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下图展示了一个B类输出阶的原理图#xff0c;B类输出阶由两个互补的BJT组成#xff0c;不同时导通。 原理
当输入电压 vI0v_I 0vI0 的时候#xff0c;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#xff0c;此时 QNQ_NQN…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 vI0v_I 0vI0 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。 vOvI−vBENv_O v_I - v_{BEN}vOvI−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。 vOvIvEBPv_O v_I v_{EBP}vOvIvEBP 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
PL12Vo^2RLP_L \frac{1}{2}\frac{\hat{V_o}^2}{R_L} PL21RLVo^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
PSPS−1πVo^RLVCCP_{S} P_{S-} \frac{1}{\pi} \frac{\hat{V_o}}{R_L} V_{CC} PSPS−π1RLVo^VCC
总电压源功率为
PS2πVo^RLVCCP_S \frac{2}{\pi} \frac{\hat{V_o}}{R_L} V_{CC} PSπ2RLVo^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
ηmaxπ478.5%\eta_{max} \frac{\pi}{4} 78.5\% ηmax4π78.5%
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
PLmax12VCC2RLP_{Lmax} \frac{1}{2}\frac{V_{CC}^2}{R_L} PLmax21RLVCC2
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
PDPS−PL2πVo^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} PDPS−PLπ2RLVo^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^∣PDmax2πVCC\hat{V_o} |_{P_{Dmax}} \frac{2}{\pi} V_{CC} Vo^∣PDmaxπ2VCC
处达到最大值为
PDmax2VCC2π2RLP_{Dmax} \frac{2V_{CC}^2}{\pi^2R_L} PDmaxπ2RL2VCC2
能量转换效率为
η50%\eta 50\% η50%
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
