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可以增加給定輸入信號(hào)的電流、電壓或功率的電子設(shè)備稱為放大器。根據(jù)電路應(yīng)用，放大器分為電壓放大器和功率放大器，其中小信號(hào)和大信號(hào)(功率)放大器的重要因素是線性度、放大率、效率、電路可以處理的最大功率、阻抗匹配以及處理高電壓和電流電平的能力。
另外，輸出信號(hào)在給定輸入信號(hào)的正負(fù)周期上的變化取決于稱為放大器類別的操作類別或操作模式。目前功率放大器有四種類型，分別是A類放大器，B類放大器，AB類放大器和C類放大器。本文簡(jiǎn)單介紹下AB類放大器工作原理、偏置方法及功率計(jì)算公式。
AB類放大器的概念
用于克服B類放大器中的交叉失真的放大器稱為AB類放大器。A類放大器和B類放大器的組合形成了AB類放大器。AB類放大器旨在克服和消除A類放大器效率低和 B 類放大器失真的缺點(diǎn)，并利用這兩種放大器的優(yōu)點(diǎn)。
AB類放大器的構(gòu)造/設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)具有高效率和低失真的放大器的最佳方法就是AB類放大器，它是B類配置和A類配置的結(jié)合，從而產(chǎn)生了AB類放大器電路。因此該放大電路的輸出級(jí)結(jié)合了A類和B類放大器的優(yōu)點(diǎn)，也減少了失真和低效率的問(wèn)題。
AB類放大器電路設(shè)計(jì)考慮了兩個(gè)晶體管T1和T2。晶體管T1為NPN型，晶體管T2為PNP型。兩個(gè)正向偏置二極管D1和D2串聯(lián)連接，以控制VBE(發(fā)射極-基極電壓)由于溫度變化引起的變化，如下面電路圖所示。電阻R1與D1串聯(lián)，電阻R2與D2串聯(lián)。
AB類放大器工作原理
AB類放大器電路甚至可以用于小功率輸出。因?yàn)锳類放大器用于小電流輸出，而B類放大器用于大電流輸出。這是通過(guò)對(duì)放大器電路輸出級(jí)中的2個(gè)晶體管進(jìn)行預(yù)偏置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)預(yù)偏置和輸出電流，每個(gè)晶體管在180°和360°之間導(dǎo)通時(shí)間。因此，放大器的輸出級(jí)作為AB類放大器工作。
考慮T1是NPN晶體管，T2是此放大器配置的PNP晶體管，以獲得具有給定輸入信號(hào)的正負(fù)半周期組合的完整輸出信號(hào)。在這種配置中，由于輸入信號(hào)在過(guò)渡期間同時(shí)由T1和T2晶體管導(dǎo)通，可以消除交叉失真。
因此在沒(méi)有輸入交流信號(hào)的情況下，晶體管可以導(dǎo)通。通過(guò)使用二極管D1和D2施加小的偏置電壓，可以觀察到工作點(diǎn)高于截止區(qū)域。這里輸出信號(hào)的幅度和相位是相同的。因此AB類放大器也被稱為線性放大器。
AB類放大器偏置方法
基于此配置中使用的互補(bǔ)晶體管的同時(shí)導(dǎo)通，AB類放大器有不同的偏置方法來(lái)創(chuàng)建電壓間隔。下面簡(jiǎn)單介紹具有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的可能的偏置方法。
1、電壓偏置
它是一種直接、獨(dú)立且簡(jiǎn)單的方法，由直流發(fā)電機(jī)或電池的電壓供應(yīng)完成。但由于封裝和成本高，無(wú)法用于實(shí)際電路。
2、分壓器網(wǎng)絡(luò)
此處晶體管基極的電壓降為1.2V至1.4V(通過(guò)R1+R2總電阻)。該值與2VBE有關(guān)，其中VBE是晶體管的閾值電壓。由于該電壓降，晶體管T1和T2超過(guò)截止區(qū)域，因此導(dǎo)致輸入信號(hào)的一小部分同時(shí)導(dǎo)通。這種方法并未廣泛使用，僅適用于具有特定電阻值和互補(bǔ)晶體管的特定推挽放大器配置。
3、電阻偏置
電壓偏置和電阻偏置之間的區(qū)別在于，可調(diào)電阻(或)電位器保持在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是，互補(bǔ)晶體管的偏置(即使具有不同的電氣特性)是通過(guò)控制電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于截止區(qū)域上方的偏置，此配置的不當(dāng)工作可能導(dǎo)致溫度變化。因此，一般首選二極管偏置方法。
4、二極管偏置
二極管可以產(chǎn)生0.7V的恒定電壓，高于一定的電流值。此特性用于在T1和 T2晶體管的基極之間提供1.4V恒定電位。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是在任何溫度變化時(shí)二極管D1和D2兩端的電壓降都可以自我調(diào)節(jié)。溫度的升高會(huì)降低二極管的閾值電壓并降低T1和T2晶體管的偏置，從而導(dǎo)致有限的熱失控。
AB類放大器工作特性
AB類放大器提供線性度高、效率高且無(wú)交叉失真。在這種配置中，偏置方法是根據(jù)工作點(diǎn)選擇的，其中包括A類和B類放大器的中間導(dǎo)通角，而該工作點(diǎn)的位置取決于線性度和效率。如果其工作點(diǎn)接近A類放大器的工作點(diǎn)，則它作為A類放大器工作。在這種情況下，它以較低的效率提供高線性度。
AB類放大器配置的工作特性如下圖所示，該放大器輸出信號(hào)的導(dǎo)通角大于180°小于360°，Q點(diǎn)的位置標(biāo)注在截止區(qū)域上方。因此，在沒(méi)有輸入交流信號(hào)的情況下，晶體管可以導(dǎo)通。通過(guò)使用二極管D1和D2施加小的偏置電壓，可以觀察到工作點(diǎn)高于截止區(qū)域。這里輸出信號(hào)的幅度和相位是相同的，所以這就是AB類放大器被稱為線性放大器的原因。
考慮T1是NPN晶體管，T2是此放大器配置的PNP晶體管，以獲得具有給定輸入信號(hào)的正負(fù)半周期組合的完整輸出信號(hào)。在這種配置中，由于T1和T2晶體管同時(shí)傳導(dǎo)輸入信號(hào)，因此可以消除交叉失真。
AB類放大器的效率為：? = π/4. Vac/V supply
其中Vac是輸出信號(hào)的交流波動(dòng)，最大效率取決于Vac的最大值和工作點(diǎn)的位置。
如果AB類放大器的偏置限制在截止點(diǎn)，Vacmax = V電源，那么?max = π/4 = 78.5%。
如果AB類放大器的偏置限制在A類放大器工作點(diǎn)，Vacmax = Vsupply/2，則?max= π/8=39.3%。
如果工作點(diǎn)靠近B類放大器(信號(hào)的傳導(dǎo)角在180°到270°之間)，那么?max的范圍在58.9%到78.5%之間。
為了實(shí)際上消除交叉失真，在晶體管T1和T2上施加了一個(gè)小的靜態(tài)偏置。如果T1和T2是匹配的晶體管，則每個(gè)的發(fā)射極 - 基極結(jié)偏置為VBB/2，當(dāng)輸入Vi=0時(shí)，結(jié)果Vo=0。因此，靜態(tài)集電極電流的公式如下：
Icn = Icp = Is. e^(VBB/2.Vt)
當(dāng)Vi增加時(shí)，T1的基極電壓增加，V0增加。這里晶體管T2用作射極跟隨器并向RL提供電流。因此，輸出電壓的方程為：
V0 = Vi +VBB/2 – VBEn。
T1的集電極電流為：Icn = Il + Icp(忽略基極電流)
由于Icn應(yīng)提供負(fù)載電流。隨著VBEn增加，由于恒定的VBB，VBEp減小，所以VBEn降低導(dǎo)致Icp降低。
當(dāng)Vi為負(fù)時(shí)，T2的基極電壓降低，導(dǎo)致Vo降低。這里T2用作射極跟隨器并吸收負(fù)載電流。
隨著Icp的增加，VBEp的增加導(dǎo)致Icn和VBEn的減少。
使用MOSFET的AB類放大器
AB類放大器可以設(shè)計(jì)成使用MOSFET產(chǎn)生100W的輸出功率來(lái)驅(qū)動(dòng)8歐姆的負(fù)載，這種功率放大器的設(shè)計(jì)是因?yàn)樗男矢?，諧波少，交叉失真。使用MOSFET的AB類放大器的電路圖如下圖所示：
下面整理下構(gòu)建上述電路所需的組件：
PNP晶體管–BC556(Q1、Q2)
NPN晶體管–MJE340 (Q3, Q4)
PNP晶體管–MJE350 (Q5, Q6)
N溝道E-MOSFET – IRF530 (Q7)
P溝道E-MOSFET – IRF9530 (Q8)
電源電壓 +/- 50 伏 (V1, V2)
4kohms - (R1, R4)
100歐姆-(R2)
50kohms -(R3)
1kohms - (R5)
50kohms - (R6)
10kohms -(R7)
100ohms-(R8，R9)
470ohms-(R10)
100ohms-(R11)
3kohms - (R12)
0.33ohms - (R14, R15)
10微法拉 - (C1)
18pF -(C2，C3)
100nF -(C4)
該電路基于多級(jí)功率放大原理工作，由驅(qū)動(dòng)器、前置放大器和使用MOSFET的功率放大組成。前置放大過(guò)程使用差分放大器、帶有電流負(fù)載的驅(qū)動(dòng)級(jí)和使用帶有AB類放大器的 MOSFET 進(jìn)行功率放大。
與BJT(雙極結(jié)型晶體管)相比，使用MOSFET的主要好處是其驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、對(duì)熱穩(wěn)定性的敏感性較低以及輸入阻抗高。在前置放大過(guò)程中，由前置放大器在2級(jí)差分放大電路的幫助下產(chǎn)生無(wú)噪聲的放大信號(hào)。前置放大器的第一級(jí)處于差分模式，使用帶有PNP晶體管的發(fā)射極耦合放大器。
第二級(jí)是帶有有源負(fù)載的差分放大器電路，有助于提高電壓增益。為確保輸出電流相對(duì)于輸入電壓信號(hào)的變化保持恒定，使用了電流鏡電路。放大后的輸入信號(hào)被饋送到AB類功率放大級(jí)，以產(chǎn)生高功率輸出信號(hào)。
使用MOSFET的AB類功放被稱為Hi-fi功放電路，適用于鍵盤功放、通用功放、吉他功放、低音炮功放等多種應(yīng)用。它產(chǎn)生的失真較小，約為0.1%，阻尼系數(shù)>200，輸入靈敏度為1.2V，帶寬范圍為4Hz-4KHz。
AB類放大器功率計(jì)算公式
AB類放大器的總功率由輸入功率和輸出功率計(jì)算得出。
1、輸入功率
輸入功率是指AB類放大器從電源提供給負(fù)載的電量，它也被稱為直流電源，是由Pi(dc) = Vcc. Idc計(jì)算得出。每個(gè)晶體管汲取的電流量類似于全波信號(hào)的電流，所以：
Idc = 2/π.I(peak)
因此，公式總輸入功率為：
Pi(dc) = Vcc. 2/π. I(peak)
每個(gè)晶體管為半波信號(hào)汲取的電流量與半波信號(hào)的平均值相同。
Icc = Ic(sat) / π
Pi(dc) = Ic(sat) Vcc/π
2、輸出功率
負(fù)載的最大輸出功率由下式計(jì)算：
Pout = Iout(rms) x Vout(rms)
輸出電流 Iout(rms) = 0.707Iout(peak) = 0.707Ic(sat)
輸出電壓 Vout(rms) = 0.707Vout(peak) = 0.707VCEQ
因此，總輸出功率由下式計(jì)算：
Pout = 0.5Ic(sat) x VCEQ，代入VCEQ =VCC/2，那么最大輸出功率為：
Pout = 0.25Ic(sat) x VCC
其中VCEQ = AB類放大器的單電源和雙電源的最大峰值輸出電壓，Ic(sat) = AB類放大器的峰值輸出電流，或者：
Pout=Vl^2/Rl=Vl^2(peak) /2Rl = Vl^2(p-p) /8Rl
3、AB類放大器效率
與B類和A類放大器的效率相比，AB類放大器的效率很高。AB類放大器的偏置消除了交叉失真。效率定義為交流輸出功率與直流輸入功率之比，用“?”表示：
? = Pout/Pdc
由于Pout = 0.25.Ic(sat) Vcc，Pdc = Ic(sat) / π，所以AB類放大器的最大效率將是：
? = Pout/Pdc ==》?= 0.25.Ic(sat) Vcc/ [(Ic(sat) Vcc) /π] ==》 0.25π ==》78.5%。
AB類放大器優(yōu)缺點(diǎn)
AB類放大器的優(yōu)點(diǎn)包括以下幾方面內(nèi)容：
消除了交叉失真。
提供比A類放大器更高的效率和信號(hào)放大。
它是一個(gè)線性放大器，因?yàn)檩敵鲂盘?hào)的幅度和相位與輸入相同。
提供高效率和高頻響應(yīng)。
諧波失真小。
AB類放大器的缺點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)內(nèi)容：
與 B類放大器的效率相比，AB類放大器的效率要低。
電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
成本高。
不適當(dāng)?shù)钠脮?huì)在輸出信號(hào)中產(chǎn)生尖峰，從而導(dǎo)致交叉失真。
AB類放大器的應(yīng)用
AB類放大器的應(yīng)用包括以下幾點(diǎn)內(nèi)日：
用于電視中的音頻 (AF) 放大器。
用于公共廣播系統(tǒng)。
用于電視接收器。
用于無(wú)線電接收器。
用于CD播放器。
使用的衛(wèi)星和其他無(wú)線通信系統(tǒng)。
總結(jié)
以上就是關(guān)于AB類放大器的概述、電路圖、使用MOSFET的AB類放大器、功率和效率推導(dǎo)等相關(guān)內(nèi)容，僅供大家學(xué)習(xí)參考。其實(shí)，從上面介紹不難看出，AB類放大器其實(shí)就是A類放大器和B類放大器的完美結(jié)合，摒棄二者缺點(diǎn)，結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)而來(lái)。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論