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）是指输出信号与输入信号的不完全一致。推挽放大器（Push-Pull Amplifier）由于采用两级结构，常在输出波形的零点交越处产生一种特有的失真形式——交越失真（Crossover Distortion）。

在前述放大器分类中，我们知道甲类放大器效率低，而乙类放大器效率高，但乙类的一个主要问题就是交越失真。现代乙类放大器多为无变压器互补结构（Complementary Type），即输出级由两只互补晶体管组成。此结构在零偏置状态下，因导通特性不连续，导致波形在零电压附近出现畸变。

二、交越失真的形成机理

在推挽放大器中，两只晶体管交替放大信号的正、负半周。当输入信号从正向过渡到负向（或反之）时，信号电压经过“零点”发生交替导通。由于每只晶体管都存在基极-发射极（Vbe）导通电压阈值，信号在零点附近不能立刻导通，造成输出波形的“断层”或“平顶区”。

这种现象即为交越失真（Crossover Distortion）。它发生在一个晶体管关断、另一只尚未完全导通的瞬间，使输出电压短暂为零，形成死区（Deadband）。

图1 交越失真波形示意

如图所示，输出波形在穿越零点时出现“平顶”或“凹陷”区域。这是由于两只晶体管在切换过程中存在时间延迟，造成瞬时输出中断。

三、非线性特性与功率损失

理论上，若晶体管在基-射极电压刚超过0V时就能导通，则不会产生交越失真。但对于硅型双极晶体管（BJT）而言，Vbe必须达到约0.7V才能导通。由此，在±0.7V范围内，放大器输出无法响应输入信号，形成失真区域。

这种失真不仅影响波形质量，还会减小输出信号的峰-峰值（Vpp），降低最大输出功率。下图展示了这种非线性传输特性。

图2 非线性传输特性曲线（示意）

对大信号而言，输入电压幅度较大，失真相对不明显；但对小信号输入（例如音频信号），失真比例增大，导致明显音质劣化。

四、前置偏置（Pre-biasing）方法

为减少交越失真，可在两晶体管的基极施加一个轻微的正向偏置电压，使它们略高于截止点（Cut-off Point），这称为前置偏置（Pre-biasing）。

当通过输入变压器中心抽头或分压网络引入此偏置电压后，两只晶体管不再严格在零点截止，而是在轻微导通状态下切换。这样可以使一只晶体管在另一只关断的同时立即导通，从而消除死区。

图3 含前置偏置的推挽放大器（示意）

采用电阻分压预偏置的乙类放大器可使两晶体管导通区间略有重叠，从而实现“无缝切换”。不过，为确保同步导通，偏置电压需大于两倍Vbe（约1.4V）。

五、二极管偏置（Diode Biasing）方法

前置偏置不仅可用于带变压器结构，也可用于无变压器互补结构放大器。此时，可用两只硅二极管替代电阻分压网络，形成自动温度补偿偏置电路。

二极管的正向压降约0.7V，刚好匹配晶体管的Vbe。将两只二极管串联即可提供约1.4V的偏置，使输出级两晶体管均处于轻度导通状态，从而消除交越失真。

图4 二极管偏置结构（示意）

该方法不仅简单可靠，还能随温度自动调整偏置电压，保证晶体管导通特性稳定。

六、工作点与AB类放大器

通过引入偏置电压，放大器的静态工作点（Q点）被移动至截止点之外，使晶体管导通角略大于180°，即“180° + Bias”。

这种设计被称为AB类放大器（Class AB Amplifier）。它兼具A类的低失真与B类的高效率，是音频功率放大中最常用的形式。

增加串联二极管数量可进一步提升偏置电压，使导通角在180°~360°之间调节。

图5 AB类放大器输出特性曲线（示意）

AB类放大器的效率虽略低于纯B类，但其波形几乎无失真，是实际应用中最理想的功率放大方案之一。

七、交越失真总结

综上，交越失真源于B类放大器在截止点偏置下，两只晶体管在零点同时关断。其结果是在输出波形的交叉处出现“平顶区”。

通过施加轻微基极偏置（采用电阻分压或二极管补偿方式），可将晶体管静态状态调整为“接近导通”，从而消除或显著降低交越失真。

这种带偏置的电路即为AB类放大器。其优点是：
1. 保留B类的高效率；
2. 消除失真，提高音频保真度；
3. 二极管PN结具有温度补偿作用，可防止热漂移。

八、放大器类别与交越失真比较

下表总结了三种放大器在交越失真方面的特征：

- A类放大器：无交越失真（中心偏置）
- B类放大器：严重交越失真（截止偏置）
- AB类放大器：轻微或无失真（微偏置）

此外，还有许多高效率放大器（如Class D、Class E等），采用开关放大技术与谐振网络（RLC）来进一步降低功率损耗与失真。

九、总结

交越失真是乙类放大器效率优化的代价。它由晶体管在零点切换延迟造成，通过偏置设计可有效抑制。AB类放大器的出现成功结合了高效率与高保真特性，因此成为现代音频、广播及功率放大电路的核心设计形式。