乙類放大器（Class B Amplifier）

一、引言

乙類放大器（Class B Amplifier）是一種利用兩只或多只晶體管交替導(dǎo)通的功率放大器。其基本原理是讓每只晶體管僅在輸入波形的半個周期內(nèi)導(dǎo)通。這樣可以顯著提高功率效率，減少因熱損耗造成的能量浪費。

二、推挽放大原理（Push-Pull Operation）

為了提高前述甲類放大器的整體功率效率，可以在輸出級設(shè)計中使用兩只晶體管。這種電路形式稱為“推挽放大器（Push-Pull Amplifier）”，也就是乙類放大器。

推挽放大器通常采用兩只互補（Complementary）或匹配的晶體管，一只為NPN型，另一只為PNP型。兩只功率晶體管分別接收幅值相同、相位相反的輸入信號。這樣，一只晶體管在輸入波形的正半周導(dǎo)通，另一只在負(fù)半周導(dǎo)通，各自放大180°的輸入信號。輸出端將兩半波重新組合成完整的正弦波形。

圖1 乙類推挽放大器原理示意圖

該推挽效應(yīng)（Push-Pull Effect）使兩晶體管交替導(dǎo)通與截止，互相“推動”與“拉動”輸出信號，因此得名“推挽放大器”。乙類放大器的導(dǎo)通角為180°，即僅導(dǎo)通輸入信號的50%。

三、變壓器耦合乙類放大器

如圖2所示，典型乙類放大器使用帶中心抽頭的輸入變壓器。輸入信號被分為兩個相位相反的半波信號分別送至兩個晶體管基極。輸出端同樣采用帶中心抽頭的變壓器，將兩個半波重新合成為完整波形并提供高功率輸出。

在此電路中，兩只NPN晶體管的發(fā)射極相連，共享負(fù)載電流。信號正半周時，第一只晶體管導(dǎo)通、第二只截止；負(fù)半周時反之。這樣輸出電壓和電流交替變化，電流分擔(dān)使得功率損耗顯著下降，放大器效率幾乎提高一倍，可達(dá)約70%。

圖2 乙類推挽變壓器放大器電路（示意）

當(dāng)無輸入信號時，兩只晶體管均處于截止邊緣，僅流過極小靜態(tài)電流（由基極偏置確定）。如果輸入變壓器中心抽頭精確對稱，則兩集電極電流方向相反，不會在變壓器鐵芯中形成凈磁化電流，從而減少失真。

四、工作原理與波形分析

當(dāng)輸入信號加至驅(qū)動變壓器T1次級時，兩晶體管基極信號呈反相（Anti-phase）。若TR1基極為正，晶體管TR1導(dǎo)通，其集電極電流增加；同時TR2基極變?yōu)樨?fù)，進(jìn)一步截止，其集電極電流減少。負(fù)半周反之。

這樣，信號的正半周由TR1放大，負(fù)半周由TR2放大，兩部分波形在輸出變壓器初級繞組中相加還原為完整正弦波。由于兩個半周的交流電流相加，輸出功率明顯提高。

五、偏置與工作點（Q點）

乙類放大器在靜態(tài)時無直流偏置電流，其晶體管偏置在截止區(qū)（Cut-off Region）。因此，只有當(dāng)輸入信號電壓大于晶體管的基-射極電壓（約0.7V）時才導(dǎo)通。當(dāng)輸入為零時，輸出也為零，不消耗功率。

乙類放大器的工作點（Q點）位于負(fù)載線的Vce軸上，如圖3所示。

圖3 乙類放大器輸出特性曲線（示意）

與甲類放大器相比，乙類放大器的顯著優(yōu)勢在于：靜態(tài)無電流流經(jīng)輸出晶體管，因此無信號時不產(chǎn)生功耗，不會發(fā)熱。其整體效率遠(yuǎn)高于甲類放大器，理論最高效率可達(dá)70%。因此，大多數(shù)現(xiàn)代音頻推挽功率放大器均采用乙類工作模式。

六、無變壓器推挽放大器（Transformerless Push-Pull）

乙類放大器的主要缺點之一是需使用帶中心抽頭的變壓器，成本高且體積大。為此，提出了**互補對稱乙類放大器（Complementary-Symmetry Class B Amplifier）**，它省去了變壓器，改用互補晶體管對實現(xiàn)推挽輸出。

由于取消了變壓器，該放大器體積更小，不存在磁滯或變壓器失真，信號質(zhì)量更高。圖4示意了一個無變壓器乙類放大器輸出級。

圖4 無變壓器乙類放大器輸出級（示意）

在該電路中，NPN晶體管放大信號正半周，PNP晶體管放大信號負(fù)半周。盡管這種結(jié)構(gòu)具有較高增益，但存在一種稱為“交越失真（Crossover Distortion）”的現(xiàn)象。

七、交越失真（Crossover Distortion）

雙極型晶體管通常需要約0.7V（硅管）基-射極電壓才開始導(dǎo)通。在純乙類放大器中，輸出晶體管未被預(yù)偏置到“ON”狀態(tài)，因此當(dāng)輸入信號小于±0.7V時，晶體管不會導(dǎo)通。

當(dāng)一個晶體管關(guān)斷、另一只尚未導(dǎo)通時，輸出波形中會出現(xiàn)失真區(qū)間，導(dǎo)致信號在零點附近出現(xiàn)缺口。這種“交接區(qū)”即為交越失真。即使兩管匹配精良，也無法完全避免，因為它們不會在零點處瞬時切換。

八、改進(jìn)：AB類放大器（Class AB Amplifier）

為消除交越失真，可在電路中加入微小的偏置電壓，使兩晶體管稍微導(dǎo)通，即形成**AB類放大器（Class AB Amplifier）**。

在實踐中，不采用獨立電源，而利用兩只硅二極管提供偏置電壓。二極管的正向壓降（約0.7V）恰好與晶體管導(dǎo)通電壓相匹配，因此可將兩只二極管串聯(lián)作為偏置元件（又稱補償二極管或偏置二極管）。

AB類放大器是介于A類與B類之間的折中方案。由于微小偏置電壓存在，兩晶體管即使無輸入信號時也略微導(dǎo)通。輸入信號到來時，晶體管工作在線性區(qū)，從而消除交越失真。

靜態(tài)集電極電流雖非零，但遠(yuǎn)小于A類放大器。此時晶體管導(dǎo)通角介于180°至360°之間，具體取決于偏置電壓大小。通過串聯(lián)更多二極管，可提高偏置電壓與導(dǎo)通角。

九、實際應(yīng)用與性能比較

乙類放大器因高效率與高功率輸出，被廣泛應(yīng)用于音頻功率放大和公共廣播系統(tǒng)中。與A類相比，其靜態(tài)損耗低、發(fā)熱少；與AB類相比，其結(jié)構(gòu)更簡潔、成本更低。若需進(jìn)一步提升輸出電流，可采用達(dá)林頓管對代替單晶體管結(jié)構(gòu)。

十、總結(jié)

乙類放大器通過兩個晶體管交替導(dǎo)通，實現(xiàn)高效率推挽輸出，理論效率可達(dá)70%。缺點是存在交越失真，但通過加入微小偏置形成AB類放大器可有效解決。乙類與AB類放大器因功率大、效率高，是現(xiàn)代音頻與高功率電子設(shè)備中最常用的放大器結(jié)構(gòu)之一。