推挽放大器

在通信及广播设备中，广泛地应用着功率放大器。例如在收音机中就常常用到图1所示的功率放大器。当我们把一个微弱的信号电压加到电子管的栅极——阴极之间时，在屏极负载上就得到一个功率较大的电信号，这个信号再由扬声器转换成声音。

对功率放大器，除要求它输出一定的功率和输出的信号不失真以外，还要求它有高的功率转换效率。我们知道，所谓功率放大器实际上是功率转换器，当它的栅极上加有信号电压时，一部分屏极电源的直流功率便由它转换为按信号强弱变化的交流功率，而另一部分直流功率则都消耗掉了，其中大部分消耗在电子管里而使管子的屏极发热，一小部分消耗在电路里（例如使阴极电阻发热）。消耗在电子管屏极上的功率叫做“屏耗”屏耗小，转换效率就高，这样不仅能节省电源消耗，而且还能延长电子管的寿命。

上述三点要求之间存在着矛盾，图1所示的单边功率放大器不能同时满足这几个要求，因此在质量要求较高的设备里，一般都采用推挽放大器。

推挽放大器的基本形式如图2所示。它采用两只完全相同的电子管。输入方面，有一只输入变压器T\(_{1}\)，信号电压加在T1的初级线圈上，次级线圈有中心抽头O″，接到公用的栅偏压E\(_{q}\)上，次级线圈的两端（a和b分别接到两只电子管的栅极。输出方面，有一只输出变压器T2，T\(_{2}\)的初级线圈有中心抽头O″，它接到公用的屏极电源上，线圈的两端（C和d）分别接到两个电子管的屏极。T2的次级线圈和负载（一般是扬声器）相连。

从推挽放大器的电路形式可以看到，它好象是两个彼此对称的单边放大器合并而成的。正是由于推挽放大器的这种对称性，使它能够克服单边功率放大器中的输出功率、转换效率和失真之间的矛盾。下面分析推挽放大器的工作情况。

首先看看输入变压器的初级线圈不加信号电压时的情况。这时每一个电子管的栅偏压是—E\(_{q}\)，屏极电源电压是Ea。两只电子管的直流屏流相同，都是I0，所从屏极电源供给的总屏流是2I\(_{0}\)。通过输出变压器初级线圈L1和L\(_{2}\)中的电流数值相等，但方向相反，因此在输出变压器铁心中产生的磁通也是数值相等、方向相反，正好互相抵消，即输出变压器的铁心不受直流磁化，这一点和单边功率放大器是不同的。

当输入变压器的初级线圈加有交流信号电压的时候，T\(_{1}\)的次级线圈就出现感应交变电压。从交流电路来看，两管的阴极是与T1次级线圈的中心抽头相连的，因此加到V\(_{1}\)和V2栅极——阴极间的交变电u\(_{q1}\)和uq2数值相等、相位相反。这就是说当u\(_{q1}\)在正半周时，uq2就在负半周；u\(_{q1}\)增大时，uq2就在减小，如图3a、b所示。

我们知道，电子管的屏流是随栅压的变化而变化的，既然这时两个电子管的栅极上加有交变电压，那么两管的屏流也就不再是纯粹的直流，而出现了交变分量，并且它们会在输出变压器铁心中产生交变磁通。大家也许会问，这两个电子管屏流的交变分量所产生的交变磁通会不会象直流磁通一样互相抵消呢？

不会的！

因为作用在V\(_{1}\)和V2栅极上的交变电压（u\(_{q1}\)和uq2）是大小相等、相位相反的，因此由它们所引起的屏流变化也是大小相等、相位相反的。这就是说，当一个电子管的屏流增加时，另一个的屏流却在减小；而一个的屏流减小时，另一个的屏流在增大（见图3c、d）。

假如我们把电子管的屏流分成直流分量和交流分量两部分，即图3c中的i\(_{a1}\)=I0+i\(_{1}\)；图3d中的ia2=I\(_{0}\)+i2，因为直流分量I\(_{0}\)所引起的直流磁通是互相抵消的，所以我们这里只分析交流分量产生磁通的情形。

屏流的交流分量如图3e、f所示。我们假设交流分量的方向与图2中箭头所示的方向一致时为正，相反时为负。假如在某半周，交流分量i\(_{1}\)为正，它的流动方向应和图中箭头所示的方向相同，也就是说，i1是自下向上通过T\(_{2}\)初极的上半个线圈L1；与此同时，交流分量i\(_{2}\)必为负，它的流动方向应和图中箭头所示的方向相反，因此i2也是自下向上通过T\(_{2}\)初级的下半个线圈L2。另外半周则发生相反的情况。由此可见，这两个电子和屏流的交流分量流过输出变压器初级线圈的方向恰好是相同的，因此它们所产生的交变磁通筒皇腔ハ嗟窒腔ハ嗟拥模芙槐浯磐偷扔谝桓龅缱庸芩慕槐浯磐ǖ亩叮蚨涑龉β示偷扔谝桓龅缱庸艿亩叮拖笕嗣怯镁庾泳饽静氖保桓鋈讼蚯巴疲硪桓鋈讼蚝罄艿牧α吭黾恿艘槐兑谎Ｍ仆旆糯笃鞯拿忠彩怯纱硕吹摹

由前面的介绍可知、推挽放大器的电路结构是对称的，因此使它具有很多可贵的优点。下面我们分成几个部分来谈。

1．输出变压器铁心中没有直流磁通，这是一个具有很大经济意义的优点。因为铁心里没有直流磁通，则在同样的铁心体积和线圈匝数的情况下，铁心的导磁率就高，这样可以减小由输出变压器引起的非线性失真。反之要得到相同的导磁率，变压器就可以做得小些。这样可以节省材料，降低成本，减小装置的尺寸。

2．当没有交流信号电压输入的时候，两只电子管的直流屏流都是I\(_{0}\)，屏极电源供给的总屏流是2I0。当有交流信号电压输入的时候，虽然每一只电子管的屏流都在变化，但它们变化的相位相反，一管的屏流增加时，另一管的屏流减小，因此两管的屏流之和始终保持不变（等于2I\(_{0}\)），这就是说。屏极电源始终输出一个固定的直流电流，这个电流在电源内阻上的压降是固定的，因此使电源输出的电压稳定，不受功率放大器输出的交变信号的影响。这在多级共用一个电源时，功率放大器的输出信号就不会通过电源对前面各级产生寄生反馈。

3. 放大器的直流电源如屏极直流电源和负栅压等一般都是由交流市电经整流、滤波而得来的，这些直流电源往往因为滤波不良而有交流波动。另外，在大功率直热式电子管中，灯丝电源也是采用交流电压。在单边功率放大器中，这些原因能够引起很大的交流哼声，但是在推挽放大器中，所有上述电源都为两管所公用，它们所引起的交流波动在两管中是同相位的，因而在输出变压器的初级线圈中互相抵消而不会造成交流哼声。

4．推挽放大器最重要的优点是能够大大提高输出功率和转换效率。关于这一点，将在下面分析推挽放大器的工作状态时加以说明。

电子管放大器最常见的一种工作状态是电子管工作在特性曲线的直线部分，这时屏流的波形和栅极上信号电压的波形完全一样（见图4a），这叫做甲类工作状态。一般电压放大器和单边功率放大器都工作在这一状态。它的特点是非线性失真小，但是屏流的直流分量总是大于交流分量，因此屏耗大，功率转换效率低，只有20％～30％。从能量消耗的观点看，甲类工作状态是不经济的。

当电子管的工作点取在特性曲线的截止点上时（图4b），叫做乙类工作状态。这时只在信号电压的正半周电子管才有屏流，信号产生很大的失真。因此单边放大器不能应用这种工作状态，只有推挽放大器才能应用它。图5是推挽放大器工作在乙类的波形图，由于加在两个电子管栅极上的交变电压相位相反，因此这两个管子是轮流工作的。在T\(_{1}\)到T2期间，电子管V\(_{1}\)工作；t2到T\(_{3}\)期间，电子管V2工作（见图5a、c和b、d）。但由于两管屏流以不同方向流过输出变压器的初级线圈，结果它们所产生的总磁通就和输入信号的形状基本上一致（见图5e），这是推挽放大器的两只电子管互相补偿的结果。由此可见，推挽放大器采用乙类工作状态，信号失真并不大；但是功率转换效率却大大提高了。因为没有信号输入时，电子管是截止的，屏流为零，不消耗功率；有信号时，两只电子管轮流工作，每只电子管只是各在半个周期里有屏流通过，因此在整个周期内屏流的平均分量就很小，即屏耗小。一般它的功率转换效率可达60％～70％。

除甲类和乙类外，还有一种介于两者之间的工作状态叫甲乙类。它的工作点是取在特性曲线下面的弯曲部分。根据电子管工作时有无栅流出现，甲乙类工作状态又分为两种情况，如果工作时没有栅流出现（只在负栅压区域工作，见图6a，叫做甲乙1类；如果工作时有栅流出现（信号电压扩展到正栅压区域，见图6b），叫做甲乙2类。甲乙2类虽然输出功率较大，但由于有栅流出现，它的失真很大，一般很少采用。甲乙1类推挽放大器的非线性失真虽然比甲类稍大一些，但比乙类小，而它的输出功率和转换效率却比甲类高得多，因此在推挽放大器中得到广泛地采用。

上面介绍了推挽放大器的优点，正如前面已经指出的，这些优点完全是由于推挽电路的对称结构而带来的。因此制作的时候，就要求两只电子管的特性相差越小越好；电路的实际结构也要对称；变压器的绕制也要求对称平衡等等。（莫愁）