推挽電路工作原理詳解（四類互補(bǔ)推挽式功率放大電路分析）

　　推挽電路在放大電路中經(jīng)常會(huì)用到，它適用于低電壓大電流的場(chǎng)合，廣泛應(yīng)用于功放電路和開(kāi)關(guān)電源中。

　　什么是推挽電路？

　　推挽電路（push-pull）就是兩不同極性晶體管連接的輸出電路。推挽電路采用兩個(gè)參數(shù)相同的功率BJT管或MOSFET管，以推挽方式存在于電路中，各負(fù)責(zé)正負(fù)半周的波形放大任務(wù)，電路工作時(shí)，兩只對(duì)稱的功率開(kāi)關(guān)管每次只有一個(gè)導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小效率高。推挽輸出既可以向負(fù)載灌電流，也可以從負(fù)載抽取電流。如果輸出級(jí)的有兩個(gè)三極管，始終處于一個(gè)導(dǎo)通、一個(gè)截止的狀態(tài)，也就是兩個(gè)三級(jí)管推挽相連，這樣的電路結(jié)構(gòu)稱為推拉式電路或圖騰柱（Totem-pole）輸出電路。

　　推挽電路的作用

在一般推挽電路中，比如輸出級(jí)，電路的工作是，把輸入信號(hào)放大。而完成電路工作，但一般推挽電路用同級(jí)性元件（晶體管或電子管）為了實(shí)現(xiàn)輸出級(jí)元件輪流導(dǎo)通，必須激勵(lì)大小相等，相位相反的兩個(gè)信號(hào)，即所謂的倒相問(wèn)題，完成倒相可用電路，可用電感原件（變壓器）但這無(wú)不增加了電路的復(fù)雜性，可靠性?；パa(bǔ)電路可克服用單極性原件出現(xiàn)的上述問(wèn)題。電路工作時(shí)雙極性原件輪流導(dǎo)通，亦可省去倒相或簡(jiǎn)化電路，這樣電路的穩(wěn)定性可相應(yīng)提高。比如當(dāng)輸入信號(hào)為正時(shí)，雙極性中的NPN管導(dǎo)通PNP由于極性自動(dòng)截止，當(dāng)電路輸入信號(hào)為負(fù)時(shí)，PNP管導(dǎo)通NPN管截止。不管信號(hào)如何變化都能自動(dòng)完成導(dǎo)通于截止而完成電路工作。

　　推挽電路的優(yōu)缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)變壓器磁芯利用率高，推挽電路工作時(shí)，兩只對(duì)稱的功率開(kāi)關(guān)管每次只有一個(gè)導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小。

　　缺點(diǎn)是：變壓器帶有中心抽頭，而且開(kāi)關(guān)管的承受電壓較高；由于變壓器原邊漏感的存在，功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷的瞬間，漏源極會(huì)產(chǎn)生較大的電壓尖峰，另外輸入電流的紋波較大，因而輸入濾波器的體積較大。

　　推挽電路工作原理

　　在講推挽電路工作原理之前，首先介紹功放的一些基本知識(shí)。從能量控制的觀點(diǎn)看，功放電路和電壓放大電路沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，但后者的要求是使負(fù)載得到不失真的電壓信號(hào)，而前者的要求是獲得一定的不失真的輸出功率。在放大電路中，輸入信號(hào)在整個(gè)周期內(nèi)都有電流流過(guò)，稱為甲類放大;如果只有大半個(gè)周期有電流流過(guò)，稱為甲乙類放大;如果只有半個(gè)周期電流流過(guò)，稱為乙類放大。

　

　　如果輸出級(jí)的有兩個(gè)三極管，始終處于一個(gè)導(dǎo)通、一個(gè)截止的狀態(tài)，也就是兩個(gè)三級(jí)管推挽相連，這樣的電路結(jié)構(gòu)稱為推拉式電路或圖騰柱（Totem-pole）輸出電路。

　　當(dāng)輸出低電平時(shí)，也就是下級(jí)負(fù)載門(mén)輸入低電平時(shí)，輸出端的電流將是下級(jí)門(mén)灌入T4；當(dāng)輸出高電平時(shí)，也就是下級(jí)負(fù)載門(mén)輸入高電平時(shí)，輸出端的電流將是下級(jí)門(mén)從本級(jí)電源經(jīng) T3、D1 拉出。這樣一來(lái)，輸出高低電平時(shí)，T3 一路和 T4 一路將交替工作，從而減低了功耗，提高了每個(gè)管的承受能力。又由于不論走哪一路，管子導(dǎo)通電阻都很小，使 RC 常數(shù)很小，轉(zhuǎn)變速度很快。因此，推拉式輸出級(jí)既提高電路的負(fù)載能力，又提高開(kāi)關(guān)速度?！⊥仆旖Y(jié)構(gòu)一般是指兩個(gè)三極管分別受兩互補(bǔ)信號(hào)的控制，總是在一個(gè)三極管導(dǎo)通的時(shí)候另一個(gè)截止。要實(shí)現(xiàn)線與需要用 OC（open collector）門(mén)電路。

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　　四類互補(bǔ)推挽式功率放大電路分析

　　甲類工作狀態(tài)晶體管存在問(wèn)題 → 乙類工作狀態(tài)晶體管管耗小效率高（但存在非線性，即交越失真） → 甲乙類工作狀態(tài)晶體管（但存在功率管匹配異型困難） → 準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱放大電路（OCL） → 單電源互補(bǔ)功率放大電路（OTL） → 變壓器耦合功率放大電路

　　1、互補(bǔ)對(duì)稱式乙類功率放大電路

　　1.結(jié)構(gòu)

　　圖9.1（a）所示電路采用兩個(gè)NPN和PNP管各一只，且特性對(duì)稱，組成互補(bǔ)對(duì)稱式射極輸出器。簡(jiǎn)稱OCL電路，意為無(wú)輸出耦合電容。

　　

　　2.工作原理

　　靜態(tài)時(shí)： u i =0 → I C2 = I C2 =0 （乙類工作狀態(tài)） → u o =0 。

　　動(dòng)態(tài)時(shí)： u i 》0 → VT2導(dǎo)通，VT3截止 → i o = i C2 ；

　　u i 《0 → VT3導(dǎo)通，VT2截止 → i o =? i C3 。

　　特點(diǎn)：

　?。?） I BQ 、 I CQ 等于零。

　?。?）兩管均工作半個(gè)周期。

　　3.分析計(jì)算

　?。?）輸出功率

　　由電路可知，輸出電壓 U o 變化范圍為： 2（ U CC ? U ces ）=2 I CM × R L

　　若忽略管子飽和壓降 U ces ，則：

　　輸出電流最大值 I CM = U CC R L

　　輸出電壓最大值 U CM = U CC

　　輸出最大功率 P OM = I CM 2 × U CM 2 = U CC 2 R L × U CC 2 = U CC 2 2 R L

　?。?）直流電源供給的功率

　　因?yàn)閮晒芨鲗?dǎo)通半個(gè)周期（不考慮失真），每個(gè)電源只提供半個(gè)周期的電流，且每管電流平均值為

　　I C = 1 2π ∫ 0 π i C2 d（ω?t） = 1 2π ∫ 0 π I CM sin?（ω?t）d（ω?t） = 1 2π U CC R L ［ ?cos?ω??t ］ 0 π = 1 2π U CC R L ×2= 1 π U CC R L

　　所以，總功率為 P V =2 I C U CC = 2 π U CC 2 R L

　?。?）效率

　　η= P OM P V = π 4 =78.5%

　?。?）晶體管耗散功率

　　2 P T = P V ? P OM = 2 π U CC I CM ? 1 2 U CC I CM = 2 U CC U CM π R L ? U CM 2 2 R L

　　將上式對(duì) U CM 求導(dǎo)并令其為零，得：

　　d P T d U CM = 2 U CC π R L ? U CM R L =0

　　即 U CM = 2 π U CC ≈0.64 U CC

　　代入上式，可求得最大管耗

　　2 P T = 2 U CC π R L 2 U CC π ? 1 2 R L （ 2 U CC π ） 2 = 4 π 2 U CC 2 2 R L = 4 π 2 P OM ≈0.4 P OM

　　4.缺點(diǎn)

　　電路存在交越失真。如圖9.1（b）圖所示，是由于三極管的死區(qū)電壓所造成，屬非線性失真。

　　2、互補(bǔ)對(duì)稱式甲乙類功率放大電路

　　1.甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路

　?。?）基本工作原理

　　圖9.2（a）所示電路中除增加驅(qū)動(dòng)級(jí)VT1管外，還增加了兩只二極管VD1、VD2，目的是建立一定的直流偏置，偏置電壓大于管子死區(qū)電壓，以克服交越失真。此時(shí)管子工作于甲乙類狀態(tài)。

　　靜態(tài)：利用VT1基極電流在VD1、VD2的正向壓降給VT1、VT3兩管提供基極偏置電壓，發(fā)射結(jié)電位分別為VD1、VD2的正向?qū)▔航?，致使兩管處于微弱?dǎo)通狀態(tài)——甲乙類狀態(tài)。

　　兩管靜態(tài)電流相等，負(fù)載上無(wú)靜態(tài)電流，輸出電壓 U o =0 。

　　動(dòng)態(tài)：當(dāng)有交流信號(hào)輸入時(shí)，VD1和VD2的交流電阻很小，可視為短路，從而保證兩管基極輸入信號(hào)幅度基本相等。兩管輪流工作， i C2 、 i C3 波形如圖9.2（b）所示，因?yàn)樨?fù)載電流為兩者之差，反相相加后得到的， i o 波形如圖9.2（b）所示，明顯改善了交越失真。

　　

　?。?）分析計(jì)算

　　在忽略VT2、VT3管的飽和壓降時(shí)，該電路的最大輸出功率和效率與乙類相同。

　?。?）電路存在問(wèn)題

　　第一：當(dāng)要求輸出功率較大時(shí)，要求推動(dòng)功率管的基極電流也要很大，而由于功放管的 β 不會(huì)很大，所以驅(qū)動(dòng)級(jí)VT1要提供大電流難以做到。

　　第二：兩只大功率異型管的的配對(duì)比較困難，難以做到特性對(duì)稱。

　　2.準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱式功率放大電路

　　為解決上述問(wèn)題，可以增加復(fù)合管VT2、VT4 → 代替VT2；VT3、VT5 → 代替VT3。這樣，既擴(kuò)大了電流驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)也利用同類型的VT4、VT5作為輸出管，較好地實(shí)現(xiàn)了特性匹配的目的。如圖9.3所示。

　　

　　3.單電源互補(bǔ)對(duì)稱式功率放大電路（OTL）

　　實(shí)際電路中，如收音機(jī)、擴(kuò)音機(jī)中，常采用單電源供電。單電源供電常采用變壓器耦合，這里省略了變壓器，稱為無(wú)輸出變壓器。簡(jiǎn)稱OTL電路，如圖9.4所示。

　?。?）基本工作原理

　　靜態(tài)：因兩管對(duì)稱，VT2、VT3兩管發(fā)射極e的電位 U E = 1 2 U CC ，負(fù)載無(wú)電流。

　　動(dòng)態(tài)： u i 》0 → VT2導(dǎo)通，VT3截止 → 對(duì)負(fù)載供電，并對(duì) C 充電； u i 《0 → VT3導(dǎo)通，VT2截止 → 電容 C 通過(guò)VT3、 R L 放電維持負(fù)半周電流（電容 C 相當(dāng)于電源）。

　　注意：應(yīng)選擇足夠大的電容C，以維持其上電壓基本不變，保證負(fù)載上得到的交流信號(hào)正負(fù)半周對(duì)稱。

　?。?）分析計(jì)算

　　同OCL電路分析相同，不同之處只要將式中的 U CC 改為 1 2 U CC 即可，得：

　　P OM = 1 8 U CC 2 R L

　　P V = 1 2π U CC 2 R L

　　η= P OM P V = π 4 =78.5%

　?。?）存在問(wèn)題

　　在圖9.4 中，當(dāng)e點(diǎn)電位升高時(shí)，b點(diǎn)電位基本不變，VT2管基極電流減小，負(fù)載電流減小，使得輸出電壓正方向變化的幅度受到限制，遠(yuǎn)小于 1 2 U CC 。

　　

　　4.自舉電路

　　增加電容 C 3 和電阻 R 3 ，如圖9.5所示，靠電路本身抬高 p 點(diǎn)電位，原理如下： u p = U CC ? I C1 R 3 u e = 1 2 U CC U C3 = u p ? u e }? U C3 = 1 2 U CC ? I C1 R 3

　　若電容 C 3 足夠大，充電后 U C3 基本不變，為一常數(shù)。

　　由于 u p = U C3 + u e

　　顯然 u e ↑ → u p ↑

　　即e點(diǎn)電位升高 → p點(diǎn)電位隨之升高 → VT2充分導(dǎo)通 → 保證負(fù)載兩端有足夠大的電壓變化量。

　　3、變壓器耦合推挽功率放大電路

　　前述電路，雖各有特色，但在負(fù)載RL過(guò)大或過(guò)小時(shí)，對(duì)負(fù)載管的耐壓或耐流值要求過(guò)高，通常的解決辦法就是利用變壓器將實(shí)際的負(fù)載變換成最佳負(fù)載，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，電路如圖9.6所示。

　　

　　1.工作原理

　　靜態(tài)時(shí)： u i =0 → i C1 、 i C2 均為0 → u 0 =0 。

　　動(dòng)態(tài)時(shí)： u i 》0 → VT1導(dǎo)通，VT2截止 → i o = i C1 ； VT2導(dǎo)通，VT1截止 → i o = i C2 。

　　通過(guò)變壓器Tr2將兩個(gè)半周合成為一個(gè)完整的正弦波，并通過(guò)變比 n ，將 R L 變成 n 2 R L ，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

　　2.分析計(jì)算

　　輸出功率為：

　　P OM = U CC n R L

　　其中 n= N 1 N 2

　　N 1 ——變壓器Tr2原邊繞組匝數(shù)的一半

　　N 2 ——Tr2副邊繞組匝數(shù)

　　總輸出效率為：

　　η ′ = η Tr η

　　其中 η Tr ——變壓器效率

　　η ——晶體管輸出效率

　　3.優(yōu)點(diǎn)：可方便實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，獲得最佳負(fù)載。

　　缺點(diǎn)：體積大、效率低、頻率特性差，且不易集成。

　　常用于要求輸出較大功率較大的情況。

　　

　　4、集成功率放大電路簡(jiǎn)介

　　圖9.7（a）示電路為國(guó)產(chǎn)通用型集成功率放大器5G31，其中主要環(huán)節(jié)有：

　?。?）前置放大級(jí)（輸入級(jí)）——VT1 、VT2和電阻 R 1 、 R 2 、 R 3 、 R 4 、 R 5 、 R F1 和 R F2 等組成單入、單出的差放電路。

　?。?）中間放大級(jí)——由三極管VT3和VT4組成。VT3為VT4的偏置管，對(duì)信號(hào)進(jìn)行二次放大。

　?。?）推動(dòng)級(jí)——VT5、VT6、VT7、VT8和 R 7 構(gòu)成。VT5、VT6、VT7具有溫度補(bǔ)償作用，可穩(wěn)定輸出級(jí)靜態(tài)電流，并為輸出級(jí)通過(guò)適當(dāng)偏置以消除交越失真。

　?。?）功率放大級(jí)——復(fù)合管VT9、VT10為NPN管，復(fù)合管VT11、VT12和VT13為PNP管，共同構(gòu)成互補(bǔ)輸出級(jí)，為準(zhǔn)互補(bǔ)甲乙類功率放大電路。

　　5G31實(shí)際應(yīng)用電路和外部接線如圖9.7（b）所示。

　　

　　推挽電路典型應(yīng)用電路原理圖

　　推挽電路（一）乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路

　　如下圖，兩晶體管分別為NPN管和PNP管，由于它們的特性相近，故稱為互補(bǔ)對(duì)稱管。靜態(tài)時(shí)，兩管的ICQ=0;有輸入信號(hào)時(shí)，兩管輪流導(dǎo)通，NPN在正半周導(dǎo)通（左圖），PNP在負(fù)半周導(dǎo)通（右圖），從而相互補(bǔ)充，使得始終有電流流過(guò)負(fù)載。既避免了輸出波形的嚴(yán)重失真，又提高了電路的效率。由于兩管互補(bǔ)對(duì)方的不足，工作性能對(duì)稱， 所以這種電路通常稱為互補(bǔ)對(duì)稱電路。

　　

　　推挽電路（互補(bǔ)型電路），用兩個(gè)參數(shù)相同的叁極管或MOSFET，以推挽方式存在于電路中，各負(fù)責(zé)正負(fù)半周的波形放大任務(wù)。功放的輸出級(jí)有兩個(gè)“臂”（兩組放大元件），一個(gè)“臂”的電流增加時(shí)，另一個(gè)“臂”的電流則減小，二者的狀態(tài)輪流轉(zhuǎn)換。對(duì)負(fù)載而言，好象是一個(gè)“臂”在推，一個(gè)“臂”在拉，共同完成電流輸出任務(wù)。如果輸出級(jí)的有兩個(gè)叁極管，始終處于一個(gè)導(dǎo)通、一個(gè)截止的狀態(tài)，也就是兩個(gè)叁級(jí)管推挽相連，這樣的電路結(jié)構(gòu)稱為推拉式電路或圖騰柱（Totem- pole）輸出電路。

　　推挽電路原理圖（二）

　　

　　推挽電路原理圖（三）

　　本電路圖是利用CMOS反相器4049作TDA4700輸出信號(hào)的反相級(jí)和晶體管T1、T2的驅(qū)動(dòng)級(jí)，三個(gè)反相器并聯(lián)有兩個(gè)輸出端分別加到推挽電路的兩個(gè)晶體管基極上。如下圖所示。

　　

　　推挽電路原理圖（四）