乙类推挽功率放大电路的工作原理

什么是推挽电路？

　　推挽电路（push-pull）就是两不同极性晶体管连接的输出电路。推挽电路采用两个参数相同的功率BJT管或MOSFET管，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。推挽输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。如果输出级的有两个三极管，始终处于一个导通、一个截止的状态，也就是两个三级管推挽相连，这样的电路结构称为推拉式电路或图腾柱（Totem-pole）输出电路。

推挽电路的作用

在一般推挽电路中，比如输出级，电路的工作是，把输入信号放大。而完成电路工作，但一般推挽电路用同级性元件（晶体管或电子管）为了实现输出级元件轮流导通，必须激励大小相等，相位相反的两个信号，即所谓的倒相问题，完成倒相可用电路，可用电感原件（变压器）但这无不增加了电路的复杂性，可靠性。互补电路可克服用单极性原件出现的上述问题。电路工作时双极性原件轮流导通，亦可省去倒相或简化电路，这样电路的稳定性可相应提高。比如当输入信号为正时，双极性中的NPN管导通PNP由于极性自动截止，当电路输入信号为负时，PNP管导通NPN管截止。不管信号如何变化都能自动完成导通于截止而完成电路工作。

推挽电路的优缺点

　　优点是：结构简单，开关变压器磁芯利用率高，推挽电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小。

　　缺点是：变压器带有中心抽头，而且开关管的承受电压较高；由于变压器原边漏感的存在，功率开关管关断的瞬间，漏源极会产生较大的电压尖峰，另外输入电流的纹波较大，因而输入滤波器的体积较大。

推挽电路工作原理

　　在讲推挽电路工作原理之前，首先介绍功放的一些基本知识。从能量控制的观点看，功放电路和电压放大电路没有本质区别，但后者的要求是使负载得到不失真的电压信号，而前者的要求是获得一定的不失真的输出功率。在放大电路中，输入信号在整个周期内都有电流流过，称为甲类放大;如果只有大半个周期有电流流过，称为甲乙类放大;如果只有半个周期电流流过，称为乙类放大。

　　如果输出级的有两个三极管，始终处于一个导通、一个截止的状态，也就是两个三级管推挽相连，这样的电路结构称为推拉式电路或图腾柱（Totem-pole）输出电路。

　　当输出低电平时，也就是下级负载门输入低电平时，输出端的电流将是下级门灌入T4；当输出高电平时，也就是下级负载门输入高电平时，输出端的电流将是下级门从本级电源经 T3、D1 拉出。这样一来，输出高低电平时，T3 一路和 T4 一路将交替工作，从而减低了功耗，提高了每个管的承受能力。又由于不论走哪一路，管子导通电阻都很小，使 RC 常数很小，转变速度很快。因此，推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。　推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制，总是在一个三极管导通的时候另一个截止。要实现线与需要用 OC（open collector）门电路。

四类互补推挽式功率放大电路分析

　　甲类工作状态晶体管存在问题 → 乙类工作状态晶体管管耗小效率高（但存在非线性，即交越失真） → 甲乙类工作状态晶体管（但存在功率管匹配异型困难） → 准互补对称放大电路（OCL） → 单电源互补功率放大电路（OTL） → 变压器耦合功率放大电路

1、互补对称式乙类功率放大电路

　　1.结构

　　图9.1（a）所示电路采用两个NPN和PNP管各一只，且特性对称，组成互补对称式射极输出器。简称OCL电路，意为无输出耦合电容。

　　2.工作原理

　　静态时：u i =0 → I C2 = I C2 =0 （乙类工作状态） → u o =0 。

　　动态时：u i 》0 → VT2导通，VT3截止 → i o = i C2 ；

　　u i 《0 → VT3导通，VT2截止 → i o =− i C3 。

　　特点：

　　（1） I BQ 、 I CQ 等于零。

　　（2）两管均工作半个周期。

　　3.分析计算

　　（1）输出功率

　　由电路可知，输出电压 U o 变化范围为：2（ U CC − U ces ）=2 I CM × R L

　　若忽略管子饱和压降 U ces ，则：

　　输出电流最大值 I CM = U CC R L

　　输出电压最大值 U CM = U CC

　　输出最大功率 P OM = I CM 2 × U CM 2 = U CC 2 R L × U CC 2 = U CC 2 2 R L

　　（2）直流电源供给的功率

　　因为两管各导通半个周期（不考虑失真），每个电源只提供半个周期的电流，且每管电流平均值为

　　I C = 1 2π ∫ 0 π i C2 d（ω t） = 1 2π ∫ 0 π I CM sin⁡（ω t）d（ω t） = 1 2π U CC R L ［ −cos⁡ω  t ］ 0 π = 1 2π U CC R L ×2= 1 π U CC R L

　　所以，总功率为 P V =2 I C U CC = 2 π U CC 2 R L

　　（3）效率

　　η= P OM P V = π 4 =78.5%

　　（4）晶体管耗散功率

　　2 P T = P V − P OM = 2 π U CC I CM − 1 2 U CC I CM = 2 U CC U CM π R L − U CM 2 2 R L

　　将上式对 U CM 求导并令其为零，得：

　　d P T d U CM = 2 U CC π R L − U CM R L =0

　　即 U CM = 2 π U CC ≈0.64 U CC

　　代入上式，可求得最大管耗

　　2 P T = 2 U CC π R L 2 U CC π − 1 2 R L （ 2 U CC π ） 2 = 4 π 2 U CC 2 2 R L = 4 π 2 P OM ≈0.4 P OM

　　4.缺点

　　电路存在交越失真。如图9.1（b）图所示，是由于三极管的死区电压所造成，属非线性失真。