三極管推挽電路

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


推挽放大電路
二、A類(lèi)放大器A類(lèi)配置是最常見(jiàn)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(kāi)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(lèi)放大器的效率很低，接近30%。即使沒(méi)有連接輸入信號(hào)，A 類(lèi)放大器的級(jí)也允許相同數(shù)量的負(fù)載電流流過(guò)它，因此輸出晶體管需要大散熱器。A類(lèi)放大器的電路圖如下：


A類(lèi)放大器
三、B類(lèi)放大器B類(lèi)放大器是實(shí)際的推挽放大器。B 類(lèi)放大器的效率高于 A 類(lèi)放大器，因?yàn)樗�由兩個(gè)晶體管 NPN 和 PNP 組成。B 類(lèi)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(lèi)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(chēng)為推挽放大器的原因。B類(lèi)放大器的電路圖如下：


B類(lèi)放大器
交叉失真
B 類(lèi)通常會(huì)受到稱(chēng)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(kāi)。因此，當(dāng)交流輸入電壓施加到推挽放大器時(shí)，它從 0 開(kāi)始增加，直到達(dá)到 0.7v，晶體管保持關(guān)斷狀態(tài)，我們沒(méi)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(chēng)為死區(qū)。為了克服這個(gè)問(wèn)題，二極管用于偏置，然后放大器被稱(chēng)為 AB 類(lèi)放大器。
四、AB類(lèi)放大器交叉失真缺陷可以通過(guò)使用兩個(gè)在晶體管位置導(dǎo)通的二極管來(lái)校正。修改后的電路現(xiàn)在稱(chēng)為 AB 類(lèi)放大器電路。
該AB類(lèi)放大器是利用A類(lèi)和B類(lèi)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(méi)有信號(hào)。這解決了交叉失真問(wèn)題。


AB類(lèi)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(kāi)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(lèi)似地，當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)時(shí)，Q1 關(guān)閉，Q2 開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(lèi)）是一個(gè)很好的選擇。主要優(yōu)點(diǎn)就是當(dāng)沒(méi)有信號(hào)存在時(shí)，輸出晶體管中沒(méi)有功耗。缺點(diǎn)就是信號(hào)子0V附近失真。下面來(lái)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(chēng)為互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)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(lái)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�！罢�弦波”輸出——輸出級(jí)是簡(jiǎn)單的射極跟隨器。打開(kāi)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(kāi)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(lái)確定輸出信號(hào)的總諧波失真 (THD)。通過(guò)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(méi)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(méi)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(lái)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(wèn)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(wú)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(kāi)始正向偏置 Q1，導(dǎo)致集電極電流流動(dòng)，即使沒(méi)有輸入信號(hào)也是如此。此時(shí)，晶體管已進(jìn)入 AB 類(lèi)偏置。只要您考慮到 Q1 中的額外功耗，這可能沒(méi)問(wèn)題。（偏置過(guò)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(guò) IRB1 = (VPOS - VB11) / RB1 計(jì)算通過(guò) 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(lái)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(méi)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(lài)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(wèn)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(guò)添加兩個(gè)反饋電阻來(lái)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(guò)度驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)