AB类放大器工作原理、偏置方法及功率计算公式

可以增加给定输入信号的电流、电压或功率的电子设备称为放大器。根据电路应用，放大器分为电压放大器和功率放大器，其中小信号和大信号（功率）放大器的重要因素是线性度、放大率、效率、电路可以处理的最大功率、阻抗匹配以及处理高电压和电流电平的能力。

另外，输出信号在给定输入信号的正负周期上的变化取决于称为放大器类别的操作类别或操作模式。目前功率放大器有四种类型，分别是A类放大器，B类放大器，AB类放大器和C类放大器。本文简单介绍下AB类放大器工作原理、偏置方法及功率计算公式。

AB类放大器的概念

用于克服B类放大器中的交叉失真的放大器称为AB类放大器。A类放大器和B类放大器的组合形成了AB类放大器。AB类放大器旨在克服和消除A类放大器效率低和 B 类放大器失真的缺点，并利用这两种放大器的优点。

AB类放大器的构造/设计

设计具有高效率和低失真的放大器的最佳方法就是AB类放大器，它是B类配置和A类配置的结合，从而产生了AB类放大器电路。因此该放大电路的输出级结合了A类和B类放大器的优点，也减少了失真和低效率的问题。

AB类放大器电路设计考虑了两个晶体管T1和T2。晶体管T1为NPN型，晶体管T2为PNP型。两个正向偏置二极管D1和D2串联连接，以控制VBE（发射极-基极电压）由于温度变化引起的变化，如下面电路图所示。电阻R1与D1串联，电阻R2与D2串联。

AB类放大器工作原理

AB类放大器电路甚至可以用于小功率输出。因为A类放大器用于小电流输出，而B类放大器用于大电流输出。这是通过对放大器电路输出级中的2个晶体管进行预偏置来实现的。根据预偏置和输出电流，每个晶体管在180°和360°之间导通时间。因此，放大器的输出级作为AB类放大器工作。

考虑T1是NPN晶体管，T2是此放大器配置的PNP晶体管，以获得具有给定输入信号的正负半周期组合的完整输出信号。在这种配置中，由于输入信号在过渡期间同时由T1和T2晶体管导通，可以消除交叉失真。

因此在没有输入交流信号的情况下，晶体管可以导通。通过使用二极管D1和D2施加小的偏置电压，可以观察到工作点高于截止区域。这里输出信号的幅度和相位是相同的。因此AB类放大器也被称为线性放大器。

AB类放大器偏置方法

基于此配置中使用的互补晶体管的同时导通，AB类放大器有不同的偏置方法来创建电压间隔。下面简单介绍具有优点和缺点的可能的偏置方法。

1、电压偏置

它是一种直接、独立且简单的方法，由直流发电机或电池的电压供应完成。但由于封装和成本高，无法用于实际电路。

2、分压器网络

此处晶体管基极的电压降为1.2V至1.4V（通过R1+R2总电阻）。该值与2VBE有关，其中VBE是晶体管的阈值电压。由于该电压降，晶体管T1和T2超过截止区域，因此导致输入信号的一小部分同时导通。这种方法并未广泛使用，仅适用于具有特定电阻值和互补晶体管的特定推挽放大器配置。

3、电阻偏置

电压偏置和电阻偏置之间的区别在于，可调电阻（或）电位器保持在两个网络之间。这种方法的主要优点是，互补晶体管的偏置（即使具有不同的电气特性）是通过控制电阻来实现的。由于截止区域上方的偏置，此配置的不当工作可能导致温度变化。因此，一般首选二极管偏置方法。

4、二极管偏置

二极管可以产生0.7V的恒定电压，高于一定的电流值。此特性用于在T1和 T2晶体管的基极之间提供1.4V恒定电位。这种方法的优点是在任何温度变化时二极管D1和D2两端的电压降都可以自我调节。温度的升高会降低二极管的阈值电压并降低T1和T2晶体管的偏置，从而导致有限的热失控。

AB类放大器工作特性

AB类放大器提供线性度高、效率高且无交叉失真。在这种配置中，偏置方法是根据工作点选择的，其中包括A类和B类放大器的中间导通角，而该工作点的位置取决于线性度和效率。如果其工作点接近A类放大器的工作点，则它作为A类放大器工作。在这种情况下，它以较低的效率提供高线性度。

AB类放大器配置的工作特性如下图所示，该放大器输出信号的导通角大于180°小于360°，Q点的位置标注在截止区域上方。因此，在没有输入交流信号的情况下，晶体管可以导通。通过使用二极管D1和D2施加小的偏置电压，可以观察到工作点高于截止区域。这里输出信号的幅度和相位是相同的，所以这就是AB类放大器被称为线性放大器的原因。

考虑T1是NPN晶体管，T2是此放大器配置的PNP晶体管，以获得具有给定输入信号的正负半周期组合的完整输出信号。在这种配置中，由于T1和T2晶体管同时传导输入信号，因此可以消除交叉失真。

AB类放大器的效率为：Ƞ = π/4. Vac/V supply

其中Vac是输出信号的交流波动，最大效率取决于Vac的最大值和工作点的位置。

如果AB类放大器的偏置限制在截止点，Vacmax = V电源，那么Ƞmax = π/4 = 78.5%。

如果AB类放大器的偏置限制在A类放大器工作点，Vacmax = Vsupply/2，则Ƞmax= π/8=39.3%。

如果工作点靠近B类放大器（信号的传导角在180°到270°之间），那么Ƞmax的范围在58.9%到78.5%之间。

为了实际上消除交叉失真，在晶体管T1和T2上施加了一个小的静态偏置。如果T1和T2是匹配的晶体管，则每个的发射极 - 基极结偏置为VBB/2，当输入Vi=0时，结果Vo=0。因此，静态集电极电流的公式如下：

Icn = Icp = Is. e^(VBB/2.Vt)

当Vi增加时，T1的基极电压增加，V0增加。这里晶体管T2用作射极跟随器并向RL提供电流。因此，输出电压的方程为：

V0 = Vi +VBB/2 – VBEn。

T1的集电极电流为：Icn = Il + Icp（忽略基极电流）

由于Icn应提供负载电流。随着VBEn增加，由于恒定的VBB，VBEp减小，所以VBEn降低导致Icp降低。

当Vi为负时，T2的基极电压降低，导致Vo降低。这里T2用作射极跟随器并吸收负载电流。

随着Icp的增加，VBEp的增加导致Icn和VBEn的减少。

使用MOSFET的AB类放大器

AB类放大器可以设计成使用MOSFET产生100W的输出功率来驱动8欧姆的负载，这种功率放大器的设计是因为它的效率高，谐波少，交叉失真。使用MOSFET的AB类放大器的电路图如下图所示：

下面整理下构建上述电路所需的组件：

• PNP晶体管–BC556（Q1、Q2）
• NPN晶体管–MJE340 (Q3, Q4)
• PNP晶体管–MJE350 (Q5, Q6)
• N沟道E-MOSFET – IRF530 (Q7)
• P沟道E-MOSFET – IRF9530 (Q8)
• 电源电压 +/- 50 伏 (V1, V2)
• 4kohms - (R1, R4)
• 100欧姆-(R2)
• 50kohms -(R3)
• 1kohms - (R5)
• 50kohms - (R6)
• 10kohms -(R7)
• 100ohms-（R8，R9）
• 470ohms-(R10)
• 100ohms-(R11)
• 3kohms - (R12)
• 0.33ohms - (R14, R15)
• 10微法拉 - (C1)
• 18pF -（C2，C3）
• 100nF -(C4)

该电路基于多级功率放大原理工作，由驱动器、前置放大器和使用MOSFET的功率放大组成。前置放大过程使用差分放大器、带有电流负载的驱动级和使用带有AB类放大器的 MOSFET 进行功率放大。

与BJT（双极结型晶体管）相比，使用MOSFET的主要好处是其驱动电路简单、对热稳定性的敏感性较低以及输入阻抗高。在前置放大过程中，由前置放大器在2级差分放大电路的帮助下产生无噪声的放大信号。前置放大器的第一级处于差分模式，使用带有PNP晶体管的发射极耦合放大器。

第二级是带有有源负载的差分放大器电路，有助于提高电压增益。为确保输出电流相对于输入电压信号的变化保持恒定，使用了电流镜电路。放大后的输入信号被馈送到AB类功率放大级，以产生高功率输出信号。

使用MOSFET的AB类功放被称为Hi-fi功放电路，适用于键盘功放、通用功放、吉他功放、低音炮功放等多种应用。它产生的失真较小，约为0.1%，阻尼系数>200，输入灵敏度为1.2V，带宽范围为4Hz-4KHz。

AB类放大器功率计算公式

AB类放大器的总功率由输入功率和输出功率计算得出。

1、输入功率

输入功率是指AB类放大器从电源提供给负载的电量，它也被称为直流电源，是由Pi(dc) = Vcc. Idc计算得出。每个晶体管汲取的电流量类似于全波信号的电流，所以：

Idc = 2/π.I(peak)

因此，公式总输入功率为：

Pi(dc) = Vcc. 2/π. I(peak)

每个晶体管为半波信号汲取的电流量与半波信号的平均值相同。

Icc = Ic(sat) / π

Pi(dc) = Ic(sat) Vcc/π

2、输出功率

负载的最大输出功率由下式计算：

Pout = Iout(rms) x Vout(rms)

输出电流 Iout(rms) = 0.707Iout(peak) = 0.707Ic(sat)

输出电压 Vout(rms) = 0.707Vout(peak) = 0.707VCEQ

因此，总输出功率由下式计算：

Pout = 0.5Ic(sat) x VCEQ，代入VCEQ =VCC/2，那么最大输出功率为：

Pout = 0.25Ic(sat) x VCC

其中VCEQ = AB类放大器的单电源和双电源的最大峰值输出电压，Ic(sat) = AB类放大器的峰值输出电流，或者：

Pout=Vl^2/Rl=Vl^2(peak) /2Rl = Vl^2(p-p) /8Rl

3、AB类放大器效率

与B类和A类放大器的效率相比，AB类放大器的效率很高。AB类放大器的偏置消除了交叉失真。效率定义为交流输出功率与直流输入功率之比，用“Ƞ”表示：

Ƞ = Pout/Pdc

由于Pout = 0.25.Ic(sat) Vcc，Pdc = Ic(sat) / π，所以AB类放大器的最大效率将是：

Ƞ = Pout/Pdc ==》Ƞ= 0.25.Ic(sat) Vcc/ [(Ic(sat) Vcc) /π]  ==》 0.25π  ==》78.5%。

AB类放大器优缺点

AB类放大器的优点包括以下几方面内容：

• 消除了交叉失真。
• 提供比A类放大器更高的效率和信号放大。
• 它是一个线性放大器，因为输出信号的幅度和相位与输入相同。
• 首选用于收音机、音频系统和电视接收器。
• 提供高效率和高频响应。
• 谐波失真小。

• 与 B类放大器的效率相比，AB类放大器的效率要低。
• 电路结构复杂。
• 成本高。
• 不适当的偏置会在输出信号中产生尖峰，从而导致交叉失真。

AB类放大器的应用

AB类放大器的应用包括以下几点内日：

• 用于电视中的音频 (AF) 放大器。
• 用于公共广播系统。
• 用于电视接收器。
• 用于无线电接收器。
• 用于CD播放器。
• 使用的卫星和其他无线通信系统。

总结

以上就是关于AB类放大器的概述、电路图、使用MOSFET的AB类放大器、功率和效率推导等相关内容，仅供大家学习参考。其实，从上面介绍不难看出，AB类放大器其实就是A类放大器和B类放大器的完美结合，摒弃二者缺点，结合二者优点而来。