放大器学习：带你探究甲类放大器

电源

公共发射器（CE）放大器旨在通过仅几毫伏的相对较小的输入信号电压产生较大的输出电压摆幅，并且主要用作“小信号放大器”，正如我们在前面的教程中所看到的那样。

但是，有时需要放大器来驱动诸如扬声器之类的大电阻负载或驱动机器人中的电动机，并且对于需要高开关电流的这些类型的应用，需要功率放大器。

功率放大器（也称为“大信号放大器”）的主要功能是提供功率，该功率是电压和电流到负载的乘积。基本上，功率放大器还是电压放大器，区别在于连接到输出的负载电阻相对较低，例如4Ω或8Ω的扬声器会导致高电流流经晶体管的集电极。

由于这些高负载电流，用于功率放大器输出级（例如2N3055）的输出晶体管需要比用于小信号放大器（例如BC107）的常规晶体管更高的电压和功率额定值。

由于我们有兴趣向负载提供最大的交流电，同时又要消耗来自电源的最小直流电，因此我们最关心的是放大器的“转换效率”。

但是，功率放大器，尤其是A类放大器的主要缺点之一是，它们的整体转换效率非常低，因为大电流意味着会以热量的形式损失大量功率。放大器的效率百分比定义为负载中耗散的均方根输出功率除以从电源获取的总直流功率，如下所示。

功率放大器效率

哪里：
η％ –是放大器的效率。
Pout –是放大器输出到负载的功率。
Pdc –是从电源获取的直流电源。

对于功率放大器，非常重要的一点是，放大器的电源必须经过精心设计，以为输出信号提供最大的可用连续功率。

甲类放大器

功率放大器配置中最常用的类型是A类放大器。A类放大器是功率放大器的最简单形式，它使用标准共发射极电路配置中的单个开关晶体管，如前所述，以产生反相输出。晶体管始终偏置为“ ON”，以便在输入信号波形的一个完整周期内导通，从而产生最小失真和最大输出信号幅度。

这意味着A类放大器配置是理想的工作模式，因为即使在周期的负半段内也不会对输出波形产生交叉或关断失真。A类功率放大器输出级可以使用单个功率晶体管或连接在一起的晶体管对来共享高负载电流。考虑下面的A类放大器电路。

单级放大器电路

这是A类功率放大器电路中最简单的类型。它的输出级使用单端晶体管，其电阻负载直接连接到集电极端子。当晶体管切换为“ ON”时，它将吸收通过集电极的输出电流，从而导致发射极电阻两端不可避免的电压降，从而限制了负输出能力。

这类电路的效率非常低（不到30％），并且输出功率小，直流电源消耗大。即使没有施加输入信号，A类放大器级也会通过相同的负载电流，因此输出晶体管需要较大的散热器。

然而，增加电路的电流处理能力同时获得更大功率增益的另一种简单方法是用达林顿晶体管代替单输出晶体管。这些类型的设备基本上是单个封装中的两个晶体管，一个是小的“先导”晶体管，另一个是更大的“开关”晶体管。这些设备的最大优点是输入阻抗适当大而输出阻抗相对低，从而减少了功率损耗，从而减少了开关设备内的热量。

达林顿晶体管配置

达林顿器件的总电流增益Beta（β）或hfe值是晶体管的两个单独增益相乘的乘积，与单个晶体管电路相比，非常高的β值以及较高的集电极电流是可能的。

为了提高A类放大器的全功率效率，可以设计一个电路，将一个变压器直接连接在集电极电路中，以形成称为变压器耦合放大器的电路。变压器通过使用变压器的匝数比（n）使负载的阻抗与放大器的输出阻抗相匹配来提高放大器的效率，下面给出一个示例。

变压器耦合放大器电路

由于集电极电流的变化，集电极电流Ic减小到基极偏置电压设置的静态Q点以下，变压器铁芯中的磁通量崩溃，从而在变压器初级绕组中产生感应电动势。这导致瞬时集电极电压上升到两倍于电源电压2Vcc的值，从而在集电极电压最小时提供最大集电极电流Ic两倍。然后，可以按以下方式计算此类A类放大器配置的效率。

均方根集电极电压为：

均方根集电极电流为：

因此，传递给负载（Pac）的均方根功率为：

从电源获得的平均功率（Pdc）由下式给出：

因此，变压器耦合的A类放大器的效率为：

输出变压器通过使负载的阻抗与放大器的输出阻抗相匹配来提高放大器的效率。通过使用具有合适匝数比的输出或信号变压器，对于大多数商用A类功率放大器具有这种配置，A类放大器效率可能达到40％。

但是，由于变压器的绕组和铁芯，因此它是一个电感性设备，因此最好避免在放大器开关电路中使用电感性组件，因为产生的任何反电动势都可能在没有足够保护的情况下损坏晶体管。