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B类放大器

1、概述

我们在之前的文章中已经知道，A 类放大器的特点是导通角为 360°，理论最大效率为 50%。 在本文中，我们将详细介绍另一类放大器，称为B类放大器，它是为解决A类低效率问题而开发的。

在第一部分中，我们将介绍 B 类放大器的组成及其特性概述。 然而，我们将在后面的部分中看到，为了正常工作，需要两个互补晶体管以确保输入信号的再现，这就是通常所说的推挽配置。 此外，我们将重点介绍 B 类放大器中发生的不良失真以及限制它的一些可能的解决方案。 在本文的最后一部分，我们将逐步介绍如何计算 B 类放大器的理论最大效率。

2、B类放大器介绍

与A类放大器的主要区别在于B类放大器的导通角为180°。 这意味着只有一半的输入信号被处理以实现放大过程。 为了澄清这一论断，下面的图 1 比较了 A 类放大器和 B 类放大器的导通角：

图1：基于NPN的A类和B类放大器导通角

在图1中，我们假设使用的双极晶体管 (BJT) 是 NPN 型。 在B类放大器中，PNP BJT 将仅放大信号的负部分，如下图2所示：

图2：基于PNP的B类放大器导通角

为了更好地形象化B类放大器配置如何放大信号，我们考虑两个信号增益为5的晶体管，一个NPN和一个PNP。 幅度为1的输入信号以及NPN和PNP晶体管的输出信号可以绘制在图3的同一张图中：

图3：基于NPN和PNP的B类放大器

由于NPN晶体管仅放大正半波，而PNP晶体管仅放大负半波，因此仅用一个晶体管无法实现忠实再现。 然而，从图 3 中，我们看到 NPN 和 PNP 输出的叠加重新生成了输入信号的形状。 为了结合这两个输出，NPN 和 PNP 晶体管被放置在所谓的推挽配置中（图 4），我们将在下一节中详细介绍。

B类放大器的另一个重要特性是晶体管基极支路上没有直流偏置。 因此，B类放大器只有在交流输入信号高于双极晶体管的阈值电平 +0.7 V 时才能导通。这一事实在触发B类放大器典型的不良效应方面发挥着重要作用，我们将澄清这一点 以及接下来的部分。

3、推挽式配置

下面的图 4 显示了用于 B 类放大的射极跟随器推挽配置的输出级，以及输入信号、NPN 和 PNP 晶体管的输出以及最终组合输出：

图4：B类放大器推挽配置

图 4 突出显示了一种通常称为交叉失真的不良效应。在零幅度交叉周围确实存在一个间隔，在此间隔中信号无法忠实地再现。 为了理解为什么这种现象专门发生在B类放大器中，我们需要绘制推挽配置的 $(V_{out},V_{in})$ 特性：

从图5中，我们可以看到 B类放大器推挽配置的输出/输入特性仅是部分线性的。 事实上，在B类放大器中，NPN和PNP晶体管工作在截止区域，当输入信号低于 +0.7V 阈值（或高于 -0.7V）时，NPN晶体管（或PNP）不会工作。 传导信号。 此行为会在 -0.7V和 +0.7V之间创建1.4V的间隔，其中基极和发射极分支之间无法传导信号。 这解释了B类放大器推挽配置中观察到的交叉失真。

4、限制交叉失真

交叉失真需要进行校正，特别是对于音频放大器来说，这种效应是显而易见的。 限制或完全消除失真的第一个可能的解决方案是根据输出信号的所需线性度或多或少地偏置基分支。 该解决方案将在下一个文章中详细介绍，因为稍微偏置基极分支对应于 AB 类放大。

另一种解决方案是修改图4，在从输出到输入的电路中添加一个运算放大器，如下图6所示：

图6：负反馈推挽配置

首先，请务必记住，运算放大器比较反相支路 (-) 和非反相支路 (+) 上的两个输入。 运算放大器具有非常重要的增益，因此微小的差异可以被高度放大。 仅当两个输入信号严格相同时，运算放大器（在我们的例子中为公共基极分支）的输出才等于零。

让我们考虑一下，在 B 类负反馈推挽配置的输出处可以观察到或多或少重要的交叉失真。 当输出信号被忠实地再现时，在[-0.7V，+0.7V]区间之外，支路+、V+处的电势严格等于支路-、V–处的电势。 因此，电位差V±V–为零，运算放大器没有放大任何信号。 因此双极晶体管的公共基极支路没有被偏置。

如果输出信号处于交越失真区间[-0.7V，+0.7V]，运算放大器端子上将出现电位差V±V–，并被放大到共基极支路，从而暂时偏置晶体管 以便纠正畸变。

总而言之，我们可以说该电路“强制”输出保持与输入相同的形状，从而再现忠实的信号。

5、B类放大器效率

如前面教程中所述，放大器的效率由比率 $\eta =P_{out}/P_{abs}$ 定义，其中 $P_{out}$ 是输出功率，$P$