甲乙類功率放大電路交越失真問題研究

吳天強

【摘要】不同的模擬電子技術教材對于甲乙類功率放大器交越失真問題有不同的表述，導致學生在該知識點的學習上存在兩種分岐認識，一種觀點認為交越失真可以被完全消除，另一種觀點則認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，并指出該知識點的教學策略。

【關鍵詞】模擬電路 交越失真 教學策略

【中圖分類號】G71 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）04-0187-02

1.引言

關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，學生在認知上存有兩種分岐，一種觀點認為甲乙類功放電路可以消除交越失真，相反的觀點則認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。筆者在教學中也發現，不同的模擬電子技術教材，對于同一交越失真改善問題的描述卻不盡相同，使教學產生疑惑。

通過對國內部分模電教材及國外一些經典模電教材關于交越失真的相關內容查閱后發現，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，這也是導致學生對交越失真產生分岐認識的根本原因。

2.交越失真的定義

根據教材對交越失真定義表述的側重點不同，可以分為以下2種情況：

定義1：由于三極管的死區電壓的存在，信號過零時出現的失真，稱交越失真。

定義2：產生于正半周與負半周過渡交換區間內的失真，稱為交越失真。

仔細分析上述交越失真的定義，這兩種說法在定義的內涵上存在差別，第二種產生于正半周與負半周的過渡區間的交越失真定義范疇更大一些，包括小信號時死區電壓造成的明顯失真，也包括較大信號時雙管非理想過渡時產生的不明顯的失真。

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果不一樣。根據交越失真的第一種定義，給予合適偏置，避開三極管死區，交越失真被消除[21]；根據第二種定義，盡管合適的偏置較好地避免了小信號時的不足，但不能解決信號的理想過渡（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為小信號時交越失真更加明顯，但是不同教材對交越失真定義的不同表述是引起學生在該知識點上不同認知的主要原因，在教學過程中明確這一點，有助于學生正確認識交越失真及如何改善的問題。

3.改善交越失真的方法

在模擬電子技術教學范圍，用于改善交越失真的方法有兩種，一種是使用合適的偏置，另一種是使用負反饋，兩者各有優缺點。

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

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

另外，減小非線性失真是負反饋的優點之一，交越失真恰好是一種非線性失真，兩者組合教學可以實現交叉教學。大多數國內模電教材中均出現了負反饋的教學內容，但基本上未提及與改善交越失真之間的聯系，可以利用兩者的關聯來改進教學效果。

4.不對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，放大電路工作時需要雙管配合完成，管子不配對則會產生上下波形不對稱的情況。實際使用中，即使管子執行過配對工作，因為其配對往往只是針對某一溫度下的電壓或電流區域進行，而實際工作條件則是有差別的，在大功率工作時也會出現上下波形不對稱現象。

圖1是筆者根據8W功率放大器的電路[24]加以修改而制作的放大器實物，圖2與圖3是該放大器帶10Ω電阻負載時測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電路的放大狀態存在差異，這是由于三極管的特性曲線不均勻，導致波形輸出不對稱。

圖4是不對稱波形示意圖，產生這種失真的原因是由于管子的不對稱；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。

教學上需要明確上述兩種波形不對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，因為不是管子死區電壓造成的結果。由于該波形的正半周與負半周均被線性放大，只是正負半周管子的放大倍數不同，因而正負半周交越處有轉折，產生了失真，故該失真屬定義2范疇。

圖6是用Caltek8120示波器實測圖1放大器小信號輸出時的正弦電壓波形，頻率1KHz，垂直偏轉0.2V/Div，波形電壓峰峰值在0.7V左右，在10Ω的電阻負載上產生正弦電流的峰峰值約70mA，相對于該放大器設置的20mA靜態偏流，放大過程中應出現過零截止情況，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反饋可以基本消除交越失真的影響。

5.結束語

從工程應用看，不同教材關于交越失真的減小或消除等描述對于實際應用的影響是較小的，一是由于三極管本身存在非線性失真，當其本身的失真超過這種交越失真時，后者產生的影響變小；二是實用的放大電路幾乎沒有不使用負反饋來改善其放大特性，對于改善交越失真的效果來說，合適的偏置與負反饋的同時使用能取得很好的結果，使這種理論上存在的過渡區域的交越失真，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。在教學層面，則應以科學的態度，定義上的差異，宜加以區別。

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