B 类音频放大器

零件和材料

• 四节 6 伏电池
• 双运算放大器，推荐使用型号 TL082（Radio Shack 目录 # 276-1715）
• 采用 TO-220 封装的一个 NPN 功率晶体管—（Radio Shack 目录 # 276-2020 或同等产品）
• 采用 TO-220 封装的一个 PNP 功率晶体管—（Radio Shack 目录 # 276-2027 或同等产品）
• 一个 1N914 开关二极管（Radio Shack 目录号 #276-1620）
• 一个电容器，47 µF 电解电容，35 WVDC（Radio Shack 目录号 #272-1015 或同等产品）
• 两个电容器，0.22 µF，非极化（Radio Shack 目录 # 272-1070）
• 一个 10 kΩ 电位器，线性锥度（Radio Shack 目录号 #271-1715）

务必使用具有高压摆率的运算放大器 .为此，请避免使用 LM741 或 LM1458。

两个晶体管越匹配越好。如果可能，尝试获得 TIP41 和 TIP42 晶体管，它们是紧密匹配的 NPN 和 PNP 功率晶体管，每个功率晶体管的耗散额定值为 65 瓦。如果您无法获得 TIP41 NPN 晶体管，TIP3055（可从 Radio Shack 获得）是一个很好的替代品。不要使用非常大的（即 TO-3 外壳）功率晶体管，因为运算放大器可能无法将足够的电流驱动到其基极以保证良好运行。

交叉引用

电路课程 ，第 3 卷第 4 章：“双极结晶体管”

电路课程 ，第 3 卷，第 8 章：“运算放大器”

学习目标

• 说明如何使用互补双极晶体管构建“推挽”B 类放大器
• 说明“交叉失真”在推挽放大器电路中的影响
• 说明如何通过运算放大器使用负反馈来校正电路非线性

原理图

插图

说明

该项目是一个音频放大器，适用于放大来自小型收音机、磁带播放器、CD 播放器或任何其他音频信号源的输出信号。对于立体声操作，必须构建两个相同的放大器，一个用于左声道，另一个用于右声道。要获得此放大器要放大的输入信号，只需将其连接到收音机或其他音频设备的输出端，如下所示：

这个放大器电路也能很好地放大“线电平 ”来自高质量模块化立体声组件的音频信号。当通过大型扬声器播放时，它提供了惊人的声功率，并且可能在晶体管上没有散热器的情况下运行（尽管您应该在决定放弃散热器之前对其进行一些试验，因为功耗因扬声器类型而异使用）。

任何放大器电路的目标都是尽可能准确地再现输入波形。当然，完美的再现是不可能的，输出和输入波形之间的任何差异都被称为失真 .在音频放大器中，失真可能会导致令人不快的音调叠加在真实声音上。音频放大器电路有许多不同的配置，每种配置都有自己的优点和缺点。这个特殊的电路被称为“B 类”，推挽 电路。

大多数音频“功率 ”放大器使用 B 类配置，其中一个晶体管在波形周期的一半（它推动 ) 和第二个晶体管在另一半周期为负载供电（它拉动 ）。在这个方案中，两个晶体管都保持“导通 ” 整个周期，让每个人有时间“休息 ”并在波形周期中冷却。这构成了功率效率高的放大器电路，但会导致一种独特类型的非线性，称为“交叉失真 .”

此处显示的是正弦波形，相当于恒定音量的恒定音频音调：

在推挽放大器电路中，两个晶体管轮流放大波形的交替半周期，如下所示：

如果“移交 ”虽然两个晶体管之间没有精确同步，但放大器的输出波形可能看起来像这样，而不是纯正弦波：

此处，失真是由于一个晶体管关闭和另一个晶体管开启之间存在延迟这一事实造成的。这种类型的失真，其中波形“变平 ”在正负半周之间的交叉点，称为交叉失真 .减轻交叉失真的一种常见方法是偏置晶体管，使其导通/关断点实际上重叠，以便两者 晶体管在交叉期间短暂地处于导通状态：

这种放大形式在技术上称为 AB 类 而不是 B 类，因为每个晶体管都“on ” 在一个完整的波形周期中超过 50% 的时间。然而，这样做的缺点是增加了放大器电路的功耗，因为在两个晶体管都导通的时刻，有电流通过不的晶体管传导 通过负载，但只是从一个电源轨“短路”到另一个（从 -V 到 +V）。

这不仅浪费能量，而且会在晶体管中耗散更多的热能。当晶体管温度升高时，它们的特性会发生变化（Vbe 正向压降、β、结电阻等），使得适当的偏置变得困难。

在这个实验中，晶体管以纯 B 类模式运行。也就是说，它们永远不会同时进行。这可以节省能源并减少散热，但会导致交叉失真。该电路采用的解决方案是使用带负反馈的运算放大器来快速驱动晶体管通过“死 ”区域产生交叉失真并减少“扁平化的数量 ”交叉时的波形。

示意图中显示的第一个（最左侧）运算放大器只不过是一个缓冲器。缓冲器有助于减少输入电容/电阻网络的负载，该网络已放置在电路中以滤除输入信号中的任何直流偏置电压，防止任何直流电压被电路放大并发送到扬声器可能会造成损坏的地方。

如果没有缓冲运算放大器，电容/电阻滤波电路会降低低频（“bass ”）放大器的响应并突出高频（“高音 ”).

第二个运算放大器用作反相放大器，其增益由 10 kΩ 电位器控制。这无非是为放大器提供音量控制。通常，反相运算放大器电路的反馈电阻直接从运算放大器输出端连接到反相输入端，如下所示：

但是，如果我们使用产生的输出信号来驱动推挽晶体管对的基极端子，我们会遇到明显的交叉失真，因为会有一个“死 ”晶体管工作中的区域，因为基极电压从 + 0.7 伏变为 - 0.7 伏：

如果您已经构建了最终形式的放大器电路，您可以将其简化为这种形式并聆听音质的差异。如果您还没有开始构建电路，上面显示的原理图将是一个很好的起点。它会放大音频信号，但听起来很可怕！

交叉失真的原因是，当运算放大器输出信号介于 + 0.7 伏和 - 0.7 伏之间时，两个晶体管都不会导通，对于整个 1.4 伏基极跨度，扬声器的输出电压将为 0 伏电压摆幅。因此，有一个“区域 ”在扬声器输出电压不会发生变化的输入信号范围内。这是通常在电路中引入复杂偏置技术的地方，以减少这个 1.4 伏的“间隙 ” 在晶体管输入信号响应中。通常，这样做是这样的：

两个串联的二极管将下降约 1.4 伏，相当于两个晶体管的 Vbe 正向压降的总和，从而导致当输入信号为零伏时，每个晶体管都处于导通的边缘，从而消除了1.4 伏“死 ”之前存在的信号区。

然而不幸的是，这种解决方案并不完美：随着晶体管因向负载传导功率而发热，它们的 Vbe 正向压降将从 0.7 伏降至更低，例如 0.6 伏或 0.5 伏。二极管由于不传导任何大量电流而不会受到相同的热效应，因此不会经历相同的正向压降变化。

因此，即使晶体管由于发热而需要较少的偏置电压，二极管仍将继续提供相同的 1.4 伏偏置电压。结果将是电路漂移到 AB 类操作，其中 both 晶体管将在部分时间处于导通状态。这当然会导致更多的晶体管散热，加剧正向压降变化的问题。

此问题的常见解决方案是插入温度补偿“反馈 ”推挽晶体管电路发射极脚的电阻：

该解决方案不会阻止两个晶体管同时导通，而只会降低问题的严重性并防止热失控。它还具有在负载电流路径中插入电阻的不利影响，限制放大器的输出电流。我在这个实验中选择的解决方案是利用运算放大器负反馈的原理来克服推挽晶体管输出电路的固有局限性。我使用一个二极管为推挽对提供 0.7 伏偏置电压。这不足以消除“死 ” 信号区，但至少减少了 50%：

由于单个二极管的压降始终小于两个晶体管的基极-发射极结的总压降，因此晶体管永远不会同时导通，从而阻止了 AB 类操作。接下来，为了帮助消除剩余的交叉失真，运放的反馈信号是从放大器的输出端（晶体管的发射极端）获取的，如下所示：

运算放大器的功能是输出它必须输出的任何电压信号，以使其两个输入端子保持相同的电压（0 伏差分）。通过将反馈线连接到推挽晶体管的发射极端，运算放大器能够感应任何“死 ”区域，在两个晶体管都不导通的情况下，向晶体管的基极输出适当的电压信号，以快速驱动它们再次导通以“保持 ”与输入信号波形。

这需要具有高转换率的运算放大器 （产生快速上升或快速下降的输出电压的能力），这就是 TL082 该电路指定了运算放大器。较慢的运算放大器，例如 LM741 或 LM1458 可能跟不上dv/dt （电压随时间的变化率，也称为 de/dt ) 低失真操作所必需的。

该电路只添加了几个电容器以使其成为最终形式：一个与二极管并联的 47 µF 电容器有助于保持 0.7 伏偏置电压恒定，尽管运算放大器的输出电压波动很大，而一个连接在 NPN 晶体管的基极和发射极之间的 0.22 µF 电容器有助于减少低音量设置下的交叉失真：

相关工作表：

• B类BJT放大器工作表