互补对称放大电路
互补对称功率放大电路克服交越失真
互补对称功率放大电路克服交越失真随着现代通信技术的快速发展，射频功率放大器在通信系统中起着至关重要的作用。
然而，传统的单端功率放大器在处理高频信号时往往会出现交越失真的问题，这对通信系统的性能和稳定性带来了挑战。
为了克服这一问题，互补对称功率放大电路被广泛研究和应用。
互补对称功率放大电路采用了NPN晶体管和PNP晶体管相结合的方式，利用它们互补对称的特性可以有效地抑制交越失真，提高功率放大器的线性度和稳定性。
针对这一主题，本文将着重介绍互补对称功率放大电路克服交越失真的原理和优势，并结合具体的实验数据和案例进行探讨，旨在全面深入地了解互补对称功率放大电路的工作原理和实际应用。
1. 互补对称功率放大电路的原理互补对称功率放大电路是利用NPN晶体管和PNP晶体管的互补对称特性，将它们灵活地组合在一起，以实现正半周和负半周信号的放大。
在这种电路结构中，NPN晶体管和PNP晶体管分别承担正负信号的放大任务，可以实现信号的互补放大和恢复，从而有效地抑制了交越失真。
2. 互补对称功率放大电路的优势互补对称功率放大电路相比传统的单端功率放大器具有诸多优势：1) 有效抑制了交越失真。
由于互补对称功率放大电路采用了NPN和PNP晶体管的互补对称结构，可以在一定程度上抵消NPN和PNP晶体管的非线性特性，从而有效地抑制了交越失真的发生，提高了功率放大器的线性度和稳定性。
2) 提高了整体的效率。
由于互补对称功率放大电路能够实现信号的互补放大和恢复，可以提高功率放大器的整体效率，减少功率损耗，提高系统的能效比。
3) 扩展了功率放大器的应用范围。
互补对称功率放大电路不仅可以用于射频功率放大器，还可以应用于音频功率放大器以及其他需要高稳定性和线性度的放大器中，具有较广泛的应用前景。
3. 实验数据和案例分析为了验证互补对称功率放大电路的性能优势，我们进行了一系列的实验和案例分析。
通过对比传统的单端功率放大器和互补对称功率放大电路在不同频率和功率下的输出波形和失真程度，我们发现了以下几点：1) 在高频信号下，互补对称功率放大电路能够有效地抑制交越失真，输出波形更为清晰，失真程度更低。
互补对称功率放大电路消除交越失真 -回复
互补对称功率放大电路消除交越失真-回复中括号内的内容为主题，写一篇1500-2000字文章，一步一步回答: 互补对称功率放大电路（Complementary Symmetry Power Amplifier, CSP）是一种常用的功率放大器设计方案，能够有效地消除交叉失真（Cross-over Distortion），提供高质量的音频放大效果。
本文将一步一步地介绍互补对称功率放大电路的原理和设计步骤，以及它是如何消除交叉失真的。
【第一步：互补对称功率放大电路的原理】互补对称功率放大电路的原理基于NPN型晶体管和PNP型晶体管的互补驱动。
它使用两个互补驱动晶体管，一个用于放大输入信号的正半周，另一个用于放大输入信号的负半周，从而实现高效的功率放大。
互补对称功率放大电路通常由三个主要部分组成：输入级别（input stage）、驱动级别（driver stage）和输出级别（output stage）。
输入级别负责将音频信号转换为电流。
通常采用差动放大器电路，以保证输入信号的高准确度和低失真度。
输入级别的输出信号进入驱动级别。
驱动级别用于增强输入级别的信号，并将其传递给输出级别。
驱动级别通常由多级放大器组成，以提供足够的放大和驱动能力。
它的输出信号进入输出级别。
输出级别负责将驱动级别的高电压、高电流信号转换为音频输出信号。
输出级别通常采用互补对称结构，其中NPN型和PNP型晶体管交替工作。
这种结构使得输出级别能够提供高电压放大和高电流驱动能力。
【第二步：交叉失真的产生和性质】交叉失真是由于互补对称功率放大电路在NPN型晶体管和PNP型晶体管之间的开关转换时，存在的瞬态过程造成的。
在信号切换时，由于晶体管的开关失真，导致输出电流在两个晶体管之间短暂地消失，从而在音频信号的过渡区域产生交叉失真。
交叉失真主要表现为输入信号的零点附近出现的非线性失真。
它会导致音频信号的畸变和谐波失真，降低音频设备的音质。
【第三步：如何消除交叉失真】互补对称功率放大电路可以通过一些设计和优化来有效地消除交叉失真。
第二节-互补对称式功率放大电路
D2
R2
iL
T2 RL
UL
-USC
27
动态时
设 ui 加入正弦信号。
正半周， T2 截止，T1 基极 电位进一步提高，进入良 好的导通状态；负半周， T1截止，T2 基极电位进一 R1 D1 ui T1
+USC
步提高，进入良好的导通
+USC T1
ic1
iL RL T2
uo
ui 0V
ic2
-USC
T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方 式，称为乙类放大。
24
乙类放大的输入输出波形关系: ui t 死区电压 u´ o ´ t u"o ui T2 iL RL uo T1
+USC
t
uo t 交越失真
-USC
交越失真：输入信号 ui在过零 前后，输出信号出现的失真便 为交越失真。
ui
U SC 2
t
ULmax t
uL
PL max π 78.5% PE 4 16
一、 电路组成和工作原理
1. OTL乙类互补对称电路 R1 和 R2确定放大电路的 静态电位。 调整R1 和 R2的值，使静态时 两管的发射极电位为 VCC
2
+VCC
R1
VT1
uI C1+
VT2 R2
NPN C + 2PNP
6
交流通道
ui
Rb1 T1 Re T2
iL
USC
RL
输入信号正半周，T1导通，T2截止
Rb2
ui>0
ui<0 u i
第二节-互补对称式功率放大电路资料
π
RL
4= 78.5% 与OCL一样
25
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第二节 互补对称式功率放大电路
（3）功率三极管的极限参数 ▼ 集电极最大允许电流ICM
Icm
VCC
UCES RL
VCC RL
Icm
VCC
/ 2 UCES RL
VCC 2 RL
ICM
VCC 2 RL
▼ 集电极最大允许反向电压U(BR)CEO
3．对于OCL或OTL电路，当负载电阻 减小时，最大输出功率( 增加 ) 。 4．当功率管的饱和压降VCES增大时， 各 指 标 的 变 化 为 Pomax( 减小 ) ， ηmax( 减小 )。
ηmax =
pomax = π pVmax 4
V2 om max VCC2
28
第二节 互补对称式功率放大电路
（2）效率
当输出最大功率时，放大电路的效率等于最大输
出功率Pom与直流电源提供的功率PV之比。
PV =
VCC
×
1 π
π
0 Icmsinωtd(ωt) =
2VπCCIcm≈
2V2CC πRL
当忽略饱和管压降UCES 时，OCL乙类和甲乙类互补 对称电路的效率为
η=
Pom PV
≈
π 4= 78.5%
如果考虑三极管的饱和管压降UCES ，则OCL乙类和 甲乙类互补对称电路的效率将低于此值。
则：Vom
=
2 π VCC
0.6VCC
即VOm= 0.6VCC时PT1最大，所以每管的最大管耗为
PT1m
=
1 VCC2 π2 RL
0.2Pom
注：Pom
VCC2 2RL
15-3互补对称功率放大电路
c1
T2 i RL c2
+ uo –
–UCC OCL原理电路
OCL 电路和 OTL 电路的比较
OCL 电源 信号 频率响应 电路结构
2
OTL 单电源 交流 fL 取决于输出耦合电容 C 较复杂
2
双电源 交、直流 好 较简单
Pomax
1 U om 1 V CC 2 RL 2 RL
1 U om 1 V 2CC 2 RL 8 RL
2
二、复合管互补对称放大电路
1. 复合管(达林顿管) 目的：实现管子参数的配对
(1 + 2 + 12) ib1 1 ib1 ib1 V1 ib ie ic
2(1+1) ib1
V2
1 2
rbe= rbe1+ (1 + 1) rbe2 (1 + 1) (1 + 2) ib1 = (1 + 1 + 2+ 12) ib1
2 VCCVom Vom PT = PV PO ( ) RL 4
对一只三极管:
2
PTmax 0.2 Pomax
甲乙类互补对称功率放大电路
乙类放大的的交越失真 ui
t 死区电压 T1 +USC
u´ o ´ t
u"o t
ui
T2
iL RL -USC
uo
uo
t 交越失真
交越失真：输入信号 ui在过零 前后，输出信号出现的失真便 为交越失真。
乙类：静态电流为0，BJT
只在正弦信号的半个周期
内均导通。
晶体管的工作状态
IC Q
O
iC
UCE
O
互补对称功率放大电路解读
互补对称功率放大电路
互补对称功率放大功率放大电路的特点及类型
1.功率放大电路的特点
功率放大电路的任务是向负载提供足够大的功率,这就要求①功率放大电路不仅要有较高的输出电压,还要有较大的输出电流.因此功率放大电路中的晶体管通常工作在高电压大电流状态,晶体管的功耗也比较大.对晶体管的各项指标必须认真选择,且尽可能使其得到充分利用.因为功率放大电路中的晶体管处在大信号极限运用状态,②非线性失真也要比小信号的电压放大电路严重得多.此外,功率放大电路从互补对称功率放大电路
1.OCL功率放大电路
静态(ui=0)时,UB=0,UE=0,偏置电压为零,V1,V2均处于截止状态,负载中没有电流,电路工作在乙类状态.
动态(ui≠0)时,在ui的正半周V1导通而V2截止,V1以射极输出器的形式将正半周信号输出给负载;在ui的负半周V2导通而V1截止,V2以射极输出器的形式将负半周信号输出给负载.可见在输入信号ui的整个周期内,V1,V2两管轮流交替地工作,互相补充,使负载获得完整的信号波形,故称互补对称电路.
由于V1,V2都工作在共集电极接法,输出。
第三章四互补对称功率放大电路
一个信号 状态 周期内导
通时间
工作特点
整个周 失真小，静态电流
甲类 期内导 大，管耗大，效率
通
低。
半个周 失真大，静态电流
乙类 期内导 为零 ，管耗小，
通
效率高。
甲乙 类
半个多 周期内 导通
失真大， 静态电 流小 ，管耗小，
效率较高。
图示
三、乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL) (OCL — Output Capacitorless) （一）电路组成及工作原理
U(BR)CEO＞2VCC=2×24V=48 V。 放大电路在最大功率输出状态时，集电极电流幅度达最大值
Icmm，为使放大电路失真不致太大，则要求功率管最大允许集电
极电流ICM满足ICM＞Icmm=VCC/RL=3A。
四、甲乙类互补对称功率放大电路 （一）甲乙类双电源互补对称功率放大电路
1、乙类互补对称功放的交越失真
2
4.7 / /5.1 2.2
111
Au2 (dB) 20 lg111 41(dB)
RL1 R3 / / Ri2 5.1/ /1.7 1.3k
总的电压增益： Au=Au1·Au2=(-9.6) ×(-111)=1066 A(dB)=Au1(dB)+Au2(dB)=19.6+41=60.6(dB)
（三）甲乙类单电源互补对称放大电路 OTL电路： 1.电路组成
2.工作原理
当 ui > 0 时：V2 导通，C 放电，V2 的等效电源电压 0.5VCC。 当 ui < 0 时：V1导通，C 充电，V1 的等效电源电压 + 0.5VCC。 注意： 应用 OCL 电路有关公式时，要用 VCC / 2 取代 VCC 。
模电互补对称功率放大电路
互补对称功率放大电路利用NPN 和PNP晶体管的互补特性，通过 输入信号控制晶体管的开关状态 ，实现信号的放大。
电路组成与特点
电路组成
互补对称功率放大电路主要由输入级、输出级和偏置电路组成。输入级负责信 号的放大，输出级负责输出放大的信号，偏置电路为晶体管提供合适的偏置电 压。
特点
互补对称功率放大电路具有高效率、高带宽、低失真等特点，广泛应用于音频 放大、通信系统等领域。
高效率功率放大电路在通信、雷达、音频等领域有广泛应用，能够显著降低能耗， 提高设备性能。
宽频带功率放大电路
随着通信技术的发展，宽频带功率放大电路成为了一个重要的研究方向。
宽频带功率放大电路要求在较宽的频率范围内具有稳定的增益和良好的线 性度，以满足现代通信系统对信号处理的要求。
实现宽频带功率放大电路的关键在于优化电路拓扑结构、选用适当的匹配 网络和采用新型的晶体管技术。
分类与应用场景
分类
互补对称功率放大电路根据工作方式 的不同可以分为甲类、乙类和甲乙类 等类型。
应用场景
互补对称功率放大电路广泛应用于音 频设备、通信系统、雷达系统等领域 ，用于实现信号的高效放大和传输。
02
CHAPTER
电路分析
静态工作点分析
静态工作点设置
确定合适的静态工作点，以满足输出信号不失真和放大倍数 要求。
集成化与小型化功率放大电路
随着集成电路技术的发展，集成 化与小型化功率放大电路成为了
可能。
通过将多个晶体管和其他元件集 成在一个芯片上，可以减小电路 体积、提高可靠性、降低成本。
集成化与小型化功率放大电路在 便携式设备、卫星通信等领域有
广泛应用前景。
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第3章
放大电路基础
例 3.4.1 已知：VCC = VEE = 24 V，RL = 8 ， 忽略 UCE(sat) 求 Pom 以及此时的 PDC、PC1，并选管。
[解] V 2CC 242 Pom 36 ( W) 2 RL 2 8 PDC= 2V2CC / RL
V1
+ ui
PCM > 0.2 Pom dPC1U VCC > Uom (BR)CEO 2VCC 0 dU om RL / R L I > V 2R
CM
+ ui
RL V2
+ uo
则： o m U
CC L 2VCC 时管耗最大，即：
PC1m
V CC VEE 2 RL
2
Pom
2 1 V 2CC PC1 m 2 Po m 0.2 Pom 2 RL
R V3 V4 V5
+VCC V1 RL
t
+ uo
V2 VEE
当 ui = 0 时，V1、V2 微导通。
当 ui < 0 ( 至 )，V1 微导通 充分导通 微导通； V2 微导通 截止 微导通。
当 ui > 0 ( 至 )，V2 微导通 充分导通 微导通； V1 微导通 截止 微导通。
+VCC + uo
RL V2
VEE = 2 242 // ( 8) = 45.9 (W) 1 PC1 ( PDC Po ) = 0.5 (45.9 36) = 4.9 (W) 2 PC1m 0.2 36 7.2 ( W) P = 10 15 W
CM
U(BR)CEO > 48 V
C1 RB
+
交流负载线中点
iC Q uCE VCC Ucem
RL
+VCC
iC Icm IC t O
uce = uo
O
S PDC iC VCC I CVCC 4 S max Pomax / PDC 25%
Pomax Ic Uce
1 I cmU cem 2
rbe= rbe1+ (1 + 1) rbe2
第3章
放大电路基础
V1 V2
V1
V2
NPN + NPN
V2 V1
NPN
PNP + PNP
V1 V2
PNP
NPN + PNP NPN PNP + NPN PNP 构成复合管的规则： 1) B1 为 B，C1 或 E1 接 B2 ， C2、E2 为 C 或 E； 2) 应保证发射结正偏，集电结反偏； 3) 复合管类型与第一只管子相同。
RB +VCC
V1 V4
RB1 + V5 RE E + C V2 RL + CE – VEE
电容 C 的作用：
1)充当 VCC / 2 电源
+ ui RB2
+ 2)耦合交流信号 uo 当 ui = 0 时， U E VCC / 2
U C VCC / 2
当 ui > 0 时： V2 导通，C 放电， V2 的等效电源电压 0.5VCC。 当 ui < 0 时： V1导通，C 充电， V1 的等效电源电压 + 0.5VCC。
RL
V2 VEE
第3章
放大电路基础
4. 管耗
1 1 2UomVCC U 2om PC1每只管子最大管耗为 ( om PC2 ( PDC Po ) 0.2P ) 2 2 RL 2 RL U om VCC U om +VCC 5. 选管原则 ( V1 ) RL 4
令
第3章
放大电路基础
类型与效率
三、放大电路的工作状态
iC ICQ
O
Icm
iC
iC Icm 2
ICQ
O
2 t 甲类( 2 ) iC
t
乙类( ) iC Q Q
2 t 甲乙类( < < 2 )
O
ICQ
Icm
O
t O
Q
uCE
甲类工作状态失真小，静态电流大，管耗大，效率低。 乙类工作状态失真大，静态电流为零 ，管耗小，效率高。 甲乙类工作状态失真大， 静态电流小 ，管耗小，效率较高。
RB1 —引入负反馈，提高稳定性。
IC8
UB3
UE
第3章
放大电路基础
镜像恒流源， 差分放大电 路的有源负载
NPN
克服 交越 失真
因 PNP 管 PNP 小，采用三只 管子复合而成
差分对管，构成前置放大级
第3章
放大电路基础
OTL 互补对称放大电路
三、甲乙类单电源互补对称放大电路 — OTL电路(Output Transformerless )
第3章
放大电路基础
练习：
V1 V2
接有泻放电阻的复合管：
V1
ICEO1
R 泻放 电阻 V2
2 ICEO1 减小
第3章
放大电路基础
2. 复合管互补对称电路举例 +VCC R1 IC8 V3 UB3 V1 RP R3 V5 RE1 V6 R4 + E + RB1 V7 RL uo V4 + + U V8 V2 B8 + ui RB2 R2 R5 RE2
V4
V2
RL
+ uo
V5
VEE
VEE
第3章
放大电路基础
二、复合管互补对称放大电路
1. 复合管(达林顿管) 目的：实现管子参数的配对
(1 + 2 + 12) ib1 1 ib1 ib1 V1
ic ib ie
2(1+1) ib1
V2
(1 + 1) ib1
1 2
(1 + 1) (1 + 2) ib1 = (1 + 1 + 2+ 12) ib1
+ ui
V2
iC1
RL
+ uo
交越失真
VEE
问题： 当输入电压小于死区电压时， 三极管截止，引起 交越失真。 输入信号幅度越小失真越明显。
第3章
放大电路基础
二、功率和效率 1. 输出功率 1 Po Uo I c Uom 最大输出功率
V1 + ui
+VCC + uo
I cm RL 2 0 2 2 (VCC UCE(sat) ) 1 (VCC ) 3. 效率 最大输出功率 + om V = 2I V = 2V U R/R PDC = IC1VCC P IC2 EE 2C1 CC RL CC omL L 2 2% maxo 78.5 om P =2Vom / R U P U 2CC L 最大输出功率时： DC η 4 PDC 4 VCC I cm RL 4 VCC 实际约为 60% 1 2 Po 2 U om / RL , PDC = 2VCCIcm / I C1 iC1 IR sin = 2V 2t ) / 最大输出功率时：LPDCCCd(RLCC Icmm Uomm / cm V t /
ICM > 24 / 8 = 3 (A)
可选： U(BR)CEO = 60 100 V ICM = 5 A
第3章
放大电路基础
交越失真
3.4.2 甲乙类互补对称功率放大电路 一、甲乙类双电源互补对称功率放大电路 克服交越失真思路：
iC ICQ1
0 ICQ2
电路：
给 V1、V2 提 供静态电压 + ui
第3章
放大电路基础
克服交越失真的电路
V3 V4 V1 V2
B1
V1 V2
Rt
B2
R1 R2
V1
V3
V2
T Rt UB1B2 U CE3
+VCC R3
实际 电路
U BE3 ( R1 R2 ) R2
+VCC
R
V3
V4
V1
RL + uo
V3 R*1 R2 R4 V1
V2 + ui
第3章
放大电路基础
3.4.1 乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL) (OCL — Output Capacitorless)
一、电路组成及工作原理
+VCC
V1 iC1
ui = 0 V1 、 V2 截止 ui > 0 V1 导通 V2 截止 io = iE1 = iC1, uO = iC1RL ui < 0 V2 导通 V1 截止 io = iE2 = iC2, uO = iC2RL
第3章
放大电路基础
3.4 互补对称 功率放大电路
引 言 3.4.1 乙类双电源互补对称功率放大电路
3.4.2 甲乙类互补对称功率放大电路
第3章
放大电路基础
引
一、功率放大的 特殊要求
言
Pomax 大，三极管尽限工作 = Pomax / PDC 要高 失真要小 设“Q”设置在
二、共发射极放大电路的效率问题
V1、V3 — NPN
V2、V4 — PNP R3 、R5 — 穿透电流泄放电阻 取值 0.1 0.5 V5 V7、RP — 克服交越失真 R4 — 使 V3、V4 输入电阻平衡 V8 — 构成前置电压放大