种产生两个固定偏置电压以在晶体管截止点附近设置稳定Q点的非常简单易行的方法是使用电阻分压器网络。

 

       AB类放大器电阻偏置

 

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       当电流流经电阻器时,电阻器上会形成欧姆定律所定义的压降。因此,通过在电源电压上串联两个或多个电阻器,我们可以创建一个分压器网络,该分压器网络以我们选择的值产生一组固定电压。

 

       基本电路与上述电压偏置电路相似,因为晶体管TR1和TR2在输入波形的相对半周期内导通。也就是说,当V IN为正时,TR1导通;当V IN为负时,TR2导通。

 

       四个电阻R1至R4连接在电源电压Vcc两端,以提供所需的电阻偏置。选择两个电阻R1和R4来将Q点设置为略高于截止点,并且将V BE的正确值设置为约0.6V,这样电阻网络上的电压降会将TR1的基极降至约0.6 V,TR2的电压约为–0.6V。

 

       然后,偏置电阻R2和R3两端的总压降约为1.2伏特,刚好​​低于使每个晶体管完全导通所需的值。通过将晶体管偏置到截止点以上,静态集电极电流I CQ的值应为零。同样,由于两个开关晶体管均有效地串联在电源两端,因此每个晶体管上的V CEQ电压降约为Vcc的一半。

 

       虽然理论上可以使用AB类放大器的电阻偏置,但晶体管的集电极电流对其基极偏置电压V BE的变化非常敏感。同样,两个互补晶体管的截止点可能不相同,因此在分压器网络中找到正确的电阻器组合可能很麻烦。解决该问题的一种方法是使用可调电阻器来设置正确的Q点,如图所示。

 

       可调放大器偏置

 

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       可调电阻或电位计可用于将两个晶体管偏置到导通的边缘。然后,晶体管TR1和TR2通过R B1 -VR1-R B2偏置,以使它们的输出平衡,并且静态电流为零。

 

       通过电容器C1和C2施加的输入信号被叠加到偏置电压上,并施加到两个晶体管的基极。注意,施加到每个基极的两个信号都具有与它们源自V IN相同的频率和幅度。

 

       这种可调偏置装置的优势在于,基本放大器电路不需要使用具有紧密匹配的电气特性或分压器网络内电阻值精确匹配的互补晶体管,因为可以调节电位计进行补偿。

 

       由于电阻器是无源器件,由于其额定功率而将电能转化为热量,因此AB类放大器的电阻偏置(固定的或可调的)对温度变化非常敏感。偏置电阻器(或晶体管)的工作温度的任何细微变化都可能影响其值,从而在每个晶体管的静态集电极电流中产生不希望的变化。解决该温度相关问题的一种方法是用二极管代替电阻器以使用二极管偏置。

 

       AB类放大器二极管偏置

 

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       虽然使用偏置电阻器可能无法解决温度问题,但补偿基极-发射极电压(V BE)中任何与温度相关的变化的一种方法是在放大器偏置装置内使用一对正常的正向偏置二极管,如图所示。

 

       较小的恒定电流流经R1-D1-D2-R2的串联电路,产生电压降,该电压降在输入的两侧对称。在未施加输入信号电压的情况下,两个二极管之间的点为零伏。当电流流过链条时,二极管两端会产生大约0.7V的正向偏置电压降,该电压会施加到开关晶体管的基极-发射极结。

 

       因此,二极管两端的电压降会将晶体管TR1的基极偏置到约0.7伏,将晶体管TR2的基极偏置到约–0.7伏。因此,两个硅二极管在两个基极之间提供约1.4伏的恒定压降,使它们在截止电压以上偏置。

 

       随着电路温度的升高,二极管的温度也随之升高,因为它们位于晶体管旁边。二极管的PN结两端的电压因此减小,从而使一些晶体管的基极电流转向,从而稳定了晶体管的集电极电流。

 

       如果二极管的电气特性与晶体管基极-发射极结的电气特性紧密匹配,则二极管中流动的电流与晶体管中的电流将相同,从而形成所谓的电流镜。该电流镜的作用可以补偿温度变化,从而产生所需的AB类操作,从而消除任何交叉失真。

 

       实际上,在二极管放大器和开关晶体管都制造在同一芯片上时,例如在流行的LM386音频功率放大器IC中,二极管偏置在现代集成电路放大器中很容易实现。这意味着它们在很宽的温度变化下都具有相同的特性曲线,从而提供了静态电流的热稳定性。

 

       通常调整AB类放大器输出级的偏置以适合特定的放大器应用。将放大器的静态电流调整为零以最大程度地降低功耗(如B类操作),或者将其静态电流调整为很小,以使交叉失真最小化,从而产生真正的AB类放大器操作。

 

       在上述AB类偏置示例中,输入信号通过使用电容器直接耦合到开关晶体管的基极。但是,如图所示,我们可以通过添加一个简单的共发射极驱动器级来进一步改善AB类放大器的输出级。

 

       AB类放大器驱动器级

 

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       晶体管TR3用作电流源,该电流源设置流过二极管的所需的DC偏置电流。这将静态输出电压设置为Vcc / 2。随着输入信号驱动的基TR3,它作为一个放大级驱动的碱基TR1和TR2与输入周期驱动的正半TR1而TR2截止,而输入周期驱动的负半TR2而TR1是关闭,和以前一样。

 

       与大多数电子电路一样,由于可以对基本放大器输出电路进行许多更改和修改,因此有许多不同的方法可以设计功率放大器输出级。功率放大器的工作是以合理的效率向连接的负载提供可观水平的输出功率(电流和电压)。这可以通过以A类或B类两种基本操作模式之一操作晶体管来实现。

 

       一种以合理效率运行放大器的方法是使用基于互补NPN和PNP晶体管的对称B类输出级。由于在每个周期的短时间内两个晶体管都被截止,因此在适当水平的正向偏置下,它有可能减少任何交叉失真,并且如上所述,这种电路被称为AB类放大器。

 

       然后将它们放在一起,我们现在可以设计一个如图所示的简单AB类功率放大器电路,在16欧姆中产生约1瓦的功率,频率响应约为20Hz至20kHz。

 

       AB类放大器

 

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       AB类放大器摘要

 

       我们在这里已经看到,AB类放大器经过偏置,因此输出电流流过的输入波形小于一个完整周期,但大于一个半周期。AB类放大器的实现与标准B类配置非常相似,因为它使用两个开关晶体管作为互补输出级的一部分,每个晶体管在负载组合之前在输入波形的相反半周导通。

 

       因此,通过允许两个开关晶体管在很短的时间内同时导通电流,可以大大平滑零交叉周期内的输出波形,从而减少与B类放大器设计相关的交叉失真。则导通角大于180 o但远小于360 o。

 

       我们还看到,AB类放大器配置比A类放大器效率更高,但效率却略低于B类放大器,这是因为将晶体管偏置在截止点以上所需的静态电流很小。但是,使用不正确的偏置会导致交叉失真尖峰,从而产生更糟的情况。

 

       话虽如此,AB类放大器由于具有较低的分频失真和高线性度(类似于A类放大器设计),因此具有相当不错的效率和高质量输出,因此是最受欢迎的音频功率放大器设计之一。

 

 

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分相器分析

分相器电路从单个输入信号中产生两个幅度相等但相位相反的输出信号。分相器是另一种类型的双极结型晶体管(BJT)配置,其中,单个正弦输入信号被分为两个相互之间相差180电角度的独立输出。晶体管分相器的输入信号利用从集电极端子取得的一个输出信号和从发射极端子取得的第二输出信号施加到基极端子。因此,晶体管分相器是一个双输出放大器,从其集电极和发射极端子产生相位差为180 o的互补输出。

共基放大器

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共集放大器

共集电极放大器在其发射极负载两端产生与输入信号同相的输出电压。在公共集电极放大器是另一种类型的双极结型晶体管,的(BJT)配置,其中输入信号被施加到基极端,并从发射终端所采取的输出信号。因此,集电极端子对于输入和输出电路都是公共的。这种类型的配置称为“公共收集器”(CC),因为收集器端子通过电源有效地“接地”或“接地”。

除A、B外的第三类AB放大器

AB类放大器输出级结合了A类放大器和B类放大器的优点,从而产生了更好的放大器设计。任何放大器的目的都是产生一个遵循输入信号特性的输出,但又足够大,足以满足与其相连的负载的需求。我们已经看到,放大器的功率输出是施加到负载的电压和电流的乘积(P = V * I),而功率输入是直流电压和从电源获取的电流的乘积。

使用增强型MOSFET的MOSFET放大电路

MOSFET放大器使用以共源配置连接的金属氧化物硅晶体管。在我们以前的有关FET放大器的文章中,我们看到可以使用结型场效应晶体管或JFET制作简单的单级放大器。但是还有其他类型的场效应晶体管可用于构建和放大,在本文中,我们将研究MOSFET放大器。