乙类互补对称功率放大电路优化

1.工作原理

由图8-1b可知，乙类功率放大电路静态时I_C=0，静态时管耗虽小，但出现了严重的波形失真。为了解决乙类放大电路输出波形严重失真的问题，可利用两只晶体管组成如图8-3a所示的乙类互补对称功率放大电路。图中晶体管VT₁（NPN管）和VT₂（PNP管）的参数完全相同，称为互补对称管，并采用对称的正负电源供电。两管构成的电路形式都为射极输出器，如图8-3b和8-3c所示，电路工作原理分析如下。

当输入信号u_i=0时，由于电路没有设置直流偏置电压，故两管的静态电流I_B、I_C、I_E均为零，两管都不导通，几乎没有静态功耗。当输入端加一正弦信号时，在信号的正半周，VT₂管发射结反偏而截止，VT₁管发射结正偏而导通，有电流i_C1流过负载R_L；而当信号处于负半周时，VT₁管截止，VT₂管发射结正偏而导通，则有电流i_C2流过负载R_L，如图8-4a所示。这样电路实现了在静态时两个晶体管没有电流流过，而在有信号时，VT₁管和VT₂管轮流导电，在负载R_L上得到一个完整的波形。由于这种不同类型的两只晶体管均组成射极输出器交替工作，组成推挽式电路，故该电路称为乙类互补对称推挽功率放大电路。

图8-3 乙类双电源互补对称功率放大电路

a）互补对称电路 b）NPN管组成的射极输出器 c）PNP管组成的射极输出器

2.参数计算

由于功率放大电路的输出电压和输出电流的变化幅度较大，处于大信号工作状态，放大管的非线性不可忽视。因此，在分析功率放大电路时不能采用微变等效电路法，而要采用图解法。

图8-4 乙类互补对称功率放大电路的图解分析

将VT₂管的特性倒置后与VT₁管的特性画在一起，让静态工作点重合，形成两管合成曲线，如图8-4b所示。交流负载线为一条通过静态工作点的斜率为-1/R_L的直线，I_om和U_om分别为输出电流和输出电压的幅值，（I_om）M和（U_om）M分别为输出电流和输出电压的最大幅值。可见，输出电流和输出电压的最大变化范围分别为2（I_om）M和2（U_om）M。

根据以上分析，可以求出乙类互补对称功率放大电路的输出功率P_o、管耗P_VT、直流电源供给的功率P_VCC和效率η。

（1）最大输出功率（P_o）M

输出功率P_o用输出交流电压的有效值和输出交流电流的有效值的乘积求得。设输出电压的幅值为U_om，则

当输入信号足够大时，则输出电压u_o的最大幅值（U_om）M=V_CC-U_CES，输出电流i_o的最大幅值，此时输出功率达到最大，即

在理想情况下，晶体管的饱和压降U_CES可忽略不计，此时的最大输出功率为

（2）管耗P_VT

由于VT₁和VT₂在信号的一个周期内各导电半周，且通过两管的电流和两管的电压u_CE在数值上分别相等，因此，两管的管耗相等。设u_o=U_omsinωt，则

由式（8-7）可知，管耗P_VT1是U_om的函数，为了求最大管耗，将上式对U_om求导

令，则有

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式（8-8）表明，当时，晶体管的管耗最大，将式（8-8）代入式（8-7），可得单管的最大管耗为

考虑到理想最大输出功率，则单管的最大管耗和理想最大输出功率有如下关系：

两管的总管耗为

（3）直流电源供给的功率P_VCC

当输入信号u_i=0时，P_VCC=0；当u_i≠0时，直流电源供给的功率包括负载得到的功率和两管消耗的总功率，由式（8-4）和式（8-11）可得

理想情况下，晶体管的饱和压降U_CES可忽略不计，输出电压幅值达到最大，即U_om=V_CC时，则电源供给的功率最大，为

（4）转换效率η

转换效率等于输出功率与直流电源供给的功率之比，即

式（8-14）表明，能量转换效率与输出电压大小有关，当输出电压幅值最大U_om=（U_om）M=V_CC-U_CES时，转换效率最大，即

理想情况下，晶体管的饱和压降U_CES可忽略不计，即（U_om）_M=V_CC，则最大效率为

根据以上分析，乙类互补对称功率放大电路中选择功放管的原则如下：

1）晶体管的集电极最大允许损耗功率P_CM＞0.2（P_o）_M′。

2）考虑到在VT₂导通时，-u_CE2≈0，此时u_CE1≈2V_CC，为保证晶体管不被反向电压击穿，应选用U_（BR）CEO＞2V_CC的晶体管。

3）晶体管的最大允许集电极电流应满足。

3.交越失真

实际上，乙类互补对称功率放大电路并不能使输出电压很好地反映输入电压的变化。因为晶体管存在阈值电压，只有在输入电压大于阈值电压时，晶体管才导通；而当输入电压小于阈值电压时，晶体管截止。所以，当输入电压u_i较小时，VT₁和VT₂管都截止，输出电流和输出电压均为零，出现一段死区，使输出波形产生失真，如图8-5所示。

由于这种失真发生在两晶体管交替导通的时刻，故称为交越失真。