甲乙类功率放大电路交越失真问题研究

2013-04-29吴天强

课程教育研究 2013年4期

吴天强

【摘要】不同的模拟电子技术教材对于甲乙类功率放大器交越失真问题有不同的表述，导致学生在该知识点的学习上存在两种分岐认识，一种观点认为交越失真可以被完全消除，另一种观点则认为交越失真只能被减少，不能被消除。文章通过分析交越失真的定义范畴，给出减少交越失真的两种方法，并指出该知识点的教学策略。

【关键词】模拟电路交越失真教学策略

【中图分类号】G71 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）04-0187-02

1.引言

关于甲乙类功率放大电路（指有合适偏置的乙类功率放大电路，又名AB类功效）交越失真的改善问题，学生在认知上存有两种分岐，一种观点认为甲乙类功放电路可以消除交越失真，相反的观点则认为甲乙类功放电路只能减小交越失真而不能消除交越失真。笔者在教学中也发现，不同的模拟电子技术教材，对于同一交越失真改善问题的描述却不尽相同，使教学产生疑惑。

通过对国内部分模电教材及国外一些经典模电教材关于交越失真的相关内容查阅后发现，在交越失真问题的表述上大致可以分为以下3种情形：

1）甲乙类功放的交越失真可以被消除[1]-[9]。

2）甲乙类功放的交越失真可以被克服、能够被减少，进而可以被消除[10]-[15]。

3）甲乙类功放的交越失真只能被减少[16]-[20]。

显然，以上三种描述存在差别，这也是导致学生对交越失真产生分岐认识的根本原因。

2.交越失真的定义

根据教材对交越失真定义表述的侧重点不同，可以分为以下2种情况：

定义1：由于三极管的死区电压的存在，信号过零时出现的失真，称交越失真。

定义2：产生于正半周与负半周过渡交换区间内的失真，称为交越失真。

仔细分析上述交越失真的定义，这两种说法在定义的内涵上存在差别，第二种产生于正半周与负半周的过渡区间的交越失真定义范畴更大一些，包括小信号时死区电压造成的明显失真，也包括较大信号时双管非理想过渡时产生的不明显的失真。

由于交越失真的定义范畴不同，致使不同教材在甲乙类功放电路改善交越失真的表述结果不一样。根据交越失真的第一种定义，给予合适偏置，避开三极管死区，交越失真被消除[21]；根据第二种定义，尽管合适的偏置较好地避免了小信号时的不足，但不能解决信号的理想过渡（圆滑交接），因而只能是减小交越失真[22][23]，若再施加负反馈则能基本消除[22]、甚至全部消除剩余的交越失真[23]。

所有被查阅的教材均一致认为小信号时交越失真更加明显，但是不同教材对交越失真定义的不同表述是引起学生在该知识点上不同认知的主要原因，在教学过程中明确这一点，有助于学生正确认识交越失真及如何改善的问题。

3.改善交越失真的方法

在模拟电子技术教学范围，用于改善交越失真的方法有两种，一种是使用合适的偏置，另一种是使用负反馈，两者各有优缺点。

合适的偏置可以减小三极管的死区电压的影响，但要注意三极管的负温度特性，往往偏置电路与未级输出管之间需要设置热耦合且在未级输出管上增加一个较小的射极电阻，以稳定电路工作状态，否则可能由于温漂而使电路无法正常工作。

负反馈方式理论上只能减小而不能消除交越失真，为了使用负反馈取得较好的效果，往往使用深度负反馈方式，这要求电路有较大的开环放大倍数。开环放大倍数越高，对交越失真抑制效果也就越好，但过高开环放大倍数的电路设置成深度闭环方式时可能引起电路工作的不稳定，特别是使用大环路反馈时，振荡的可能性增加，这是负反馈方式的不足之处。

另外，减小非线性失真是负反馈的优点之一，交越失真恰好是一种非线性失真，两者组合教学可以实现交叉教学。大多数国内模电教材中均出现了负反馈的教学内容，但基本上未提及与改善交越失真之间的联系，可以利用两者的关联来改进教学效果。

4.不对称引起的非线性失真

甲乙类功率放大电路除却上述交越失真的问题外，放大电路工作时需要双管配合完成，管子不配对则会产生上下波形不对称的情况。实际使用中，即使管子执行过配对工作，因为其配对往往只是针对某一温度下的电压或电流区域进行，而实际工作条件则是有差别的，在大功率工作时也会出现上下波形不对称现象。

图1是笔者根据8W功率放大器的电路[24]加以修改而制作的放大器实物，图2与图3是该放大器带10Ω电阻负载时测得的输出正弦电压波形，波形频率为1KHz，其电压峰峰值分别为30.8V与40.0V。

图2中的Vmax=+15.2V与Vmin=-15.6V表示输出电压幅值存在不对称，图3中的Vmax=+20.0V与Vmin= -20.0V的输出电压幅值却相同，这两者的差异表明输出不同的电压峰值时电路的放大状态存在差异，这是由于三极管的特性曲线不均匀，导致波形输出不对称。

图4是不对称波形示意图，产生这种失真的原因是由于管子的不对称；图5为典型交越失真波形。图4与图5这两种失真波形失真形成的原因是不同的。

教学上需要明确上述两种波形不对称与前面两种交越失真定义上的差别。按照定义1，图4波形不属于交越失真，因为不是管子死区电压造成的结果。由于该波形的正半周与负半周均被线性放大，只是正负半周管子的放大倍数不同，因而正负半周交越处有转折，产生了失真，故该失真属定义2范畴。

图6是用Caltek8120示波器实测图1放大器小信号输出时的正弦电压波形，频率1KHz，垂直偏转0.2V/Div，波形电压峰峰值在0.7V左右，在10Ω的电阻负载上产生正弦电流的峰峰值约70mA，相对于该放大器设置的20mA静态偏流，放大过程中应出现过零截止情况，但是图5波形是圆滑连接，不存在明显的交越失真，该结果支持在乙类放大器中施加合适的偏置、使用热耦合及施加负反馈可以基本消除交越失真的影响。

5.结束语

从工程应用看，不同教材关于交越失真的减小或消除等描述对于实际应用的影响是较小的，一是由于三极管本身存在非线性失真，当其本身的失真超过这种交越失真时，后者产生的影响变小；二是实用的放大电路几乎没有不使用负反馈来改善其放大特性，对于改善交越失真的效果来说，合适的偏置与负反馈的同时使用能取得很好的结果，使这种理论上存在的过渡区域的交越失真，在工程中也可能难于被分辨，将此不利因素控制在一种可接受的合理范围之内。在教学层面，则应以科学的态度，定义上的差异，宜加以区别。

参考文献：

[1]林家儒.电子电路基础[M].北京：北京邮电大学出版社，2004：113.

[2]郭培源.电子电路及电器件[M].北京：高等教育出版社，2004：68.

[3]吴建新.模拟电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，2005：108.

[4]邹建华，彭宽平等.电工电子技术基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2005：175.

[5]刘波粒.模拟电子技术[M].北京：国防工业出版社，2006：111.

[6]舒伟红.电子技术基础与实训[M].北京：科学出版社，2007：63.

[7]易培林.电子技术应用基础[M].北京：人民邮电出版社，2008：141.

[8]张金明.电子技术基础[M].南京：东南大学出版社，2008：174.

[9]李洁.电子技术基础[M].北京：清华大学出版，2008：71.

[10]陈大钦.模拟电子技术基础[M].武汉：武汉理工大学出版社，2001：196.

[11]陶希平.模拟电子技术基础[M].北京：化学工业出版社，2001：97.