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(chǎn)生的原理，并對傳統(tǒng)常見的解決方法進(jìn)行了討論，然后把負(fù)反饋原理應(yīng)用在解決交越失真中。此法操作簡單，效果好，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性和正確性。
　　關(guān)鍵詞：交越失真；功率放大；負(fù)反饋
　　1引言
　　在多級放大電路中，輸出信號往往都是送到負(fù)載，去驅(qū)動如收音機(jī)中揚(yáng)聲器的音圈、電動機(jī)控制繞組、計算機(jī)監(jiān)視器或電視機(jī)的掃描偏轉(zhuǎn)線圈等一定的裝置。因此多級放大電路除了應(yīng)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(fù)載提供功率的放大電路常稱為功率放大電路。放大電路實(shí)質(zhì)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(zhì)的區(qū)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(nèi)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(tài)功耗，提高了功率輸出效率，但同時導(dǎo)致了輸出波形非線性失真。乙類互補(bǔ)對稱功率放大雖然彌補(bǔ)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(xiàn)死區(qū)嚴(yán)重影響輸出波形的質(zhì)量，因此必須采取措施來抑制。
　　論文主要分析互補(bǔ)對稱乙類功率放大電路交越失真產(chǎn)生的原因，討論常見的解決方法，最后把負(fù)反饋概念引入電路中來解決交越失真，此法與傳統(tǒng)方法相比，具有許多優(yōu)越性，有很大的實(shí)際應(yīng)用價值。
　　2交越失真產(chǎn)生原理
　　單管乙類功放電路僅在半個周期內(nèi)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(yán)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(tài)，但是一個在正半周期，而另一個工作在負(fù)半周期，同時使這兩個輸出波形都能加到負(fù)載上，從而使負(fù)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(dāng)信號處于正半周期時，T1承擔(dān)放大任務(wù)，T2截至，有電流通過負(fù)載RL；而當(dāng)信號處于負(fù)半周期時，則剛好相反，T2承擔(dān)放大任務(wù)，T1截至，仍然有電流通過負(fù)載RL；這樣，圖一所示基本互補(bǔ)對稱電路實(shí)現(xiàn)了在靜態(tài)時管子不取電流，而在有信號時，T1和T2輪流導(dǎo)通。正負(fù)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(fù)半周期等效電路
　　由于三極管PN結(jié)的壓降，圖1(a)所示的互補(bǔ)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(shù)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(dāng)?shù)陀谶@個數(shù)值時，T1和T2都截至，和基本為零，負(fù)載RL上無電流流過,出現(xiàn)一段死區(qū)，這就是交越失真產(chǎn)生的基本原理。為了驗(yàn)證交越失真的存在，利用simplorer軟件對該電路進(jìn)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(shù)設(shè)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(fù)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(diǎn)附近都會由于三極管的PN結(jié)的影響，存在一段負(fù)載沒有電流流過放大器件的狀態(tài)，因此交越失真將影響輸出波形的質(zhì)量。
　　
　　(a)仿真電路圖(b)仿真結(jié)果圖
　　圖2乙類互補(bǔ)對稱功放電路交越失真仿真圖
　　3傳統(tǒng)解決交越失真的方法
　　為了克服交越失真的影響，前人已經(jīng)進(jìn)行過系統(tǒng)的研究，但是都是立足于通過電路改進(jìn)的方式來實(shí)現(xiàn)。常見的解決方法為：甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路法和甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路。甲乙類互補(bǔ)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(bǔ)輸出級。靜態(tài)時，在D1、D2上產(chǎn)生的壓降為T1、T1提供了一個適當(dāng)?shù)钠珘海�使之處于微�?dǎo)通狀態(tài)。由于電路的對稱，靜態(tài)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(jìn)行線性放大。
　　圖3的缺點(diǎn)就是其偏置電壓不易調(diào)整，改進(jìn)電路如圖4所示，在圖4中流入T4的基極電流遠(yuǎn)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(diào)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(jīng)常應(yīng)用。
　　
　　圖3甲乙類雙電源互補(bǔ)電路圖4改進(jìn)電路設(shè)計
　　甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路本質(zhì)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(xiàn)[1]，但此法也存在負(fù)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(fù)雜度比雙電源法更高，并且調(diào)節(jié)度難以把握。
　　從上述的電路可以看出，傳統(tǒng)解決交越失真的方法復(fù)雜，電路調(diào)節(jié)度難以把握，不宜電路設(shè)計者實(shí)際調(diào)試實(shí)現(xiàn)。
　　4基于負(fù)反饋的解決方法與仿真驗(yàn)證
　　在實(shí)際電路設(shè)計中，功放的輸入信號一般都是有運(yùn)算放大器提供。基于負(fù)反饋原理來穩(wěn)定輸出的電路只有兩種形式，區(qū)別就在于負(fù)載是否接地，下面以負(fù)載懸空類來研究，來說明負(fù)反饋解決交越失真的原理。對于負(fù)載接地類分析方法原理相同，可以類推。
　　負(fù)反饋工作原理可用圖5來說明，當(dāng)前級運(yùn)算放大器的輸出電壓低于三極管PN結(jié)電壓時，三極管不能導(dǎo)通，電路處于交越失真狀態(tài)。負(fù)反饋信號線采樣電壓為零，由于運(yùn)算放大器工作于差動放大，負(fù)反饋線上的反饋信號則會使運(yùn)算放大器自動調(diào)整放大系數(shù)，來增大輸出電壓，三極管立刻導(dǎo)通，保證輸出與輸入的線性關(guān)系；當(dāng)電路正常工作時，若負(fù)載發(fā)生小的擾動，則反饋線會將擾動電壓反饋給運(yùn)算放大器，由于采用的是負(fù)反饋，則放大器會自動朝相反的方向調(diào)整增益來抵消擾動的影響。因此負(fù)反饋還可以增加電路的穩(wěn)定性，增強(qiáng)抗干擾能力。所以采用負(fù)反饋法不僅能夠解決交越失真問題，同時也能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)簡單，調(diào)節(jié)方便，抗干擾能力強(qiáng)，后面的仿真和實(shí)驗(yàn)也將證明這一結(jié)論。
　　
　　圖5負(fù)反饋解決方案原理圖
　　為了驗(yàn)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(jié)果如圖6所示。仿真參數(shù)設(shè)置為：限流電阻R1=100Ω,電阻R2=R3=R6=12K,負(fù)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(jù)仿真結(jié)果圖6(b)可以得到，通過負(fù)反饋法可以解決交越失真的影響，同時可以增加電路的穩(wěn)定性，使負(fù)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(guān)系。
　　根據(jù)圖6(c)防真結(jié)果還可得，由于負(fù)反饋的作用，結(jié)點(diǎn)N002處的電壓波形已經(jīng)不再是正弦波，而是在絕對值等于0.6V處發(fā)生跳變，保證了結(jié)點(diǎn)N002處電壓絕對值不會低于三極管PN結(jié)壓降，從而保證三極管時刻處于導(dǎo)通狀態(tài)，這也證明了上面負(fù)反饋原理分析的正確性。
　　
　　圖(a)仿真電路圖
　　
　　圖(b)負(fù)載波形圖圖(c)三極管基極電壓波形
　　圖6負(fù)反饋仿真電路和仿真結(jié)果圖
　　5實(shí)驗(yàn)研究
　　為了進(jìn)一步研究負(fù)反饋方法的正確性，在實(shí)驗(yàn)室用運(yùn)算放大器AD624和C9014、C9015三極管搭建了實(shí)驗(yàn)電路，電路原理如圖7所示。其中Vi為信號輸入端；負(fù)反饋信號線直接與AD624的負(fù)反饋引腳10相連。引腳10是AD624內(nèi)部差分輸出放大器負(fù)反饋輸出端，一般情況下與輸出端直接連接，Ri為調(diào)節(jié)運(yùn)放增益電阻。
　　
　　圖7實(shí)驗(yàn)電路原理圖
　　實(shí)驗(yàn)時負(fù)載電阻接15K的電阻，采樣電阻RL用可調(diào)電阻，輸入信號采用：頻率1KHz、幅值為20MV的正弦波，實(shí)驗(yàn)測量采用力科7000M示波器，測量結(jié)果如下圖8所示。
　　
　　圖8實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果
　　根據(jù)圖8實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到，負(fù)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(shù)要求低，效果好，可以推廣到其它功率放大電路中。
　　6結(jié)論
　　論文把負(fù)反饋原理引進(jìn)功率放大系統(tǒng)來解決交越失真問題，與傳統(tǒng)解決交越失真的方法相比，電路復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)降低，調(diào)節(jié)簡單方便，同時還可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此該方法具有較強(qiáng)的電路實(shí)用價值，在一般的功放電路設(shè)計中可以推廣使用。
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1]康華光,陳大欽主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第二版）[M].北京：高等教育出版社，1999.
　　[2]何金茂主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)[M].第2版.北京：高等教育出版社，1991，11~14.
　　[3]郁汗琪，施偉編.模擬電子電路實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用[M].南京：東南大學(xué)出版社，1995，35~38.
　　[4]高淑芳主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安：陜西師大出版社，1997.