B类放大器

B类放大器使用两个或更多的晶体管，其偏置方式使每个晶体管只在输入波形的半个周期内导通。

 

为了通过减少以热量形式浪费的功率来提高A类放大器的全功率效率，可以在输出级设计两个晶体管的功率放大器电路。这就是通常所说的B类放大器，也被称为推挽式放大器。

推挽放大器使用两个“互补”或者匹配的晶体管，一个是NPN型，另一个是PNP型，两个功率晶体管一起接收相同的输入信号，其幅度相等，但彼此的相位相反。这导致一个晶体管只放大输入波形周期的一半或180°，而另一个晶体管则放大输入波形周期的另一半或剩余的180°，产生的 "两半"在输出端再次组合在一起。

这种类型的放大电路的导通角只有180°或50%的输入信号。这种由晶体管交替半周期产生的推拉效应使这种类型的电路被称为 "推挽"，但更多的是被称为B类放大器，如下图所示。

 

上面的电路显示了一个标准的B类放大器电路，它使用了一个平衡的中心抽头输入变压器，将输入的波形信号分成两个相等的两半，并且彼此相位相差180°。在输出端使用另一个中心抽头变压器，将两个信号重新组合，为负载提供更大的功率。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，其发射端连接在一起。

此时，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少，在另一个器件中增加，在整个信号周期中将输出电压和电流减少到零。其结果是，输出波形的两半现在从零波动到两倍的静态电流，从而减少了耗散。这使放大器的效率几乎翻了一番，达到70%左右。

假设没有输入信号，那么每个晶体管都携带正常的静态集电极电流，其值由处于截止点的基极偏压决定。如果变压器是准确的中心抽头，那么两个集电极电流将以相反的方向流动（理想状态），而且变压器芯不会有磁化现象，从而将失真的可能性降到最低。

当一个输入信号出现在驱动变压器T1的次级上时，如图所示，晶体管的基极输入是相互 "反相 "的，因此，如果TR1的基极为正，驱动晶体管进入重度导通，其集电极电流将增加，但与此同时，TR2的基极电流将为负，进一步进入截止状态，该晶体管的集电极电流将以同等数量减少，反之亦然。因此，一个晶体管放大了负的一半，另一个晶体管放大了正的一半，产生了推挽效应。

与直流条件不同的是，这些交流电是加法的，导致两个输出半周期被结合起来，在输出变压器初级绕组中重新形成正弦波，然后出现在负载上。

B类放大器的工作具有零直流偏压，因为晶体管在截止时有偏压，所以每个晶体管只有在输入信号大于基极-发射极电压时才会导通。因此，在零输入时，输出为零，没有功率被消耗。这就意味着B类放大器的实际Q点是在负载线的Vce部分，如下图所示。

 

B类放大器与A类放大器相比有一个很大的优势，那就是当晶体管处于静态状态（即没有输入信号）时，没有电流流过晶体管，因此在没有信号的情况下，输出晶体管或变压器中没有功率耗散，不像A类放大器阶段需要大量的基极偏置，从而耗散大量的热量--即使没有输入信号存在。

因此，放大器的整体转换效率（η）大于同等的A类，效率可能高达70%，导致几乎所有现代类型的推挽式放大器都以这种B类模式运行。

无变压器推挽式放大器

上述B类放大器电路的主要缺点之一是，它在设计中使用了平衡的中心抽头变压器，使得它的建造成本很高。然而，还有另一种类型的B类放大器，称为互补对称B类放大器，在设计中不使用变压器，因此，它是无变压器的，而是使用互补或匹配的一对功率晶体管。

由于不需要变压器，这使得在相同的输出量下，放大器电路要小得多，也没有杂散磁效应或变压器失真来影响输出信号的质量。如下是一个 "无变压器 "B类放大电路的例子。

 

如上的B类放大器电路在波形的每一半都使用互补的晶体管，虽然B类放大器的增益比A类类型高得多，但B类推挽式放大器的主要缺点之一是它们通常受到分频失真的影响。

晶体管需要大约0.7伏的电压（从基极到发射极测量）才能使双极晶体管开始导电。在纯B类放大器中，输出晶体管没有 "预偏置 "到 "ON "的工作状态。

这意味着输出波形中低于这个0.7伏窗口的部分将不能准确地再现，因为两个晶体管之间的过渡（当它们从一个晶体管切换到另一个晶体管时），晶体管不会在零交叉点准确地停止或开始导电，即使它们是特别匹配的一对。

波形的每一半（正和负）的输出晶体管都会有一个0.7伏的区域，它们不导电。其结果是，两个晶体管在完全相同的时间被 "关闭"。

消除B类放大器交叉失真的一个简单方法是在电路中加入两个小的电压源，将两个晶体管偏置在略高于其截止点的位置。这样，我们就可以得到通常所说的AB类放大器电路。然而，在放大器电路中增加额外的电压源是不切实际的，因此PN结被用来以硅二极管的形式提供额外的偏压。

AB类放大器

我们知道，我们需要基极-发射极电压大于0.7v，硅双极晶体管才能开始导通，因此，如果我们用两个硅二极管取代连接到晶体管基极的两个分压器偏置电阻。现在应用于晶体管的偏置电压将等于这些二极管的正向电压降。这两个二极管一般被称为偏置二极管或补偿二极管，并被选择来匹配匹配晶体管的特性。下面的电路显示了二极管的偏置。

 

AB类放大电路是A类和B类配置之间的一个折中。这种非常小的二极管偏置电压使两个晶体管即使在没有输入信号的情况下也会轻微导通。输入信号的波形将导致晶体管在其有效区域正常工作，从而消除了纯B类放大器设计中存在的任何交叉失真。

当没有输入信号时，会有一个小的集电极电流流动，但它比A类放大器配置的电流小得多。这意味着，晶体管将在波形的一半以上的周期内 "导通"，但远低于整个周期，其导通角在180°至360°之间，或50%至100%的输入信号，这取决于所使用的额外偏压量。存在于晶体管基极的二极管偏置电压的量可以通过串联增加额外的二极管而以倍数增加。

在音频功率放大器和扩音系统等高功率应用中，B类放大器大大优于A类设计。与A类放大器电路一样，大大提高B类推挽式放大器电流增益（Ai）的一种方法是在其输出电路中使用达林顿晶体管对而不是单晶体管。

放大器的交越失真

 

失真是在放大器的输出端对输入信号的不精确再现。由于它们的两级设计，推挽式放大器在其零分频点附近的输出波形会出现交越失真。我们已经看到，A类放大器配置的主要缺点之一是，由于在其中心Q点附近有偏置，因此其全功率效率等级较低。

但我们也知道，只需将放大器的输出级改为B类推挽式配置，我们就可以改进放大器，使其效率几乎翻倍。然而，从效率的角度来看，这是很好的，但大多数现代B类放大器是无变压器或互补型，其输出级有两个晶体管。

这导致了推挽式放大器的一个主要的基本问题，即由于其独特的零点截止偏置安排，两个晶体管在输出的两半波形中没有完全结合在一起。由于这个问题的发生，当信号在零电压点从一个晶体管到另一个晶体管发生变化或 "交叉 "时，会对输出波形产生一定的 "失真"。这导致了一种通常被称为交叉失真的状况。

交叉失真在输出波形上产生一个零电压 "平点 "或 "死区"，因为它从波形的一半跨越到另一半。其原因是，当晶体管从一个切换到另一个时，过渡期并没有完全停止或开始于零交叉点，从而导致第一个晶体管 "OFF "和第二个晶体管 "ON "之间的小延迟。这个延迟导致两个晶体管在同一时刻被 "关闭"，产生如下图所示的输出波型。

 

为了使输出波形不失真，我们必须假设每个晶体管在其基极到发射极电压刚刚超过零时开始导通，但我们知道这不是真的，因为对于硅双极晶体管来说，由于基极-发射极pn结的正向二极管压降，在晶体管开始导通之前，基极-发射极电压必须至少达到0.7v，从而产生这个平点。这种交叉失真效应也降低了输出波形的整体峰-峰值，导致最大输出功率降低，如下图所示。

 

这种影响对于大的输入信号来说不太明显，因为输入电压通常相当大，但对于较小的输入信号来说，它可能更严重，导致放大器的音频失真。

减少交叉失真的预偏压

通过输入变压器的中心抽头对两个晶体管的基极施加一个轻微的正向基极偏置电压，可以大大减少交叉失真问题，因此晶体管不再偏置在零截止点，而是在这个新偏置电压决定的水平上进行 "预偏置"。

带预偏压的推挽放大器

 

这种类型的电阻预偏置使一个晶体管正好在另一个晶体管转为 "OFF "的同时转为 "ON"，因为现在两个晶体管的偏置都略高于其原来的截止点。然而，为了实现这一点，偏置电压必须至少是正常基极到发射极电压的两倍，才能使晶体管 "打开"。这种预偏压也可以在使用互补晶体管的无变压器放大器中实现，只需用偏置二极管取代两个电位分压器电阻，如下图所示。

带预偏压的二极管

 

对于变压器或无变压器放大器电路来说，这种预偏置电压的作用是将放大器的Q点移过原来的截止点，从而使每个晶体管在每个半周期的一半或180°以上的有效区域内工作。换句话说，180°+偏置。在晶体管基极存在的二极管偏置电压的数量可以通过串联增加额外的二极管而以倍数增加。这就产生了一个通常称为AB类放大器的放大电路，其偏置安排如下。

AB类输出特性

 

交叉失真总结

总结一下，B类放大器发生交叉失真是因为放大器的偏压在其截止点。这就导致两个晶体管在波形跨越零轴的同一时刻被 "关闭"。通过使用一个小的基极偏置电压，或者使用一个电阻电位分压器电路或二极管偏置，这种交叉失真可以大大减少，甚至完全消除，使晶体管达到刚刚被 "打开 "的程度。

施加偏置电压会产生另一种类型或类别的放大电路，通常称为AB类放大器。那么纯B类放大器和改进的AB类放大器之间的区别就在于应用于输出晶体管的偏置电平。与电阻相比，使用二极管的一个主要优点是其PN结可以补偿晶体管的温度变化。

因此，AB类放大器实际上是一个添加了 "偏压 "的B类放大器，我们可以将其总结如下：

• A类放大器-没有交叉失真，因为它们偏向于负载线的中心。
• B类放大器-由于在截止点的偏置，导致大量的交叉失真。
• AB类放大器-如果偏置电平设置得太低，会出现一些交叉失真。

除了上述三个放大器类别外，还有一些与开关放大器设计有关的高效放大器类别，它们使用不同的开关技术来减少功率损耗和提高效率。其中一些放大器设计使用RLC谐振器或多个电源电压来帮助减少功率损失和失真。