甲类功率放大器

甲类功率放大器工作点是在负载线的中心附近。它的效率不高，但它的失真常常是较低，设计最简单。

图12－5显示是一个甲类功率放大器。我们可利用负载线知道它能产生多大的信号功率。通过电源电压UCC和饱和电流建立负载线。饱和电流是：

Isat= UCC / RC= 16V/ 80Ω= 200mA

负载线始于水平轴上的16V到达纵轴上的200mA。接着我们必需求出放大器的工作点。忽略求基极电流，得到：

IB＝UCC/RB = 16V/16kΩ= 1mA

图12－5 甲类功率放大器三极管的β是100，集电极电流是：

IC＝β×IB  ＝100×1mA＝100 mA

从图12－6可知负载线具有100 mA的工作点。

在产生失真之前,放大器输出信号能被驱动到负载线的极限。电压的最大幅值是16Vp-p。电流最大幅值是200 mA p-p。这两个最大值如图12－6所示。现在我们计算信号的功率。电压的有效值换算如下：

Urms=( Up-p / 2)×0.707 =( 16V/ 2)×0.707 =5.66V

电流有效值换算如下：

Irms=( Ip-p / 2)×0.707 =( 200 mA/ 2)×0.707 =70.7 mA

信号功率由如下：

P = Urms×Irms=5.66V×70.7 mA =0.4W

最大功率是0.4W      

与产生这样信号功率有关的直流功率是多少？电源电压16V，从电源上取得的电流包括基极与集电极电流，基极电流相当小，可以忽略，集电极平均电流是100mA。因此平均功率是：

P = U×I =16V×100mA =1.6W

放大器为了产生0.4W信号功率从电源取得1.6W功率,放大器的效率是：

效率= (Pac/ Pdc) ×100 % = (0.4/1.6 ) ×100 % = 25 %

说明电阻负载甲类放大器最大效率是25%。只有当放大器最大输出时才能有这样效率。当放大器没有足够的驱动功率，效率要下降。上面等式中的1.6W是不变的，驱动信号为零时,效率降低到零。从电源输入的功率是输出功率的四倍。这些功率的四分之三变作热浪费在负载和晶体三极管上，晶体三极管有时需要加一个大的散热器。

例12-3

如图12－5所示放大器产生一个8Vp-p的正弦波，确定其效率。

首先求出信号电压的有效值：

Urms=(Up-p/2) ×0.707 =(8/2) ×0.707 = 2.83V

计算输出功率：

P = U2 / R =2.832/80 = 0.1W

在甲类放大器中直流输入功率不变,，因此效率是：

η=(Pac / Pdc) ×100% =(0.1W/1.6W ) ×100% = 6.25%

例12－4

在例12－3的放大器的损耗是多少？在没有输入信号时它的损耗是多少？

损耗是输入与输出之差：

P损耗=Pi n－Po u t=1.6W－0.1W=1.5W

没有输入信号，就不存在输出信号

P损耗= Pin－Pout=1.6W－0W=1.6W

甲类放大器将大量直流功率消耗在电阻上。

图12－7所示是变压器耦合甲类功率放大器，变压器能把信号的能量耦合到负载上，现在负载上没有直流流过。变压器耦合允许产生两倍信号功率。

如图12－7与图12－5有同样的电源电压，同样的偏置电阻，同样的晶体三极管和同样的负载。不同的是使用耦合变压器。现在直流情况完全不同，变压器线圈有很低的电阻，这意味着在工作点上电源的电压都降落在晶体三极管上。用变压器耦合的放大器的直流负载线如图12－8所示，它是一根垂线，表示集电极电流变化时电压不变。工作点电流还是100mA，这是因为基极电流和放大倍数β不变，与集电极串联的80Ω电阻没有了，所有的电源电压都降落在晶体三极管上。实际上,负载线不是完全垂直，变压器甚至电源总有一点电阻。

在变压器耦合的放大器中还存在第二根负载线,它是由于在集电极电路里有交流负载引出的结果，它被称作为交流负载线。在图12－7的集电极电路中交流负载不是80Ω。记住变压器是降压型的，变压器阻抗比等于匝数比的平方，因此在集电极电路中交流负载是：

RLac＝(1.41)2×80Ω=160Ω

注意在图12－8中的交流负载线是从32V到200mA的连线。因为要满足160Ω的阻抗

Z＝U/I＝32V/200mA＝160Ω

还要注意，交流负载线要从静态工作点通过，直流负载线和交流负载线必定通过同一个工作点。

为什么交流负载线要延伸到两倍的电源电压？可从两个方面解释。第一，如果它通过工作点并且满足160Ω的倾斜度，必定延伸到32V。第二，变压器是典型的磁耦合器件，当磁场减小，就产生一个电压，添加到串联的电源电压上。这样在变压器耦合的放大器中，在达到阻抗匹配与满激励时UCE 的最大值等于两倍电源电压。比较图12－8与图12－6，具有变压器的输出摆幅增大了一倍。因此信号的功率是：

PL=(0.707×16)2/160=0.8W

放大器直流功率没有变。电源电压还是16V，平均电流还是100mA。对于同样直流输入功率，具有变压器耦合的甲类放大器有两倍的信号功率。具有变压器耦合的甲类放大器的最大效率是：

η＝(Pac/Pdc)×100％＝0.8/1.6×100%＝50%                                                                                      

然而，只有在输入信号将输出驱动到最大电平时，才能达到这个效率。对于小信号效率要减少，当放大器没有信号驱动效率下降到零。

在一些应用中50％的效率是能够接受的。有时甲类放大器应用在中等功率的放大器（大约在5W以下）。变压器可能是昂贵的器件，例如在高质量的音频放大器，输出变压器成本比放大器的其他部分总和还要多。现在大功率和高品质的放大器，常用其他结构形式的放大器。

上述计算忽略一些损失。首先，我们忽略了晶体三极管的饱和电压。实际上UCE不能降到0V。功放晶体三极管的饱和电压是0.7V， 它必须从输出摆幅值减去。第二，在变压器耦合放大器中我们忽视了变压器的损失。变压器不能有百分之百的效率。在音频中的小变压器效率只有百分之75。百分之25和百分之50的计算效率是理论的最大值，实际上不能实现。

例12－5

如果变压器的效率是百分之80图12－7所示放大器的最大效率是多少?

解：系统的总效率是分效率之积 ：

η＝0.5×0.8×100%=40%

甲类放大器还存在另一个问题，就是即使在没有放大信号，电源提供固定功率，在我们的例题中电源固定在1.6W。很多功率放大器需要调节信号的电平，例如在音频放大器中要处理宽范围音量电平，当音量很低时甲类放大器的效率很低。