放大器中的交越失真（Crossover Distortion in Amplifiers）

一、引言：放大器中的失真

在放大器中，失真（Distortion）是指輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的不完全一致。推挽放大器（Push-Pull Amplifier）由于采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，常在輸出波形的零點(diǎn)交越處產(chǎn)生一種特有的失真形式——交越失真（Crossover Distortion）。

在前述放大器分類(lèi)中，我們知道甲類(lèi)放大器效率低，而乙類(lèi)放大器效率高，但乙類(lèi)的一個(gè)主要問(wèn)題就是交越失真。現(xiàn)代乙類(lèi)放大器多為無(wú)變壓器互補(bǔ)結(jié)構(gòu)（Complementary Type），即輸出級(jí)由兩只互補(bǔ)晶體管組成。此結(jié)構(gòu)在零偏置狀態(tài)下，因?qū)ㄌ匦圆贿B續(xù)，導(dǎo)致波形在零電壓附近出現(xiàn)畸變。

二、交越失真的形成機(jī)理

在推挽放大器中，兩只晶體管交替放大信號(hào)的正、負(fù)半周。當(dāng)輸入信號(hào)從正向過(guò)渡到負(fù)向（或反之）時(shí)，信號(hào)電壓經(jīng)過(guò)“零點(diǎn)”發(fā)生交替導(dǎo)通。由于每只晶體管都存在基極-發(fā)射極（Vbe）導(dǎo)通電壓閾值，信號(hào)在零點(diǎn)附近不能立刻導(dǎo)通，造成輸出波形的“斷層”或“平頂區(qū)”。

這種現(xiàn)象即為交越失真（Crossover Distortion）。它發(fā)生在一個(gè)晶體管關(guān)斷、另一只尚未完全導(dǎo)通的瞬間，使輸出電壓短暫為零，形成死區(qū)（Deadband）。

圖1 交越失真波形示意

如圖所示，輸出波形在穿越零點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)“平頂”或“凹陷”區(qū)域。這是由于兩只晶體管在切換過(guò)程中存在時(shí)間延遲，造成瞬時(shí)輸出中斷。

三、非線性特性與功率損失

理論上，若晶體管在基-射極電壓剛超過(guò)0V時(shí)就能導(dǎo)通，則不會(huì)產(chǎn)生交越失真。但對(duì)于硅型雙極晶體管（BJT）而言，Vbe必須達(dá)到約0.7V才能導(dǎo)通。由此，在±0.7V范圍內(nèi)，放大器輸出無(wú)法響應(yīng)輸入信號(hào)，形成失真區(qū)域。

這種失真不僅影響波形質(zhì)量，還會(huì)減小輸出信號(hào)的峰-峰值（Vpp），降低最大輸出功率。下圖展示了這種非線性傳輸特性。

圖2 非線性傳輸特性曲線（示意）

對(duì)大信號(hào)而言，輸入電壓幅度較大，失真相對(duì)不明顯；但對(duì)小信號(hào)輸入（例如音頻信號(hào)），失真比例增大，導(dǎo)致明顯音質(zhì)劣化。

四、前置偏置（Pre-biasing）方法

為減少交越失真，可在兩晶體管的基極施加一個(gè)輕微的正向偏置電壓，使它們略高于截止點(diǎn)（Cut-off Point），這稱(chēng)為前置偏置（Pre-biasing）。

當(dāng)通過(guò)輸入變壓器中心抽頭或分壓網(wǎng)絡(luò)引入此偏置電壓后，兩只晶體管不再?lài)?yán)格在零點(diǎn)截止，而是在輕微導(dǎo)通狀態(tài)下切換。這樣可以使一只晶體管在另一只關(guān)斷的同時(shí)立即導(dǎo)通，從而消除死區(qū)。

圖3 含前置偏置的推挽放大器（示意）

采用電阻分壓預(yù)偏置的乙類(lèi)放大器可使兩晶體管導(dǎo)通區(qū)間略有重疊，從而實(shí)現(xiàn)“無(wú)縫切換”。不過(guò)，為確保同步導(dǎo)通，偏置電壓需大于兩倍Vbe（約1.4V）。

五、二極管偏置（Diode Biasing）方法

前置偏置不僅可用于帶變壓器結(jié)構(gòu)，也可用于無(wú)變壓器互補(bǔ)結(jié)構(gòu)放大器。此時(shí)，可用兩只硅二極管替代電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，形成自動(dòng)溫度補(bǔ)償偏置電路。

二極管的正向壓降約0.7V，剛好匹配晶體管的Vbe。將兩只二極管串聯(lián)即可提供約1.4V的偏置，使輸出級(jí)兩晶體管均處于輕度導(dǎo)通狀態(tài)，從而消除交越失真。

圖4 二極管偏置結(jié)構(gòu)（示意）

該方法不僅簡(jiǎn)單可靠，還能隨溫度自動(dòng)調(diào)整偏置電壓，保證晶體管導(dǎo)通特性穩(wěn)定。

六、工作點(diǎn)與AB類(lèi)放大器

通過(guò)引入偏置電壓，放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)（Q點(diǎn)）被移動(dòng)至截止點(diǎn)之外，使晶體管導(dǎo)通角略大于180°，即“180° + Bias”。

這種設(shè)計(jì)被稱(chēng)為AB類(lèi)放大器（Class AB Amplifier）。它兼具A類(lèi)的低失真與B類(lèi)的高效率，是音頻功率放大中最常用的形式。

增加串聯(lián)二極管數(shù)量可進(jìn)一步提升偏置電壓，使導(dǎo)通角在180°~360°之間調(diào)節(jié)。

圖5 AB類(lèi)放大器輸出特性曲線（示意）

AB類(lèi)放大器的效率雖略低于純B類(lèi)，但其波形幾乎無(wú)失真，是實(shí)際應(yīng)用中最理想的功率放大方案之一。

七、交越失真總結(jié)

綜上，交越失真源于B類(lèi)放大器在截止點(diǎn)偏置下，兩只晶體管在零點(diǎn)同時(shí)關(guān)斷。其結(jié)果是在輸出波形的交叉處出現(xiàn)“平頂區(qū)”。

通過(guò)施加輕微基極偏置（采用電阻分壓或二極管補(bǔ)償方式），可將晶體管靜態(tài)狀態(tài)調(diào)整為“接近導(dǎo)通”，從而消除或顯著降低交越失真。

這種帶偏置的電路即為AB類(lèi)放大器。其優(yōu)點(diǎn)是：
1. 保留B類(lèi)的高效率；
2. 消除失真，提高音頻保真度；
3. 二極管PN結(jié)具有溫度補(bǔ)償作用，可防止熱漂移。

八、放大器類(lèi)別與交越失真比較

下表總結(jié)了三種放大器在交越失真方面的特征：

- A類(lèi)放大器：無(wú)交越失真（中心偏置）
- B類(lèi)放大器：嚴(yán)重交越失真（截止偏置）
- AB類(lèi)放大器：輕微或無(wú)失真（微偏置）

此外，還有許多高效率放大器（如Class D、Class E等），采用開(kāi)關(guān)放大技術(shù)與諧振網(wǎng)絡(luò)（RLC）來(lái)進(jìn)一步降低功率損耗與失真。

九、總結(jié)

交越失真是乙類(lèi)放大器效率優(yōu)化的代價(jià)。它由晶體管在零點(diǎn)切換延遲造成，通過(guò)偏置設(shè)計(jì)可有效抑制。AB類(lèi)放大器的出現(xiàn)成功結(jié)合了高效率與高保真特性，因此成為現(xiàn)代音頻、廣播及功率放大電路的核心設(shè)計(jì)形式。