AB類功率放大器輸出級(jí)的計(jì)算機(jī)仿真

周 晶

（中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院，400016）

AB類功率放大器輸出級(jí)的計(jì)算機(jī)仿真

周 晶

（中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院，400016）

根據(jù)AB類功率放大基本電路，結(jié)合SABER軟件仿真分析了交越失真產(chǎn)生原因、不同負(fù)載的失真以及同時(shí)說明了如何用仿真進(jìn)行改善電路設(shè)計(jì)，給出了調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)和消除交越失真的方法。

失真；推挽；計(jì)算機(jī)仿真

0 引言

在工程應(yīng)用中我們常常會(huì)用到功率放大電路，把直流電源供給的能量轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)能量輸出,用以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。根據(jù)對(duì)輸出量的不同要求，可以構(gòu)成如電壓放大、電流放大或功率放大等不同功能的放大電路。其中功率放大電路需要向負(fù)載提供一個(gè)較大的、低失真驅(qū)動(dòng)功率，常見的功率放大器按晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)Q在交流負(fù)載線上的位置不同，可以分為A類、B類、C類以及AB類。相比而言，AB類具有低失真、高轉(zhuǎn)換效率的特點(diǎn)，因而更適合作線性功率放大器。本文利用Saber軟件對(duì)AB類功率放大器常見的三種推挽式輸出級(jí)電路進(jìn)行仿真，分析了參數(shù)的選取對(duì)輸出性能的影響，從而為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 SABER軟件

Saber模擬及混合信號(hào)仿真軟件是美國(guó)Synopsys公司的一款多技術(shù)、多領(lǐng)域的EDA軟件，為復(fù)雜的混合信號(hào)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的混合信號(hào)仿真器，兼容模擬、數(shù)字、控制量的混合仿真，可用于電子、電力電子、機(jī)電一體化、機(jī)械、光電、光學(xué)、控制等不同類型系統(tǒng)構(gòu)成的混合系統(tǒng)仿真。Saber模擬及混合信號(hào)仿真軟件包括SaberSketch和SaberDesigner兩部分。SaberSketch用于繪制電路圖，而SaberDesigner用于對(duì)電路仿真模擬，模擬結(jié)果可在SaberScope和DesignProbe中查看。

圖1 三種推挽式輸出仿真圖

通過Saber可以對(duì)電路設(shè)計(jì)前期進(jìn)行原理驗(yàn)證，指導(dǎo)器件選型，并可以模擬產(chǎn)品的溫度變化、噪聲、參數(shù)漂移、元器件的容差

等實(shí)際的工作特性。根據(jù)仿真分析進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，如實(shí)現(xiàn)最壞情況分析等分析項(xiàng)目。可見，通過先進(jìn)的仿真軟件，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2 計(jì)算機(jī)仿真

2.1 推挽式輸出級(jí)電路簡(jiǎn)介

推挽式輸出通常使用NPN型管和PNP型管，兩管的基級(jí)和發(fā)射極相互連接在一起，連接負(fù)載電阻。信號(hào)從基極輸入，從射級(jí)輸出，兩個(gè)管工作在乙類放大狀態(tài)，一個(gè)在正半周工作，一個(gè)在負(fù)半周工作，這樣在負(fù)載上得到一個(gè)完整的波形。實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)時(shí)管子不取電流，當(dāng)有信號(hào)時(shí)，兩個(gè)管輪流導(dǎo)電，組成推挽式電路。由于沒有直流偏置，NPN的硅管VBE電壓通常0.6V，PNP的鍺管VBE電壓通常0.2V，當(dāng)輸入信號(hào)低于這個(gè)數(shù)值，兩個(gè)管都截止，負(fù)載上無電流通過，因此出現(xiàn)一段死區(qū)，即交越失真。可見推挽式輸出雖然提高了電源效率，但是容易出現(xiàn)嚴(yán)重的波形失真。圖1列舉了常見三種推挽式輸出級(jí)，采用雙電源。通過偏置電路來克服交越失真，如圖2所示。

圖2 交越失真

另外，線性功率放大器的總諧波失真（THD)，主要是由功率管的非線性、靜態(tài)工作點(diǎn)和信號(hào)過大而引起的，屬于一種非線性失真。在實(shí)際應(yīng)用中，線性功放的總諧波失真應(yīng)越小越好。通過仿真分別驗(yàn)證放大功率管的特性、靜態(tài)工作點(diǎn)、信號(hào)大小對(duì)總諧波失真指標(biāo)的影響，從而調(diào)整使不同輸出功率下總諧波失真小。

2.2 交越失真調(diào)整

如圖1所示的三種推挽式輸出級(jí)，圖a利用三極管提供偏置，圖b利用二極管，在靜態(tài)時(shí)產(chǎn)生壓降為放大功率管提供適當(dāng)?shù)钠珘海怪幱谖?dǎo)通狀態(tài)。這兩種方法缺點(diǎn)是偏置電壓不易調(diào)節(jié)，受溫度影響，調(diào)整范圍受限。如圖b可以更換二極管或多個(gè)肖特基串聯(lián)來進(jìn)行微調(diào)。圖c通過VBE擴(kuò)大電路進(jìn)行偏置，可以通過調(diào)節(jié)偏置電阻的比值，改變放大功率管的偏壓值。圖3為根據(jù)選擇的放大功率管所進(jìn)行的偏置電壓設(shè)置仿真過程，可見通過合理設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)，可以有效地消除交越失真。

圖3 失真波形調(diào)整

2.3 負(fù)載對(duì)失真影響的仿真

在仿真時(shí)為輸出足夠大的功率，功率放大電路的輸出電壓、電流幅度都比較大，因此，功率放大管的動(dòng)態(tài)工作范圍很大，功放管中的電壓、電流信號(hào)都是大信號(hào)狀態(tài)，仿真時(shí)不超過極限參數(shù)為限度，進(jìn)行降額。圖4通過對(duì)VBE擴(kuò)大電路型推挽式輸出電路進(jìn)行不同負(fù)載下仿真，建立對(duì)應(yīng)的靜態(tài)工作點(diǎn)，可以得出功率放大管工作情況，放大功率管的特性，分析不同負(fù)載效應(yīng)下的交越失真。圖5例舉了負(fù)載100Ω、1kΩ時(shí)波形對(duì)比情況，可以看出在該情況下，不同輸出負(fù)載對(duì)交越失真的影響較小，由于輸出電流不同，功率管輸出電壓隨著負(fù)載加重幅值降低。通過調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)，消除交越失真后，得到最大不失真電路。

圖4 調(diào)整負(fù)載

圖5 不同負(fù)載對(duì)應(yīng)波形

2.4 總諧波失真的仿真

通常輸出信號(hào)會(huì)比輸入信號(hào)多出額外的諧波成分，影響輸出

效果。為了輸出更大數(shù)值的功率，需降低總諧波失真。波形失真的原因和種類有很多，主要有諧波失真、互調(diào)失真、瞬態(tài)失真等。輸出級(jí)的非線性是輸出失真的主要來源。下面列舉了由于偏置點(diǎn)設(shè)置不合理而導(dǎo)致的波形失真的一種仿真結(jié)果，可以看出按照?qǐng)D6進(jìn)行工作點(diǎn)調(diào)整，波形正方向開始出現(xiàn)削波，從而使輸出具有直流分量。隨著驅(qū)動(dòng)負(fù)載的加重，總諧波失真會(huì)增大。

圖6 工作點(diǎn)調(diào)整

圖7 頂部失真波形

3 結(jié)論

本文首先分析常見AB類功率放大器輸出級(jí)的放大原理，使用Saber分別進(jìn)行繪制電路圖，并結(jié)合仿真分析電路，重點(diǎn)進(jìn)行失真分析，對(duì)各種AB類功率放大器輸出級(jí)的性能進(jìn)行比較。通過用仿真軟件對(duì)AB類功率放大器輸出級(jí)仿真其實(shí)際效果，通過不同狀態(tài)性能的分析，靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)整，為實(shí)際功率放大器的設(shè)計(jì)提供合理依據(jù)。

功率放大器在現(xiàn)實(shí)中有廣泛的應(yīng)用，對(duì)功率放大器的性能進(jìn)行分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。數(shù)字化產(chǎn)品的廣泛普及和數(shù)字化的發(fā)展方向?qū)Ψ烹娐诽岢隽烁叩囊蟆ＶC波失真在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)變化、能長(zhǎng)時(shí)間安全工作時(shí)輸出的最大功率稱為最大輸出功率。通常測(cè)量的是不失真時(shí)最大輸出功率。可見失真的改善有益于輸出功率的提升。如何實(shí)現(xiàn)功率放大器高效率、高線性且低失真的工作值得更深入的研究。

[1] 康華光主編，電子技術(shù)基礎(chǔ)：模擬部分（第四版），高等教育出版社（北京），2000:205-207.

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Class AB amplifier output power level of the computer simulation

Zhou Jing
(Logistic Engineering University of PLA，chungking，400016)

According to the fundamental class AB power amplifier circuit,combined with the SABER software simulation analyses the causes in the distortion,the distortion of different load,and also explains how to use the simulation to improve the circuit design,adjust the static working point is given and the elimination of hand in the distortion of the method.

distortion;Push pull;The computer simulation