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）是指輸出信號與輸入信號的不完全一致。推挽放大器（Push-Pull Amplifier）由于采用兩級結構，常在輸出波形的零點交越處產生一種特有的失真形式——交越失真（Crossover Distortion）。

在前述放大器分類中，我們知道甲類放大器效率低，而乙類放大器效率高，但乙類的一個主要問題就是交越失真。現代乙類放大器多為無變壓器互補結構（Complementary Type），即輸出級由兩只互補晶體管組成。此結構在零偏置狀態下，因導通特性不連續，導致波形在零電壓附近出現畸變。

二、交越失真的形成機理

在推挽放大器中，兩只晶體管交替放大信號的正、負半周。當輸入信號從正向過渡到負向（或反之）時，信號電壓經過“零點”發生交替導通。由于每只晶體管都存在基極-發射極（Vbe）導通電壓閾值，信號在零點附近不能立刻導通，造成輸出波形的“斷層”或“平頂區”。

這種現象即為交越失真（Crossover Distortion）。它發生在一個晶體管關斷、另一只尚未完全導通的瞬間，使輸出電壓短暫為零，形成死區（Deadband）。

圖1 交越失真波形示意

如圖所示，輸出波形在穿越零點時出現“平頂”或“凹陷”區域。這是由于兩只晶體管在切換過程中存在時間延遲，造成瞬時輸出中斷。

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0V時就能導通，則不會產生交越失真。但對于硅型雙極晶體管（BJT）而言，Vbe必須達到約0.7V才能導通。由此，在±0.7V范圍內，放大器輸出無法響應輸入信號，形成失真區域。

這種失真不僅影響波形質量，還會減小輸出信號的峰-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）

對大信號而言，輸入電壓幅度較大，失真相對不明顯；但對小信號輸入（例如音頻信號），失真比例增大，導致明顯音質劣化。

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輕微的正向偏置電壓，使它們略高于截止點（Cut-off Point），這稱為前置偏置（Pre-biasing）。

當通過輸入變壓器中心抽頭或分壓網絡引入此偏置電壓后，兩只晶體管不再嚴格在零點截止，而是在輕微導通狀態下切換。這樣可以使一只晶體管在另一只關斷的同時立即導通，從而消除死區。

圖3 含前置偏置的推挽放大器（示意）

采用電阻分壓預偏置的乙類放大器可使兩晶體管導通區間略有重疊，從而實現“無縫切換”。不過，為確保同步導通，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構，也可用于無變壓器互補結構放大器。此時，可用兩只硅二極管替代電阻分壓網絡，形成自動溫度補償偏置電路。

二極管的正向壓降約0.7V，剛好匹配晶體管的Vbe。將兩只二極管串聯即可提供約1.4V的偏置，使輸出級兩晶體管均處于輕度導通狀態，從而消除交越失真。

圖4 二極管偏置結構（示意）

該方法不僅簡單可靠，還能隨溫度自動調整偏置電壓，保證晶體管導通特性穩定。

六、工作點與AB類放大器

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

這種設計被稱為AB類放大器（Class AB Amplifier）。它兼具A類的低失真與B類的高效率，是音頻功率放大中最常用的形式。

增加串聯二極管數量可進一步提升偏置電壓，使導通角在180°~360°之間調節。

圖5 AB類放大器輸出特性曲線（示意）

AB類放大器的效率雖略低于純B類，但其波形幾乎無失真，是實際應用中最理想的功率放大方案之一。

七、交越失真總結

綜上，交越失真源于B類放大器在截止點偏置下，兩只晶體管在零點同時關斷。其結果是在輸出波形的交叉處出現“平頂區”。

通過施加輕微基極偏置（采用電阻分壓或二極管補償方式），可將晶體管靜態狀態調整為“接近導通”，從而消除或顯著降低交越失真。

這種帶偏置的電路即為AB類放大器。其優點是：
1. 保留B類的高效率；
2. 消除失真，提高音頻保真度；
3. 二極管PN結具有溫度補償作用，可防止熱漂移。

八、放大器類別與交越失真比較

下表總結了三種放大器在交越失真方面的特征：

- A類放大器：無交越失真（中心偏置）
- B類放大器：嚴重交越失真（截止偏置）
- AB類放大器：輕微或無失真（微偏置）

此外，還有許多高效率放大器（如Class D、Class E等），采用開關放大技術與諧振網絡（RLC）來進一步降低功率損耗與失真。

九、總結

交越失真是乙類放大器效率優化的代價。它由晶體管在零點切換延遲造成，通過偏置設計可有效抑制。AB類放大器的出現成功結合了高效率與高保真特性，因此成為現代音頻、廣播及功率放大電路的核心設計形式。