摘要：為解決功放電路交越失真的問題，本論文首先闡述了交越失真產生的原理，并對傳統常見的解決方法進行了討論，然后把負反饋原理應用在解決交越失真中。此法操作簡單，效果好，仿真和實驗結果驗證了該方法的可行性和正確性。
　　關鍵詞：交越失真；功率放大；負反饋
　　1引言
　　在多級放大電路中，輸出信號往往都是送到負載，去驅動如收音機中揚聲器的音圈、電動機控制繞組、計算機監視器或電視機的掃描偏轉線圈等一定的裝置。因此多級放大電路除了應有電壓放大級外，還要求有一個輸出一定信號功率的輸出級。這類主要用于向負載提供功率的放大電路常稱為功率放大電路。放大電路實質上都是能量裝換電路，從能量控制的角度來看，功率放大電路和電壓電流放大電路沒有本質的區別。
　　一般常見的功率放大電路有三類[1]：甲類、乙類及甲乙類（或稱為混合類）。輸入信號在整個周期內都有電流流過放大器件的稱為甲類放大，半個周期以上但不滿一個周期有電流流過的稱為甲乙類，若只有半個周期有電流流過的則稱為乙類放大。甲類放大電路中電源始終不斷地輸送功率，但只有一部分功率輸出，另一部分被消耗在管子上，可以證明，即使在最理想情況下甲類功放電路的效率最高也有50%。乙類和甲乙類放大電路只有部分時間有電流通過，減小了電路的靜態功耗，提高了功率輸出效率，但同時導致了輸出波形非線性失真。乙類互補對稱功率放大雖然彌補了乙類功放半個周期波形被削掉的不足，但由于交越失真使波形出現死區嚴重影響輸出波形的質量，因此必須采取措施來抑制。
　　論文主要分析互補對稱乙類功率放大電路交越失真產生的原因，討論常見的解決方法，最后把負反饋概念引入電路中來解決交越失真，此法與傳統方法相比，具有許多優越性，有很大的實際應用價值。
　　2交越失真產生原理
　　單管乙類功放電路僅在半個周期內有電流通過，盡管減小了管耗，有利于提高輸出效率，但使輸入信號的半個波形被削掉，存在嚴重的波形失真。如果用兩個管子，使之都工作在乙類放大狀態，但是一個在正半周期，而另一個工作在負半周期，同時使這兩個輸出波形都能加到負載上，從而使負載得到一個完整的波形，這樣就能解決效率與失真的矛盾。電路原理圖如圖1(a)。
　　電路中T1和T2分別為NPN和PNP型管，當信號處于正半周期時，T1承擔放大任務，T2截至，有電流通過負載RL；而當信號處于負半周期時，則剛好相反，T2承擔放大任務，T1截至，仍然有電流通過負載RL；這樣，圖一所示基本互補對稱電路實現了在靜態時管子不取電流，而在有信號時，T1和T2輪流導通。正負半周期的等效電路分別如圖1(b)和圖1(c)。
　　
　　圖1(a)乙類推挽式原理圖圖1(b)正半周期等效電路圖1(c)負半周期等效電路
　　由于三極管PN結的壓降，圖1(a)所示的互補對稱功放電路并不能使輸出波形很好地反映輸入的變化。由于沒有直流偏置，管子的基極電流必須在大于某一數值（即門坎電壓，NPN硅管約為0.6V，PNP鍺管約為0.2V）時才有顯著變化。當低于這個數值時，T1和T2都截至，和基本為零，負載RL上無電流流過,出現一段死區，這就是交越失真產生的基本原理。為了驗證交越失真的存在，利用simplorer軟件對該電路進行仿真，仿真電路和交越失真波形分別如圖2(a)、2(b)所示。
　　仿真參數設置為：電壓源E2、E3分別為±9V偏置電壓，E1為正弦信號，頻率50Hz,幅值1V；兩個三極管為對稱的不同類管子；電阻R2=R3=10K，負載電阻取100Ω。仿真波形如圖5(b)，從圖5(b)可以明顯看到交越失真的存在，在過零點附近都會由于三極管的PN結的影響，存在一段負載沒有電流流過放大器件的狀態，因此交越失真將影響輸出波形的質量。
　　
　　(a)仿真電路圖(b)仿真結果圖
　　圖2乙類互補對稱功放電路交越失真仿真圖
　　3傳統解決交越失真的方法
　　為了克服交越失真的影響，前人已經進行過系統的研究，但是都是立足于通過電路改進的方式來實現。常見的解決方法為：甲乙類雙電源互補對稱電路法和甲乙類單電源互補對稱電路。甲乙類互補對稱法電路原理如圖3所示。由圖可見，T3組成前置放大級，T1和T2組成互補輸出級。靜態時，在D1、D2上產生的壓降為T1、T1提供了一個適當的偏壓，使之處于微導通狀態。由于電路的對稱，靜態時，，。有信號時，由于電路工作在甲乙類，即使很小，基本上也可以進行線性放大。
　　圖3的缺點就是其偏置電壓不易調整，改進電路如圖4所示，在圖4中流入T4的基極電流遠小于流過R1、R2的電流，則由圖可以求出,因此，利用T4管的基本為一固定值，只要調整R1、R2的比值，就可以改變T1、T2的偏壓值，此法在集成電路中經常應用。
　　
　　圖3甲乙類雙電源互補電路圖4改進電路設計
　　甲乙類單電源互補對稱電路本質與上述方法一樣，只是用電容C和一個電源Vcc來代替原來的+Vcc和-Vcc的作用，電路原理圖見文獻[1]，但此法也存在負載電阻端得不到足夠的電壓變化量的問題。解決這一問題的方法是在電路中引入R，C等元件組成的所謂的自舉電路。電路的復雜度比雙電源法更高，并且調節度難以把握。
　　從上述的電路可以看出，傳統解決交越失真的方法復雜，電路調節度難以把握，不宜電路設計者實際調試實現。
　　4基于負反饋的解決方法與仿真驗證
　　在實際電路設計中，功放的輸入信號一般都是有運算放大器提供。基于負反饋原理來穩定輸出的電路只有兩種形式，區別就在于負載是否接地，下面以負載懸空類來研究，來說明負反饋解決交越失真的原理。對于負載接地類分析方法原理相同，可以類推。
　　負反饋工作原理可用圖5來說明，當前級運算放大器的輸出電壓低于三極管PN結電壓時，三極管不能導通，電路處于交越失真狀態。負反饋信號線采樣電壓為零，由于運算放大器工作于差動放大，負反饋線上的反饋信號則會使運算放大器自動調整放大系數，來增大輸出電壓，三極管立刻導通，保證輸出與輸入的線性關系；當電路正常工作時，若負載發生小的擾動，則反饋線會將擾動電壓反饋給運算放大器，由于采用的是負反饋，則放大器會自動朝相反的方向調整增益來抵消擾動的影響。因此負反饋還可以增加電路的穩定性，增強抗干擾能力。所以采用負反饋法不僅能夠解決交越失真問題，同時也能增加系統的穩定性，實現簡單，調節方便，抗干擾能力強，后面的仿真和實驗也將證明這一結論。
　　
　　圖5負反饋解決方案原理圖
　　為了驗證上述分析的正確性，采用simplorer軟件來仿真，仿真電路和仿真結果如圖6所示。仿真參數設置為：限流電阻R1=100Ω,電阻R2=R3=R6=12K,負載可以在200Ω以下變動取值，采樣電阻取10Ω；偏置電壓分別為；輸入電壓采用工頻50Hz的正弦信號，幅值取為0.326V。
　　根據仿真結果圖6(b)可以得到，通過負反饋法可以解決交越失真的影響，同時可以增加電路的穩定性，使負載電阻只要不大于200Ω，電路都能夠使輸出與輸入保持線性關系。
　　根據圖6(c)防真結果還可得，由于負反饋的作用，結點N002處的電壓波形已經不再是正弦波，而是在絕對值等于0.6V處發生跳變，保證了結點N002處電壓絕對值不會低于三極管PN結壓降，從而保證三極管時刻處于導通狀態，這也證明了上面負反饋原理分析的正確性。
　　
　　圖(a)仿真電路圖
　　
　　圖(b)負載波形圖圖(c)三極管基極電壓波形
　　圖6負反饋仿真電路和仿真結果圖
　　5實驗研究
　　為了進一步研究負反饋方法的正確性，在實驗室用運算放大器AD624和C9014、C9015三極管搭建了實驗電路，電路原理如圖7所示。其中Vi為信號輸入端；負反饋信號線直接與AD624的負反饋引腳10相連。引腳10是AD624內部差分輸出放大器負反饋輸出端，一般情況下與輸出端直接連接，Ri為調節運放增益電阻。
　　
　　圖7實驗電路原理圖
　　實驗時負載電阻接15K的電阻，采樣電阻RL用可調電阻，輸入信號采用：頻率1KHz、幅值為20MV的正弦波，實驗測量采用力科7000M示波器，測量結果如下圖8所示。
　　
　　圖8實驗測量結果
　　根據圖8實驗結果得到，負反饋法可以很好的解決交越失真問題，且方法簡單，對電路參數要求低，效果好，可以推廣到其它功率放大電路中。
　　6結論
　　論文把負反饋原理引進功率放大系統來解決交越失真問題，與傳統解決交越失真的方法相比，電路復雜度遠遠降低，調節簡單方便，同時還可以增加系統的穩定性。因此該方法具有較強的電路實用價值，在一般的功放電路設計中可以推廣使用。
　　參考文獻：
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