电子技术——B类输出阶
电子技术——B类输出阶
下图展示了一个B类输出阶的原理图,B类输出阶由两个互补的BJT组成,不同时导通。
原理
当输入电压 vI=0v_I = 0vI=0 的时候,两个晶体管都截止输出电压为零。当 vIv_IvI 上升至超过+0.5V的时候,此时 QNQ_NQN 导通,此时 QNQ_NQN 作为射极跟随器。 vO=vI−vBENv_O = v_I - v_{BEN}vO=vI−vBEN 跟随电压 vIv_IvI ,由 QNQ_NQN 提供负载电流。同时 QPQ_PQP 处于反向截止状态。
当 vIv_IvI 下升至超过-0.5V的时候,此时 QPQ_PQP 导通,此时 QPQ_PQP 作为射极跟随器。 vO=vI+vEBPv_O = v_I + v_{EBP}vO=vI+vEBP 跟随电压 vIv_IvI ,由 QPQ_PQP 提供负载电流。同时 QNQ_NQN 处于反向截止状态。
B类输出阶的偏置电流为零,并且晶体管只在信号输入的时候导通,该电路也称为 推挽电路 : QNQ_NQN 负责正向时向 RLR_LRL 推电流,而 QPQ_PQP 负责负向的时候拉电流。
传导特性
下图是B类输出阶的传递曲线:
图中在零点的附近存在一段两个晶体管同时截止的区域,此时输出电压为零。我们称这段区域为 死区 ,这个现象称为 交越失真 ,其输出波形如下:
尤其是小信号输出的时候,交越失真的现象就会特别明显,对于音频系统会产生杂音。
能量转换效率
为了计算能量转换效率,我们忽略交越失真,并且输出是一个峰值为 Vo^\hat{V_o}Vo^ 的正弦信号,则负载的平均功率为:
PL=12Vo^2RLP_L = \frac{1}{2}\frac{\hat{V_o}^2}{R_L} PL=21RLVo^2
两个电压源的输出电流都是峰值为 Vo^/πRL\hat{V_o} / \pi R_LVo^/πRL 的半波,因此两个电压源的输出功率为:
PS+=PS−=1πVo^RLVCCP_{S+} = P_{S-} = \frac{1}{\pi} \frac{\hat{V_o}}{R_L} V_{CC} PS+=PS−=π1RLVo^VCC
总电压源功率为:
PS=2πVo^RLVCCP_S = \frac{2}{\pi} \frac{\hat{V_o}}{R_L} V_{CC} PS=π2RLVo^VCC
则能量转换效率为:
η=(12Vo^2RL)/(2πVo^RLVCC)=π4Vo^VCC\eta = (\frac{1}{2} \frac{\hat{V_o}^2}{R_L}) / (\frac{2}{\pi}\frac{\hat{V_o}}{R_L}V_{CC}) = \frac{\pi}{4} \frac{\hat{V_o}}{V_{CC}} η=(21RLVo^2)/(π2RLVo^VCC)=4πVCCVo^
当 Vo^≃VCC\hat{V_o} \simeq V_{CC}Vo^≃VCC 的时候功率达到最大值为:
ηmax=π4=78.5%\eta_{max} = \frac{\pi}{4} = 78.5\% ηmax=4π=78.5%
这个值远高于A类输出阶的最大能量转换效率,并且此时负载达到最大功率:
PLmax=12VCC2RLP_{Lmax} = \frac{1}{2}\frac{V_{CC}^2}{R_L} PLmax=21RLVCC2
耗散功率
不像A类输出阶在静态点处耗散功率最大,B类输出阶在静态点处耗散功率为零,当输入信号的时候,平均耗散功率为:
PD=PS−PL=2πVo^RLVCC−12Vo^2RLP_D = P_S - P_L = \frac{2}{\pi} \frac{\hat{V_o}}{R_L} V_{CC} - \frac{1}{2}\frac{\hat{V_o}^2}{R_L} PD=PS−PL=π2RLVo^VCC−21RLVo^2
由于电路的对称性我们知道, QNQ_NQN 和 QPQ_PQP 均使用一半的耗散功率 12PD\frac{1}{2}P_D21PD 。因为 PDP_DPD 依赖于 Vo^\hat{V_o}Vo^ ,我们可以求得 PDP_DPD 的最大值,上式是一个二次函数,在:
Vo^∣PDmax=2πVCC\hat{V_o} |_{P_{Dmax}} = \frac{2}{\pi} V_{CC} Vo^∣PDmax=π2VCC
处达到最大值为:
PDmax=2VCC2π2RLP_{Dmax} = \frac{2V_{CC}^2}{\pi^2R_L} PDmax=π2RL2VCC2
能量转换效率为:
η=50%\eta = 50\% η=50%
下图描述了B类输出阶的耗散功率曲线:
这样的曲线通常在IC类放大器的datasheet中给出。我们发现当输出电压超过 2πVCC\frac{2}{\pi} V_{CC}π2VCC 的时候,随着输出电压的增大,耗散功率减小。但是带来的代价是增大了非线性失真,由于跟随器的单位增益,这个非线性失真无法用负反馈消除,因此对于THD较小的设备通常选择较小的输出电压。
减小交越失真
交越失真可以使用高增益的运算放大器加上负反馈减小,如图:
此时 ±0.7V\pm 0.7V±0.7V 的死区被缩短到 ±0.7V/A0\pm 0.7V / A_0±0.7V/A0 这个 A0A_0A0 是运放的开环增益。尽管如此,运算放大器存在大信号爬升率的影响,尤其是在高频信号下,会引入额外的信号失真。一个完美的解决方案是使用AB类输出阶。
单电源方案
B类输出阶也可以使用单电源方案,使用电容进行耦合:
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