AB类功率放大器输出级的计算机仿真

周 晶

（中国人民解放军后勤工程学院，400016）

AB类功率放大器输出级的计算机仿真

周 晶

（中国人民解放军后勤工程学院，400016）

根据AB类功率放大基本电路，结合SABER软件仿真分析了交越失真产生原因、不同负载的失真以及同时说明了如何用仿真进行改善电路设计，给出了调节静态工作点和消除交越失真的方法。

失真；推挽；计算机仿真

0 引言

在工程应用中我们常常会用到功率放大电路，把直流电源供给的能量转换为交流信号能量输出,用以驱动负载。根据对输出量的不同要求，可以构成如电压放大、电流放大或功率放大等不同功能的放大电路。其中功率放大电路需要向负载提供一个较大的、低失真驱动功率，常见的功率放大器按晶体管静态工作点Q在交流负载线上的位置不同，可以分为A类、B类、C类以及AB类。相比而言，AB类具有低失真、高转换效率的特点，因而更适合作线性功率放大器。本文利用Saber软件对AB类功率放大器常见的三种推挽式输出级电路进行仿真，分析了参数的选取对输出性能的影响，从而为设计提供依据。

1 SABER软件

Saber模拟及混合信号仿真软件是美国Synopsys公司的一款多技术、多领域的EDA软件，为复杂的混合信号设计与验证提供了一个功能强大的混合信号仿真器，兼容模拟、数字、控制量的混合仿真，可用于电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真。Saber模拟及混合信号仿真软件包括SaberSketch和SaberDesigner两部分。SaberSketch用于绘制电路图，而SaberDesigner用于对电路仿真模拟，模拟结果可在SaberScope和DesignProbe中查看。

图1 三种推挽式输出仿真图

通过Saber可以对电路设计前期进行原理验证，指导器件选型，并可以模拟产品的温度变化、噪声、参数漂移、元器件的容差

等实际的工作特性。根据仿真分析进行设计优化，如实现最坏情况分析等分析项目。可见，通过先进的仿真软件，提高产品设计质量。

2 计算机仿真

2.1 推挽式输出级电路简介

推挽式输出通常使用NPN型管和PNP型管，两管的基级和发射极相互连接在一起，连接负载电阻。信号从基极输入，从射级输出，两个管工作在乙类放大状态，一个在正半周工作，一个在负半周工作，这样在负载上得到一个完整的波形。实现了静态时管子不取电流，当有信号时，两个管轮流导电，组成推挽式电路。由于没有直流偏置，NPN的硅管VBE电压通常0.6V，PNP的锗管VBE电压通常0.2V，当输入信号低于这个数值，两个管都截止，负载上无电流通过，因此出现一段死区，即交越失真。可见推挽式输出虽然提高了电源效率，但是容易出现严重的波形失真。图1列举了常见三种推挽式输出级，采用双电源。通过偏置电路来克服交越失真，如图2所示。

图2 交越失真

另外，线性功率放大器的总谐波失真（THD)，主要是由功率管的非线性、静态工作点和信号过大而引起的，属于一种非线性失真。在实际应用中，线性功放的总谐波失真应越小越好。通过仿真分别验证放大功率管的特性、静态工作点、信号大小对总谐波失真指标的影响，从而调整使不同输出功率下总谐波失真小。

2.2 交越失真调整

如图1所示的三种推挽式输出级，图a利用三极管提供偏置，图b利用二极管，在静态时产生压降为放大功率管提供适当的偏压，使之处于微导通状态。这两种方法缺点是偏置电压不易调节，受温度影响，调整范围受限。如图b可以更换二极管或多个肖特基串联来进行微调。图c通过VBE扩大电路进行偏置，可以通过调节偏置电阻的比值，改变放大功率管的偏压值。图3为根据选择的放大功率管所进行的偏置电压设置仿真过程，可见通过合理设置静态工作点，可以有效地消除交越失真。

图3 失真波形调整

2.3 负载对失真影响的仿真

在仿真时为输出足够大的功率，功率放大电路的输出电压、电流幅度都比较大，因此，功率放大管的动态工作范围很大，功放管中的电压、电流信号都是大信号状态，仿真时不超过极限参数为限度，进行降额。图4通过对VBE扩大电路型推挽式输出电路进行不同负载下仿真，建立对应的静态工作点，可以得出功率放大管工作情况，放大功率管的特性，分析不同负载效应下的交越失真。图5例举了负载100Ω、1kΩ时波形对比情况，可以看出在该情况下，不同输出负载对交越失真的影响较小，由于输出电流不同，功率管输出电压随着负载加重幅值降低。通过调整静态工作点，消除交越失真后，得到最大不失真电路。

图4 调整负载

图5 不同负载对应波形

2.4 总谐波失真的仿真

通常输出信号会比输入信号多出额外的谐波成分，影响输出

效果。为了输出更大数值的功率，需降低总谐波失真。波形失真的原因和种类有很多，主要有谐波失真、互调失真、瞬态失真等。输出级的非线性是输出失真的主要来源。下面列举了由于偏置点设置不合理而导致的波形失真的一种仿真结果，可以看出按照图6进行工作点调整，波形正方向开始出现削波，从而使输出具有直流分量。随着驱动负载的加重，总谐波失真会增大。

图6 工作点调整

图7 顶部失真波形

3 结论

本文首先分析常见AB类功率放大器输出级的放大原理，使用Saber分别进行绘制电路图，并结合仿真分析电路，重点进行失真分析，对各种AB类功率放大器输出级的性能进行比较。通过用仿真软件对AB类功率放大器输出级仿真其实际效果，通过不同状态性能的分析，静态工作点的调整，为实际功率放大器的设计提供合理依据。

功率放大器在现实中有广泛的应用，对功率放大器的性能进行分析具有重要的现实意义。数字化产品的广泛普及和数字化的发展方向对功放电路提出了更高的要求。谐波失真在标准范围内变化、能长时间安全工作时输出的最大功率称为最大输出功率。通常测量的是不失真时最大输出功率。可见失真的改善有益于输出功率的提升。如何实现功率放大器高效率、高线性且低失真的工作值得更深入的研究。

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Class AB amplifier output power level of the computer simulation

Zhou Jing
(Logistic Engineering University of PLA，chungking，400016)

According to the fundamental class AB power amplifier circuit,combined with the SABER software simulation analyses the causes in the distortion,the distortion of different load,and also explains how to use the simulation to improve the circuit design,adjust the static working point is given and the elimination of hand in the distortion of the method.

distortion;Push pull;The computer simulation