基于负反馈原理的功放电路交越失真解决方法研究

　　摘要：为解决功放电路交越失真的问题，本论文首先阐述了交越失真产生的原理，并对传统常见的解决方法进行了讨论，然后把负反馈原理应用在解决交越失真中。此法操作简单，效果好，仿真和实验结果验证了该方法的可行性和正确性。
　　关键词：交越失真；功率放大；负反馈
　　1引言
　　在多级放大电路中，输出信号往往都是送到负载，去驱动如收音机中扬声器的音圈、电动机控制绕组、计算机监视器或电视机的扫描偏转线圈等一定的装置。因此多级放大电路除了应有电压放大级外，还要求有一个输出一定信号功率的输出级。这类主要用于向负载提供功率的放大电路常称为功率放大电路。放大电路实质上都是能量装换电路，从能量控制的角度来看，功率放大电路和电压电流放大电路没有本质的区别。
　　一般常见的功率放大电路有三类[1]：甲类、乙类及甲乙类（或称为混合类）。输入信号在整个周期内都有电流流过放大器件的称为甲类放大，半个周期以上但不满一个周期有电流流过的称为甲乙类，若只有半个周期有电流流过的则称为乙类放大。甲类放大电路中电源始终不断地输送功率，但只有一部分功率输出，另一部分被消耗在管子上，可以证明，即使在最理想情况下甲类功放电路的效率最高也有50%。乙类和甲乙类放大电路只有部分时间有电流通过，减小了电路的静态功耗，提高了功率输出效率，但同时导致了输出波形非线性失真。乙类互补对称功率放大虽然弥补了乙类功放半个周期波形被削掉的不足，但由于交越失真使波形出现死区严重影响输出波形的质量，因此必须采取措施来抑制。
　　论文主要分析互补对称乙类功率放大电路交越失真产生的原因，讨论常见的解决方法，最后把负反馈概念引入电路中来解决交越失真，此法与传统方法相比，具有许多优越性，有很大的实际应用价值。
　　2交越失真产生原理
　　单管乙类功放电路仅在半个周期内有电流通过，尽管减小了管耗，有利于提高输出效率，但使输入信号的半个波形被削掉，存在严重的波形失真。如果用两个管子，使之都工作在乙类放大状态，但是一个在正半周期，而另一个工作在负半周期，同时使这两个输出波形都能加到负载上，从而使负载得到一个完整的波形，这样就能解决效率与失真的矛盾。电路原理图如图1(a)。
　　电路中T1和T2分别为NPN和PNP型管，当信号处于正半周期时，T1承担放大任务，T2截至，有电流通过负载RL；而当信号处于负半周期时，则刚好相反，T2承担放大任务，T1截至，仍然有电流通过负载RL；这样，图一所示基本互补对称电路实现了在静态时管子不取电流，而在有信号时，T1和T2轮流导通。正负半周期的等效电路分别如图1(b)和图1(c)。
　　
　　图1(a)乙类推挽式原理图图1(b)正半周期等效电路图1(c)负半周期等效电路
　　由于三极管PN结的压降，图1(a)所示的互补对称功放电路并不能使输出波形很好地反映输入的变化。由于没有直流偏置，管子的基极电流必须在大于某一数值（即门坎电压，NPN硅管约为0.6V，PNP锗管约为0.2V）时才有显著变化。当低于这个数值时，T1和T2都截至，和基本为零，负载RL上无电流流过,出现一段死区，这就是交越失真产生的基本原理。为了验证交越失真的存在，利用simplorer软件对该电路进行仿真，仿真电路和交越失真波形分别如图2(a)、2(b)所示。
　　仿真参数设置为：电压源E2、E3分别为±9V偏置电压，E1为正弦信号，频率50Hz,幅值1V；两个三极管为对称的不同类管子；电阻R2=R3=10K，负载电阻取100Ω。仿真波形如图5(b)，从图5(b)可以明显看到交越失真的存在，在过零点附近都会由于三极管的PN结的影响，存在一段负载没有电流流过放大器件的状态，因此交越失真将影响输出波形的质量。
　　
　　(a)仿真电路图(b)仿真结果图
　　图2乙类互补对称功放电路交越失真仿真图
　　3传统解决交越失真的方法
　　为了克服交越失真的影响，前人已经进行过系统的研究，但是都是立足于通过电路改进的方式来实现。常见的解决方法为：甲乙类双电源互补对称电路法和甲乙类单电源互补对称电路。甲乙类互补对称法电路原理如图3所示。由图可见，T3组成前置放大级，T1和T2组成互补输出级。静态时，在D1、D2上产生的压降为T1、T1提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状态。由于电路的对称，静态时，，。有信号时，由于电路工作在甲乙类，即使很小，基本上也可以进行线性放大。
　　图3的缺点就是其偏置电压不易调整，改进电路如图4所示，在图4中流入T4的基极电流远小于流过R1、R2的电流，则由图可以求出,因此，利用T4管的基本为一固定值，只要调整R1、R2的比值，就可以改变T1、T2的偏压值，此法在集成电路中经常应用。
　　
　　图3甲乙类双电源互补电路图4改进电路设计
　　甲乙类单电源互补对称电路本质与上述方法一样，只是用电容C和一个电源Vcc来代替原来的+Vcc和-Vcc的作用，电路原理图见文献[1]，但此法也存在负载电阻端得不到足够的电压变化量的问题。解决这一问题的方法是在电路中引入R，C等元件组成的所谓的自举电路。电路的复杂度比双电源法更高，并且调节度难以把握。
　　从上述的电路可以看出，传统解决交越失真的方法复杂，电路调节度难以把握，不宜电路设计者实际调试实现。
　　4基于负反馈的解决方法与仿真验证
　　在实际电路设计中，功放的输入信号一般都是有运算放大器提供。基于负反馈原理来稳定输出的电路只有两种形式，区别就在于负载是否接地，下面以负载悬空类来研究，来说明负反馈解决交越失真的原理。对于负载接地类分析方法原理相同，可以类推。
　　负反馈工作原理可用图5来说明，当前级运算放大器的输出电压低于三极管PN结电压时，三极管不能导通，电路处于交越失真状态。负反馈信号线采样电压为零，由于运算放大器工作于差动放大，负反馈线上的反馈信号则会使运算放大器自动调整放大系数，来增大输出电压，三极管立刻导通，保证输出与输入的线性关系；当电路正常工作时，若负载发生小的扰动，则反馈线会将扰动电压反馈给运算放大器，由于采用的是负反馈，则放大器会自动朝相反的方向调整增益来抵消扰动的影响。因此负反馈还可以增加电路的稳定性，增强抗干扰能力。所以采用负反馈法不仅能够解决交越失真问题，同时也能增加系统的稳定性，实现简单，调节方便，抗干扰能力强，后面的仿真和实验也将证明这一结论。
　　
　　图5负反馈解决方案原理图
　　为了验证上述分析的正确性，采用simplorer软件来仿真，仿真电路和仿真结果如图6所示。仿真参数设置为：限流电阻R1=100Ω,电阻R2=R3=R6=12K,负载可以在200Ω以下变动取值，采样电阻取10Ω；偏置电压分别为；输入电压采用工频50Hz的正弦信号，幅值取为0.326V。
　　根据仿真结果图6(b)可以得到，通过负反馈法可以解决交越失真的影响，同时可以增加电路的稳定性，使负载电阻只要不大于200Ω，电路都能够使输出与输入保持线性关系。
　　根据图6(c)防真结果还可得，由于负反馈的作用，结点N002处的电压波形已经不再是正弦波，而是在绝对值等于0.6V处发生跳变，保证了结点N002处电压绝对值不会低于三极管PN结压降，从而保证三极管时刻处于导通状态，这也证明了上面负反馈原理分析的正确性。
　　
　　图(a)仿真电路图
　　
　　图(b)负载波形图图(c)三极管基极电压波形
　　图6负反馈仿真电路和仿真结果图
　　5实验研究
　　为了进一步研究负反馈方法的正确性，在实验室用运算放大器AD624和C9014、C9015三极管搭建了实验电路，电路原理如图7所示。其中Vi为信号输入端；负反馈信号线直接与AD624的负反馈引脚10相连。引脚10是AD624内部差分输出放大器负反馈输出端，一般情况下与输出端直接连接，Ri为调节运放增益电阻。
　　
　　图7实验电路原理图
　　实验时负载电阻接15K的电阻，采样电阻RL用可调电阻，输入信号采用：频率1KHz、幅值为20MV的正弦波，实验测量采用力科7000M示波器，测量结果如下图8所示。
　　
　　图8实验测量结果
　　根据图8实验结果得到，负反馈法可以很好的解决交越失真问题，且方法简单，对电路参数要求低，效果好，可以推广到其它功率放大电路中。
　　6结论
　　论文把负反馈原理引进功率放大系统来解决交越失真问题，与传统解决交越失真的方法相比，电路复杂度远远降低，调节简单方便，同时还可以增加系统的稳定性。因此该方法具有较强的电路实用价值，在一般的功放电路设计中可以推广使用。
　　参考文献：
　　[1]康华光,陈大钦主编.电子技术基础模拟部分（第二版）[M].北京：高等教育出版社，1999.
　　[2]何金茂主编.电子技术基础实验[M].第2版.北京：高等教育出版社，1991，11~14.
　　[3]郁汗琪，施伟编.模拟电子电路实验及应用[M].南京：东南大学出版社，1995，35~38.
　　[4]高淑芳主编.模拟电子技术基础[M].西安：陕西师大出版社，1997.