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放大器學習:帶你探究甲類放大器

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放大器學習:帶你探究甲類放大器

分類:
電源技術
作者:
廣州市愛浦電子科技有限公司
來源:
原創
發布時間:
2020/11/11
瀏覽量

公共發射器(CE)放大器旨在通過僅幾毫伏的相對較小的輸入信號電壓產生較大的輸出電壓擺幅,并且主要用作“小信號放大器”,正如我們在前面的教程中所看到的那樣。

但是,有時需要放大器來驅動諸如揚聲器之類的大電阻負載或驅動機器人中的電動機,并且對于需要高開關電流的這些類型的應用,需要功率放大器。
功率放大器(也稱為“大信號放大器”)的主要功能是提供功率,該功率是電壓和電流到負載的乘積。基本上,功率放大器還是電壓放大器,區別在于連接到輸出的負載電阻相對較低,例如4Ω或8Ω的揚聲器會導致高電流流經晶體管的集電極。
由于這些高負載電流,用于功率放大器輸出級(例如2N3055)的輸出晶體管需要比用于小信號放大器(例如BC107)的常規晶體管更高的電壓和功率額定值。
由于我們有興趣向負載提供最大的交流電,同時又要消耗來自電源的最小直流電,因此我們最關心的是放大器的“轉換效率”。
但是,功率放大器,尤其是A類放大器的主要缺點之一是,它們的整體轉換效率非常低,因為大電流意味著會以熱量的形式損失大量功率。放大器的效率百分比定義為負載中耗散的均方根輸出功率除以從電源獲取的總直流功率,如下所示。
功率放大器效率


 

•    哪里:
•    η%   –是放大器的效率。
•    Pout   –是放大器輸出到負載的功率。
•    Pdc   –是從電源獲取的直流電源。
對于功率放大器,非常重要的一點是,放大器的電源必須經過精心設計,以為輸出信號提供最大的可用連續功率。
甲類放大器
功率放大器配置中最常用的類型是A類放大器。A類放大器是功率放大器的最簡單形式,它使用標準共發射極電路配置中的單個開關晶體管,如前所述,以產生反相輸出。晶體管始終偏置為“ ON”,以便在輸入信號波形的一個完整周期內導通,從而產生最小失真和最大輸出信號幅度。
這意味著A類放大器配置是理想的工作模式,因為即使在周期的負半段內也不會對輸出波形產生交叉或關斷失真。A類功率放大器輸出級可以使用單個功率晶體管或連接在一起的晶體管對來共享高負載電流。考慮下面的A類放大器電路。
單級放大器電路

這是A類功率放大器電路中最簡單的類型。它的輸出級使用單端晶體管,其電阻負載直接連接到集電極端子。當晶體管切換為“ ON”時,它將吸收通過集電極的輸出電流,從而導致發射極電阻兩端不可避免的電壓降,從而限制了負輸出能力。
這類電路的效率非常低(不到30%),并且輸出功率小,直流電源消耗大。即使沒有施加輸入信號,A類放大器級也會通過相同的負載電流,因此輸出晶體管需要較大的散熱器。
然而,增加電路的電流處理能力同時獲得更大功率增益的另一種簡單方法是用達林頓晶體管代替單輸出晶體管。這些類型的設備基本上是單個封裝中的兩個晶體管,一個是小的“先導”晶體管,另一個是更大的“開關”晶體管。這些設備的最大優點是輸入阻抗適當大而輸出阻抗相對低,從而減少了功率損耗,從而減少了開關設備內的熱量。
達林頓晶體管配置

達林頓器件的總電流增益Beta(β)或hfe值是晶體管的兩個單獨增益相乘的乘積,與單個晶體管電路相比,非常高的β值以及較高的集電極電流是可能的。
為了提高A類放大器的全功率效率,可以設計一個電路,將一個變壓器直接連接在集電極電路中,以形成稱為變壓器耦合放大器的電路。變壓器通過使用變壓器的匝數比(n)使負載的阻抗與放大器的輸出阻抗相匹配來提高放大器的效率,下面給出一個示例。
變壓器耦合放大器電路

由于集電極電流的變化,集電極電流Ic減小到基極偏置電壓設置的靜態Q點以下,變壓器鐵芯中的磁通量崩潰,從而在變壓器初級繞組中產生感應電動勢。這導致瞬時集電極電壓上升到兩倍于電源電壓2Vcc的值,從而在集電極電壓最小時提供最大集電極電流Ic兩倍。然后,可以按以下方式計算此類A類放大器配置的效率。
均方根集電極電壓為:
 
均方根集電極電流為:
 
因此,傳遞給負載(Pac)的均方根功率為:
 
從電源獲得的平均功率(Pdc)由下式給出:
 
因此,變壓器耦合的A類放大器的效率為:
 
輸出變壓器通過使負載的阻抗與放大器的輸出阻抗相匹配來提高放大器的效率。通過使用具有合適匝數比的輸出或信號變壓器,對于大多數商用A類功率放大器具有這種配置,A類放大器效率可能達到40%。
但是,由于變壓器的繞組和鐵芯,因此它是一個電感性設備,因此最好避免在放大器開關電路中使用電感性組件,因為產生的任何反電動勢都可能在沒有足夠保護的情況下損壞晶體管。
這種類型的變壓器耦合的A類放大器電路的另一個大缺點是所需的音頻變壓器的額外成本和尺寸。
放大器給出的“類別”或分類的類型實際上取決于導通角,即晶體管在其中導通的輸入波形周期的360 o部分。在A類放大器中的導通角是完整的360 Ò或輸入信號的100%,而在其它放大器類較小的導通角在晶體管導通。
通過在輸出級中使用兩個互補晶體管,一個晶體管為NPN或N溝道類型,而另一個晶體管為PNP或P溝道,則可以獲得比A類放大器更大的功率輸出和效率。補碼)類型(稱為“推挽”配置)。

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