甲乙類功率放大電路交越失真問題研究

吳天強(qiáng)

【摘要】不同的模擬電子技術(shù)教材對(duì)于甲乙類功率放大器交越失真問題有不同的表述，導(dǎo)致學(xué)生在該知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)上存在兩種分岐認(rèn)識(shí)，一種觀點(diǎn)認(rèn)為交越失真可以被完全消除，另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為交越失真只能被減少，不能被消除。文章通過分析交越失真的定義范疇，給出減少交越失真的兩種方法，并指出該知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)策略。

【關(guān)鍵詞】模擬電路 交越失真 教學(xué)策略

【中圖分類號(hào)】G71 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2013）04-0187-02

1.引言

關(guān)于甲乙類功率放大電路（指有合適偏置的乙類功率放大電路，又名AB類功效）交越失真的改善問題，學(xué)生在認(rèn)知上存有兩種分岐，一種觀點(diǎn)認(rèn)為甲乙類功放電路可以消除交越失真，相反的觀點(diǎn)則認(rèn)為甲乙類功放電路只能減小交越失真而不能消除交越失真。筆者在教學(xué)中也發(fā)現(xiàn)，不同的模擬電子技術(shù)教材，對(duì)于同一交越失真改善問題的描述卻不盡相同，使教學(xué)產(chǎn)生疑惑。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)部分模電教材及國(guó)外一些經(jīng)典模電教材關(guān)于交越失真的相關(guān)內(nèi)容查閱后發(fā)現(xiàn)，在交越失真問題的表述上大致可以分為以下3種情形：

1）甲乙類功放的交越失真可以被消除[1]-[9]。

2）甲乙類功放的交越失真可以被克服、能夠被減少，進(jìn)而可以被消除[10]-[15]。

3）甲乙類功放的交越失真只能被減少[16]-[20]。

顯然，以上三種描述存在差別，這也是導(dǎo)致學(xué)生對(duì)交越失真產(chǎn)生分岐認(rèn)識(shí)的根本原因。

2.交越失真的定義

根據(jù)教材對(duì)交越失真定義表述的側(cè)重點(diǎn)不同，可以分為以下2種情況：

定義1：由于三極管的死區(qū)電壓的存在，信號(hào)過零時(shí)出現(xiàn)的失真，稱交越失真。

定義2：產(chǎn)生于正半周與負(fù)半周過渡交換區(qū)間內(nèi)的失真，稱為交越失真。

仔細(xì)分析上述交越失真的定義，這兩種說法在定義的內(nèi)涵上存在差別，第二種產(chǎn)生于正半周與負(fù)半周的過渡區(qū)間的交越失真定義范疇更大一些，包括小信號(hào)時(shí)死區(qū)電壓造成的明顯失真，也包括較大信號(hào)時(shí)雙管非理想過渡時(shí)產(chǎn)生的不明顯的失真。

由于交越失真的定義范疇不同，致使不同教材在甲乙類功放電路改善交越失真的表述結(jié)果不一樣。根據(jù)交越失真的第一種定義，給予合適偏置，避開三極管死區(qū)，交越失真被消除[21]；根據(jù)第二種定義，盡管合適的偏置較好地避免了小信號(hào)時(shí)的不足，但不能解決信號(hào)的理想過渡（圓滑交接），因而只能是減小交越失真[22][23]，若再施加負(fù)反饋則能基本消除[22]、甚至全部消除剩余的交越失真[23]。

所有被查閱的教材均一致認(rèn)為小信號(hào)時(shí)交越失真更加明顯，但是不同教材對(duì)交越失真定義的不同表述是引起學(xué)生在該知識(shí)點(diǎn)上不同認(rèn)知的主要原因，在教學(xué)過程中明確這一點(diǎn)，有助于學(xué)生正確認(rèn)識(shí)交越失真及如何改善的問題。

3.改善交越失真的方法

在模擬電子技術(shù)教學(xué)范圍，用于改善交越失真的方法有兩種，一種是使用合適的偏置，另一種是使用負(fù)反饋，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。

合適的偏置可以減小三極管的死區(qū)電壓的影響，但要注意三極管的負(fù)溫度特性，往往偏置電路與未級(jí)輸出管之間需要設(shè)置熱耦合且在未級(jí)輸出管上增加一個(gè)較小的射極電阻，以穩(wěn)定電路工作狀態(tài)，否則可能由于溫漂而使電路無法正常工作。

負(fù)反饋方式理論上只能減小而不能消除交越失真，為了使用負(fù)反饋取得較好的效果，往往使用深度負(fù)反饋方式，這要求電路有較大的開環(huán)放大倍數(shù)。開環(huán)放大倍數(shù)越高，對(duì)交越失真抑制效果也就越好，但過高開環(huán)放大倍數(shù)的電路設(shè)置成深度閉環(huán)方式時(shí)可能引起電路工作的不穩(wěn)定，特別是使用大環(huán)路反饋時(shí)，振蕩的可能性增加，這是負(fù)反饋方式的不足之處。

另外，減小非線性失真是負(fù)反饋的優(yōu)點(diǎn)之一，交越失真恰好是一種非線性失真，兩者組合教學(xué)可以實(shí)現(xiàn)交叉教學(xué)。大多數(shù)國(guó)內(nèi)模電教材中均出現(xiàn)了負(fù)反饋的教學(xué)內(nèi)容，但基本上未提及與改善交越失真之間的聯(lián)系，可以利用兩者的關(guān)聯(lián)來改進(jìn)教學(xué)效果。

4.不對(duì)稱引起的非線性失真

甲乙類功率放大電路除卻上述交越失真的問題外，放大電路工作時(shí)需要雙管配合完成，管子不配對(duì)則會(huì)產(chǎn)生上下波形不對(duì)稱的情況。實(shí)際使用中，即使管子執(zhí)行過配對(duì)工作，因?yàn)槠渑鋵?duì)往往只是針對(duì)某一溫度下的電壓或電流區(qū)域進(jìn)行，而實(shí)際工作條件則是有差別的，在大功率工作時(shí)也會(huì)出現(xiàn)上下波形不對(duì)稱現(xiàn)象。

圖1是筆者根據(jù)8W功率放大器的電路[24]加以修改而制作的放大器實(shí)物，圖2與圖3是該放大器帶10Ω電阻負(fù)載時(shí)測(cè)得的輸出正弦電壓波形，波形頻率為1KHz，其電壓峰峰值分別為30.8V與40.0V。

圖2中的Vmax=+15.2V與Vmin=-15.6V表示輸出電壓幅值存在不對(duì)稱，圖3中的Vmax=+20.0V與Vmin= -20.0V的輸出電壓幅值卻相同，這兩者的差異表明輸出不同的電壓峰值時(shí)電路的放大狀態(tài)存在差異，這是由于三極管的特性曲線不均勻，導(dǎo)致波形輸出不對(duì)稱。

圖4是不對(duì)稱波形示意圖，產(chǎn)生這種失真的原因是由于管子的不對(duì)稱；圖5為典型交越失真波形。圖4與圖5這兩種失真波形失真形成的原因是不同的。

教學(xué)上需要明確上述兩種波形不對(duì)稱與前面兩種交越失真定義上的差別。按照定義1，圖4波形不屬于交越失真，因?yàn)椴皇枪茏铀绤^(qū)電壓造成的結(jié)果。由于該波形的正半周與負(fù)半周均被線性放大，只是正負(fù)半周管子的放大倍數(shù)不同，因而正負(fù)半周交越處有轉(zhuǎn)折，產(chǎn)生了失真，故該失真屬定義2范疇。

圖6是用Caltek8120示波器實(shí)測(cè)圖1放大器小信號(hào)輸出時(shí)的正弦電壓波形，頻率1KHz，垂直偏轉(zhuǎn)0.2V/Div，波形電壓峰峰值在0.7V左右，在10Ω的電阻負(fù)載上產(chǎn)生正弦電流的峰峰值約70mA，相對(duì)于該放大器設(shè)置的20mA靜態(tài)偏流，放大過程中應(yīng)出現(xiàn)過零截止情況，但是圖5波形是圓滑連接，不存在明顯的交越失真，該結(jié)果支持在乙類放大器中施加合適的偏置、使用熱耦合及施加負(fù)反饋可以基本消除交越失真的影響。

5.結(jié)束語

從工程應(yīng)用看，不同教材關(guān)于交越失真的減小或消除等描述對(duì)于實(shí)際應(yīng)用的影響是較小的，一是由于三極管本身存在非線性失真，當(dāng)其本身的失真超過這種交越失真時(shí)，后者產(chǎn)生的影響變小；二是實(shí)用的放大電路幾乎沒有不使用負(fù)反饋來改善其放大特性，對(duì)于改善交越失真的效果來說，合適的偏置與負(fù)反饋的同時(shí)使用能取得很好的結(jié)果，使這種理論上存在的過渡區(qū)域的交越失真，在工程中也可能難于被分辨，將此不利因素控制在一種可接受的合理范圍之內(nèi)。在教學(xué)層面，則應(yīng)以科學(xué)的態(tài)度，定義上的差異，宜加以區(qū)別。

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