电子技术——B类输出阶

下图展示了一个B类输出阶的原理图，B类输出阶由两个互补的BJT组成，不同时导通。

B类输出阶

原理

当输入电压 $v_I = 0$ 的时候，两个晶体管都截止输出电压为零。当 $v_I$ 上升至超过+0.5V的时候，此时 $Q_N$ 导通，此时 $Q_N$ 作为射极跟随器。 $v_O = v_I - v_{BEN}$ 跟随电压 $v_I$ ，由 $Q_N$ 提供负载电流。同时 $Q_P$ 处于反向截止状态。

当 $v_I$ 下升至超过-0.5V的时候，此时 $Q_P$ 导通，此时 $Q_P$ 作为射极跟随器。 $v_O = v_I + v_{EBP}$ 跟随电压 $v_I$ ，由 $Q_P$ 提供负载电流。同时 $Q_N$ 处于反向截止状态。

B类输出阶的偏置电流为零，并且晶体管只在信号输入的时候导通，该电路也称为 推挽电路 ： $Q_N$ 负责正向时向 $R_L$ 推电流，而 $Q_P$ 负责负向的时候拉电流。

传导特性

下图是B类输出阶的传递曲线：

传导特性

图中在零点的附近存在一段两个晶体管同时截止的区域，此时输出电压为零。我们称这段区域为死区，这个现象称为 交越失真 ，其输出波形如下：

尤其是小信号输出的时候，交越失真的现象就会特别明显，对于音频系统会产生杂音。

能量转换效率

为了计算能量转换效率，我们忽略交越失真，并且输出是一个峰值为 $\hat{V_o}$ 的正弦信号，则负载的平均功率为：

$P_L = \frac{1}{2}\frac{\hat{V_o}^2}{R_L}$

两个电压源的输出电流都是峰值为 $\hat{V_o} / \pi R_L$ 的半波，因此两个电压源的输出功率为：

$P_{S+} = P_{S-} = \frac{1}{\pi} \frac{\hat{V_o}}{R_L} V_{CC}$

总电压源功率为：

$P_S = \frac{2}{\pi} \frac{\hat{V_o}}{R_L} V_{CC}$

则能量转换效率为：

$\eta = (\frac{1}{2} \frac{\hat{V_o}^2}{R_L}) / (\frac{2}{\pi}\frac{\hat{V_o}}{R_L}V_{CC}) = \frac{\pi}{4} \frac{\hat{V_o}}{V_{CC}}$

当 $\hat{V_o} \simeq V_{CC}$ 的时候功率达到最大值为：

$\eta_{max} = \frac{\pi}{4} = 78.5\%$

这个值远高于A类输出阶的最大能量转换效率，并且此时负载达到最大功率：

$P_{Lmax} = \frac{1}{2}\frac{V_{CC}^2}{R_L}$

耗散功率

不像A类输出阶在静态点处耗散功率最大，B类输出阶在静态点处耗散功率为零，当输入信号的时候，平均耗散功率为：

$P_D = P_S - P_L = \frac{2}{\pi} \frac{\hat{V_o}}{R_L} V_{CC} - \frac{1}{2}\frac{\hat{V_o}^2}{R_L}$

由于电路的对称性我们知道， $Q_N$ 和 $Q_P$ 均使用一半的耗散功率 $\frac{1}{2}P_D$ 。因为 $P_D$ 依赖于 $\hat{V_o}$ ，我们可以求得 $P_D$ 的最大值，上式是一个二次函数，在：

$\hat{V_o} |_{P_{Dmax}} = \frac{2}{\pi} V_{CC}$

处达到最大值为：

$P_{Dmax} = \frac{2V_{CC}^2}{\pi^2R_L}$

能量转换效率为：

$\eta = 50\%$

下图描述了B类输出阶的耗散功率曲线：

B类输出阶的耗散功率曲线
这样的曲线通常在IC类放大器的datasheet中给出。我们发现当输出电压超过 $\frac{2}{\pi} V_{CC}$ 的时候，随着输出电压的增大，耗散功率减小。但是带来的代价是增大了非线性失真，由于跟随器的单位增益，这个非线性失真无法用负反馈消除，因此对于THD较小的设备通常选择较小的输出电压。