AB类放大器偏置的比较定义操作及频率摘要

模拟对话 2019-06-27 10490

描述

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，可产生更好的放大器设计

任何放大器的目的都是产生符合特性的输出输入信号的大小足以满足连接负载的需要。

我们已经看到放大器的功率输出是电压和电流的乘积，（P = V） * I）应用于负载，而电源输入是直流电压和电源电流的乘积。

虽然放大了A类放大器，（输出晶体管导通100）（％）时间可以很高，从直流电源到交流电源输出的转换效率通常很低，低于50％。然而，如果我们修改A类放大器电路以在B类模式下工作（其中每个晶体管仅导通50％的时间），则集电极电流在每个晶体管中流动仅为180 o 的周期。这里的优点是DC-AC转换效率高得多，约为75％，但这种B类配置会导致输出信号失真，这是不可接受的。

生产具有B类配置的高效输出的放大器以及A类配置的低失真是创建一个放大器电路，它是前两类的组合，产生一种称为类的新型放大器电路AB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，同时最大限度地减少了与它们相关的低效率和失真问题。

如上所述，类AB放大器是A类和B类的组合，对于小功率输出，放大器作为A类放大器工作，但对于更大的电流输出则改为B类放大器。通过预放大放大器输出级中的两个晶体管来实现该动作。然后，取决于电流输出量和预偏置，每个晶体管将在180 o 和360 o 之间导通。因此，放大器输出级作为AB类放大器工作。

首先让我们看看不同放大器工作类别的输出信号比较。

不同放大器类的比较

二极管

然后放大器类总是定义如下：

A类： - 放大器单输出晶体管导通输入波形周期的整个360 o 。

B类： - 放大器两个输出晶体管只导通输入波形的一半，即180 o 。

AB类： - 放大器两个输出晶体管导入输入的180 o 和360 o 之间波形。

A类放大器操作

二极管

对于A类放大器操作开关晶体管Q点位于输出ch的中心附近晶体管的特征负载线和线性区域内。这允许晶体管导通整个360 o ，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，以减少失真。然而，它的效率很低，因为要将晶体管偏置在负载线的中心，即使没有输入信号要放大，也必须始终有一个合适的直流静态电流流过开关晶体管。

B类放大器操作

二极管

对于B类放大器操作，两个互补开关晶体管与Q点（即其偏置点）一起使用每个晶体管位于其截止点。

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

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止状态时不会耗散或浪费功率，从而提高了B类放大器的整体效率然而，由于B类放大器偏置使得输出电流仅流过每个晶体管一半的输入周期，因此输出波形不是输入波形的精确复制品因为输出信号是失真的。这种失真发生在输入信号的每个过零点，产生通常称为交叉失真的情况，因为两个晶体管在它们之间切换“接通”。

通过定位偏置可以很容易地克服这种失真问题晶体管的点略高于截止点。通过将晶体管偏置到略高于其截止点但远低于A类放大器的中心Q点，我们可以创建一个AB类放大器电路。那么AB类放大器的基本目的是保持基本的B类配置，同时通过将每个开关晶体管偏置到略高于阈值来改善其线性度。

偏置A类AB放大器

那我们该怎么做呢通过将两个开关晶体管偏置为轻微导通，即使没有输入信号，AB类放大器也可以由标准的B类推挽级制成。这种小偏置装置确保两个晶体管在输入波形的很小一部分内同时导通超过输入周期的50％，但不到100％。

0.6至0.7V（通过使用合适的偏置，可以大大降低在B类放大器中产生交叉失真效应的一个正向二极管电压降。使用预设电压偏置，分压器网络或使用串联二极管布置，可以通过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

二极管

这里通过使用适当的固定偏置电压来实现晶体管的偏置。 > TR1 和 TR2 。然后有一个区域，两个晶体管都导通，流过 TR1 的小静态集电极电流与流过 TR2 并进入负载的小静态集电极电流相结合。

当输入信号变为正值时， TR1 基极电压增加，产生相似量的正输出，从而增加流过 TR1 的集电极电流向负载提供电流， R L 。然而，由于两个碱基之间的电压是固定且恒定的，所以 TR1 的传导的任何增加都将导致 TR2 的传导相等且相反的减少。半导体。

结果，晶体管 TR2 最终关闭，留下正向偏置晶体管， TR1 ，为负载提供所有电流增益。同样，对于输入电压的负半部分，发生相反的情况。也就是说，当输入信号变得更负时， TR2 导通负载电流而 TR1 关闭。

然后我们可以看到输入时电压， V IN 为零，两个晶体管由于其电压偏置而略微导通，但随着输入电压变得更正或负，两个晶体管中的一个传导更多要么下沉来获取负载电流。由于两个晶体管之间的切换几乎立即发生并且是平滑的，因此大大降低了影响B类配置的交叉失真。然而，当两个晶体管切换时，不正确的偏置会导致尖锐的交越失真尖峰。

使用固定的偏置电压可使每个晶体管导通超过输入周期的一半（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用。产生两个固定偏置电压以在晶体管截止附近设置稳定Q点的一种非常简单方便的方法是使用电阻分压网络。

AB类放大器电阻偏置

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二极管

当电流通过电阻时，电阻会产生电压降，如欧姆定律所定义。因此，通过在电源电压上串联两个或多个电阻，我们可以创建一个分压器网络，以我们选择的值产生一组固定电压。

基本电路类似于上述电压偏置电路，其中在输入波形的相反半周期期间， TR1 和 TR2 导通。也就是说，当 V IN 为正时， TR1 进行，当 V IN 为负， TR2 导通。

四个电阻 R1 至 R4 连接在电源电压上Vcc 提供所需的电阻偏置。选择两个电阻 R1 和 R4 ，将Q点设置为略高于截止值，并使用正确的 V BE 设置在0.6V左右，以便电阻网络上的电压降使 TR1 的基数达到约0.6V， TR2 的基数达到约-0.6V。

然后，偏置电阻 R2 和 R3 的总电压降约为1.2伏，刚好低于转向所需的值每个晶体管完全导通。通过将晶体管偏置在截止上方，静态集电极电流的值 I CQ 应该为零。此外，由于两个开关晶体管在电源上有效串联连接，因此每个晶体管的 V CEQ 电压降约为 Vcc的一半。

虽然AB类放大器的电阻偏置在理论上有效，但晶体管集电极电流对其基极偏置电压的变化非常敏感， V BE 。而且，两个互补晶体管的截止点可能不相同，因此在分压器网络内找到正确的电阻器组合可能是麻烦的。解决此问题的一种方法是使用可调电阻设置正确的Q点，如图所示。

可调节放大器偏置

二极管

可以使用可调电阻器或电位计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 进行偏置因此，它们的输出是平衡的，零静态电流流入负载。

通过电容 C1 和 C2 施加的输入信号叠加到偏置电压施加到两个晶体管的基极。请注意，应用于每个基极的信号具有与源自 V IN 相同的频率和幅度。

这种可调偏置布置的优点基本放大器电路不需要使用具有紧密匹配的电气特性的互补晶体管或分压器网络内的精确电阻比，因为可以调节电位器进行补偿。

电阻器是无源器件由于其额定功率将电能转换为热能，AB类放大器的电阻偏置（固定或可调）可能对温度变化非常敏感。偏置电阻器（或晶体管）的工作温度的任何微小变化都可能影响它们的值，从而产生每个晶体管的静态集电极电流的不希望的变化。克服这个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

二极管

虽然使用偏置电阻可能无法解决温度问题，但有一种方法可以补偿基极 - 发射极电压的任何温度相关变化，（ V BE ）如图所示，在放大器偏置装置中使用一对正常的正向偏置二极管。

一个小的恒定电流流过 R1-D1-的串联电路D2-R2 ，产生电压降，其在输入的任一侧对称。在没有施加输入信号电压的情况下，两个二极管之间的点为零伏。当电流流过链时，在二极管上存在大约 0.7V 的正向偏置电压降，其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使晶体管 TR1 的基极偏置至约0.7伏，晶体管的基极 TR2 至约-0.7伏。因此，两个硅二极管在两个基极之间提供大约1.4伏的恒定电压降，使它们在截止之上偏置。

随着电路温度的升高，二极管的温度也会升高，因为它们位于晶体管旁边。因此，二极管PN结上的电压降低了一些晶体管的基极电流，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非常接近，流入二极管的电流和晶体管中的电流将是相同的，形成所谓的电流镜。这种电流镜的效果补偿了温度的变化，产生了所需的AB类操作，从而消除了任何交叉失真。

实际上，二极管偏置在现代集成电路放大器中很容易实现，如二极管和开关晶体管制造在同一芯片上，例如流行的LM386音频功率放大器IC。这意味着它们在宽温度变化下具有相同的特性曲线，从而提供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应特定的放大器应用。放大器静态电流调整为零以最小化功耗，如B类操作，或调整为非常小的静态电流以最小化交叉失真，从而产生真正的AB类放大器操作。

在AB类偏置示例之上，输入信号通过使用电容器直接耦合到开关晶体管基极。但是我们可以通过增加一个简单的共发射极驱动级来改善AB类放大器的输出级，如图所示。

AB类放大器驱动级

二极管

晶体管 TR3 充当电流源，设置流经二极管所需的直流偏置电流。这将静态输出电压设置为 Vcc / 2 。当输入信号驱动 TR3 的基极时，它作为一个放大器级驱动 TR1 和 TR2 的基极，其正半周为输入周期驱动 TR1 而 TR2 关闭且输入周期的负半周驱动 TR2 而 TR1 关闭与以前一样。

与大多数电子电路一样，设计功率放大器输出级有许多不同的方法，因为可以对基本放大器输出电路进行许多变化和修改。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的输出功率（电流和电压）。这可以通过以两种基本工作模式（A类或B类）之一操作晶体管来实现。

以合理的效率水平操作放大器的一种方法是使用对称基于互补NPN和PNP晶体管的B类输出级。通过适当的正向偏置电平，可以减少由于两个晶体管在每个周期的短暂时间内被切断而导致的任何交叉失真，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简单的AB类功率放大器电路，如图所示，产生大约1瓦至16欧姆，频率响应约为20Hz至20kHz。

AB类放大器

二极管

AB类放大器摘要

我们在这里看到AB类放大器存在偏差因此输出电流流过输入波形的一个小周期但超过半个周期。 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，每个晶体管在输入波形的相反半周期内导通，然后在负载上进行组合。因此，通过允许两个开关晶体管在非常短的时间内同时传导电流，可以基本上平滑零交叉周期期间的输出波形，从而减少与B类放大器设计相关的交叉失真。然后导通角大于180 o 但远小于360 o 。

我们还看到，AB类放大器配置比A类放大器更有效，但效率略低于B类放大器，因为偏置晶体管所需的静态电流很小。然而，使用不正确的偏置会导致交叉失真尖峰，从而导致更糟糕的情况。

尽管如此，AB类放大器是最受欢迎的音频功率放大器设计之一，因为它们具有相当好的效率和高质量输出，因为它们具有低交叉失真和高线性度，类似于A类放大器设计。

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