推挽放大器使用了两个"互补"或匹配的晶体管,一个是NPN型,另一个是PNP型,这两个功率晶体管同时接收大小相等但相位相反的相同输入信号。这导致一个晶体管仅放大输入波形周期的一半或180°,而另一个晶体管放大输入波形周期的另一半或其余180°,结果在输出端再次将这两部分合并在一起。
因此,这种放大器电路的导通角度仅为输入信号的180°或50%。晶体管对交替半周期的推和拉效应使得这种类型的电路具有有趣的"推挽"名称,但更常被称为B类放大器。
上述介绍了标准的B类放大器电路,其中使用了平衡中心引线输入变压器,将输入波形信号划分为相等的两部分,并且它们彼此相位相反,相差180°。另一个中心引线变压器用于重新组合这两个信号,以向负载提供增加的功率。用于这种类型的变压器推挽放大器电路的晶体管都是NPN晶体管,并且它们的发射极端子连接在一起。
在这种情况下,负载电流在两个功率晶体管器件之间共享,因为它在一个器件中减小而在另一个器件中增大,在整个信号周期中减小,从而将输出电压和电流减小到零。结果是输出波形的两部分现在从零摆动到静态电流的两倍,从而降低了功耗。这种效果几乎使得放大器的效率翻倍,达到约70%的水平。
假设不存在输入信号时,每个晶体管将承载正常的静态集电极电流,该电流由基极截止点处的偏置确定。当变压器准确地中心抽头时,两个集电极电流将沿着相反的方向流动(在理想状态下),并且变压器铁心不会磁化,从而降低了变形的可能性。
当在驱动变压器T1的次级上存在输入信号时,如图所示,晶体管的基极输入彼此"反相"。因此,如果TR1的基极被正向驱动,则其集电极电流将增加,同时TR2的基极电流将进一步变为负值,直至截止,导致该晶体管的集电极电流减少相同的量。因此,一个晶体管放大负半个周期,另一个晶体管放大正半个周期,产生推挽效应。
与直流条件不同,这些交流电流是相加的,使得两个输出半周期组合在一起,重新形成输出变压器初级绕组中的正弦波,并且该正弦波出现在负载两端。
B类放大器的操作具有零直流偏置,因为晶体管在截止时被偏置,因此每个晶体管仅在输入信号大于基极-发射极电压时才导通。因此,在零输入时,输出为零,并且没有功耗。这意味着B类放大器的实际工作点位于负载线的Vce部分。
B类放大器相较于A类放大器有一个重要的优点,在没有输入信号时不会有电流流过晶体管,因此没有功率在输出晶体管或变压器时消耗。相反,A类放大器在静态状态下需要很大的基极偏置,并且即使没有输入信号也会散发大量热量。
因此,B类放大器的整体转换效率(η)高于等效的A类放大器,可以达到70%左右的高效率,这导致几乎所有现代推挽放大器都以B类模式工作。
除了使用平衡的中心抽头变压器构建的B类放大器电路外,还有一种名为互补对称B类放大器的类型,它不使用变压器,而是使用互补或匹配的功率晶体管对。由于不需要变压器,这种放大器电路更加紧凑,同时没有杂散磁效应或变压器失真来影响输出信号的质量。下面是一个示例,展示了无变压器B类放大器电路的工作原理。
B类无变压器输出级
在上述B类放大器电路中,每一半周期波形都使用了互补的晶体管。尽管B类推挽放大器的增益比A类放大器高得多,但其主要缺点之一是容易受到噪声的干扰,通常被称为交叉失真效应。
我们可能还记得有关晶体管的教程,双极性晶体管需要约0.7伏特(从基极到发射极的测量值)才能开始导通。在纯粹的B类放大器中,输出晶体管没有被预先偏置到"ON"的工作状态。
这意味着当两个晶体管之间进行切换时,它们不会停止或开始导通,导致低于0.7伏特范围内的输出波形部分无法准确重现,即使晶体管是特别匹配的对。
每个半周期的波形输出晶体管都有一个0.7伏的区域,在该区域中它们不导通。结果就是两个晶体管完全同时处于"关闭"状态。
为了消除B类放大器中的交叉失真,可以在电路中添加两个小电压源,以将两个晶体管偏置在略高于其截止点的位置。然而,在实际设计中,添加额外的电压源是不切实际的。因此,可以使用硅二极管的PN结提供额外的偏置。
AB类放大器
我们知道,为了使硅双极晶体管导通,需要基极-发射极电压大于0.7伏特。因此,可以用两个连接到晶体管基极的分压器偏置电阻所替代的硅二极管。这样,施加在晶体管上的偏置电压将等于这些二极管的正向电压降。通常将这两个二极管称为偏置二极管或补偿二极管,并选择它们以匹配晶体管的特性。以下电路显示了二极管偏置。
在AB类放大器电路中,是A类和B类配置的折衷方案。即使在没有输入信号的情况下,这些小的二极管偏置电压也会使两个晶体管都导通。输入信号波形将使晶体管在其有源区正常工作,从而消除纯B类放大器设计中存在的交叉失真。
当没有输入信号时,虽然会流过一个很小的集电极电流,但比A类放大器配置中的电流要小得多。这意味着晶体管将在波形的多于半个周期但远少于一个完整周期的时间内导通,具体取决于输入信号中使用的其他偏差量,即180°至360°或50%至100%。
通过添加额外的二极管串联,可以以倍数增加施加在晶体管基极上的二极管偏置电压。
对于高功率应用(例如音频功率放大器和PA系统),B类放大器比A类设计更受欢迎。与A类放大器电路一样,使用达林顿晶体管对取代单个晶体管也可以显著提高B类推挽放大器的电流增益(Ai)。