如果我們完全依照原理電路搭建一個(gè)推挽放大器,那么我們所得到的放大信號(hào)將是這樣的:
圖 2:輸出信號(hào)波形
圖 3:輸入信號(hào)波形與輸出信號(hào)波形作疊加對(duì)比
顯然,這不是我們期待得到的放大信號(hào),它并沒有一個(gè)完整的信號(hào)周期,產(chǎn)生了明顯的失真;
圖 3 中可以看到,當(dāng)上面那個(gè)
晶體管已經(jīng)脫離放大區(qū)域,停止工作,而下面那個(gè)晶體管卻尚未進(jìn)入工作狀態(tài);同樣,當(dāng)下面那個(gè)晶體管已經(jīng)脫離放大區(qū)域,停止工作,上面那個(gè)晶體管也是未有進(jìn)入工作狀態(tài);
這個(gè)失真發(fā)生在兩個(gè)晶體管所各自負(fù)責(zé)的半個(gè)周期之交接區(qū)域中,放大器理論把這種發(fā)生在信號(hào)上下半周交接區(qū)域產(chǎn)生的失真稱為“交越失真”。
交越失真的成因
要知道這個(gè)交越失真是怎樣產(chǎn)生的,首先要知道的是令晶體管工作所需的電壓條件;
大多數(shù)涉及晶體管電路原理的書籍中都會(huì)提到,在晶體管的 PN 結(jié)上,要加上一定的正向電壓才能使其進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài),半導(dǎo)體物理學(xué)把這個(gè)令晶體管進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)的電壓,稱為晶體管的“特征電壓”;不同材質(zhì)的晶體管其導(dǎo)通電壓并不相同,電路理論中,鍺材料晶體管的“特征電壓”被定為 0.2V,硅材料晶體管的“特征電壓”被定為 0.7V。
實(shí)際應(yīng)用中需要留意的是:即使材質(zhì)相同的晶體管,其導(dǎo)通電壓也會(huì)略有不同,并且,這個(gè)“特征電壓”也不是一個(gè)固定的值,而是在這個(gè)值附近的一個(gè)范圍。
我們?cè)賮砜纯丛黼娐分?,兩個(gè)晶體管到底是怎樣的一個(gè)工作情況
圖 4:上晶體管的輸出波形與輸入信號(hào)波形的疊加對(duì)比
圖 5:下晶體管的輸出波形與輸入信號(hào)波形的疊加對(duì)比
圖 4、圖 5 中兩個(gè)晶體管的輸出波形與輸入信號(hào)波形的疊加對(duì)比,都反映了同樣的問題:在信號(hào)的兩個(gè)半周,上下晶體管都沒有完整地工作在其負(fù)責(zé)放大的半周期內(nèi),只是在信號(hào)電壓超過其“特征電壓”時(shí)才開始工作,當(dāng)信號(hào)電壓低于其“特征電壓”,但尚未回到 0 的時(shí)候,就脫離了工作狀態(tài),這種偷工減料的行為致使工作交替過程期間的信號(hào)被丟失,這就是導(dǎo)致推挽放大器產(chǎn)生“交越失真”的成因。
消除交越失真的方法
面對(duì)所出現(xiàn)的問題,首先是要找出問題的成因,才能據(jù)此探求解決問題的辦法。
上面的測量中,我們找到了造成“交越失真”是因?yàn)榫w管的“特征電壓”在作怪,那么我們就可以這樣做:預(yù)先為晶體管基極設(shè)置一個(gè)導(dǎo)通電壓,令其在尚未有輸入信號(hào)的時(shí)候,已經(jīng)提前進(jìn)入工作區(qū)域,這樣,晶體管就可以在信號(hào)到來時(shí)馬上進(jìn)入工作狀態(tài),兩個(gè)晶體管的信號(hào)交接過程就會(huì)變得暢順,交越失真就可以消除。
這個(gè)為晶體管基極預(yù)置的電壓,在晶體管放大器理論中稱為“偏置電壓”;也因?yàn)榫w管是電流控制器件,預(yù)置這個(gè)電壓的實(shí)際目的是為晶體管基極注入一個(gè)小電流,令晶體管進(jìn)入工作區(qū)域,所以這個(gè)注入的小電路也被稱為晶體管的“偏置電流”。
圖 6:設(shè)置有“偏置電壓”的實(shí)際工作電路
測試一下加入偏置電壓后,晶體管的工作區(qū)域發(fā)生了什么改變;
圖 7 為上晶體管的輸出波形,從 0V 基線的位置可以看到,上晶體管已經(jīng)工作在一個(gè)完整的半周期范圍,它的截止區(qū)已經(jīng)逾越了這個(gè)范圍,落在下晶體管的工作區(qū)域。
圖 7:上晶體管工作區(qū)域
圖 8 為下晶體管的輸出波形,同樣可以看到,此時(shí)下晶體管也已經(jīng)工作在一個(gè)完整的半周期范圍,它的截止區(qū)也逾越了這個(gè)范圍,落在上晶體管的工作區(qū)域。
圖 8:下晶體管工作區(qū)域
綜合測試
我們調(diào)整圖 6 偏置電路中的 R1,使基極電壓從 0 開始逐步增加,再看看原有的交越失真發(fā)生了什么變化。
圖 9:偏置電壓略為增加后,對(duì)比圖 3 中原來交越區(qū)域的不工作范圍變窄,交越失真得到改善。
圖 10:當(dāng)偏置電壓增加到令晶體管已經(jīng)完全進(jìn)入工作狀態(tài),此時(shí)的交越失真也同時(shí)被消除。(圖 10 中有意把輸入、輸出兩個(gè)信號(hào)略作移位,以方便對(duì)比兩個(gè)波形)
以上測試過程,我們解決了晶體管推挽放大器的交越失真問題,兩個(gè)晶體管已經(jīng)可以分別工作在各自的半個(gè)周期范圍,負(fù)載得到了一個(gè)完整周期的不失真信號(hào);
放大器理論中,把擔(dān)負(fù)放大作用的器件(晶體管或電子管),在無輸入信號(hào)時(shí)處于不工作狀態(tài)的這種放大器,稱為“乙類(B 類)放大器”;把放大器件預(yù)先進(jìn)入工作狀態(tài),但其依然主要是承擔(dān)信號(hào)半個(gè)周期放大任務(wù)的這種放大器,稱為甲乙類(AB 類)放大器。
在音頻放大器中,為消除這種非線性失真,不使用乙類(B 類)放大器,只使用甲乙類(AB 類)放大器。
如果我們繼續(xù)增加偏置電壓,令晶體管產(chǎn)生更大的基極電流,則其截止區(qū)還會(huì)繼續(xù)向?qū)Ψ骄w管的工作區(qū)域延伸,直到最后完全覆蓋對(duì)方的整個(gè)工作區(qū)域,兩個(gè)晶體管都會(huì)工作在完整的信號(hào)周期范圍,此時(shí),放大器的屬性也隨之發(fā)生了改變,它脫離了甲乙類(AB 類)放大器,變成為純甲類(A 類)推挽放大器。