功率放大是一种能量转换的电路,在输入信号的作用下,晶体管把直流电源的能量,转换成随输入信号变化的输出功率送给负载,对功率放大要求如下:(1)输出功率要大:要增加放大器的输出功率,必须使晶体管运行在极限的工作区域附近,由icm、ucm和pcm决定见图一。图一(2)效率η要高:放大器的效率η定义为:η=交流输出功率/直流输入功率(3)非线性失真在允许范围内:由于功率放大器在大信号下工作,所以非线性失真是难免的,问题是要把失真控制在允许范围内,功率放大器按工作状态和电路形式可分成以下几种:(1)甲类功率放大器:在整个信号周期内,存在集电极电流;(2)乙类功率放大器:只有半个信号周期内,存在集电极电流,按电路形式它又可分为:1)双端推挽电路(depp)2)单端推挽电路(sepp)3)平衡无变压器电路(btl)在实际中,为了克服交越失真,推挽式昌体管电路是工作于甲、乙类状态的。一、甲类功率放大器图一是甲类功率放大器,负载rl通过阻抗变换器b变成集电极负载rl=n
rlo对直流来说,变压器b初级直流电阻和re均很小,所以直流负载线接近一条垂直线见图一(b)为使放大器输出较大功率,可使交流负载线处于a点和b点位置:a点的uce=ucm,而工作点q处于ab直线中点,通常晶体管的饱和压降和穿透电流都很小,实际上可以认为icmin=0和ucemin=0o 因此,供给负载的电流和电压振幅分别为:icm=icm/2, ucem=ucm/2 ------------------------------------------------式1负载的交流功率(或放大器输出功率)为:pl=(ucem/
)×(icm/
)=(icm/
)×(ucm/
)=(1/8)icm×ucm-------式2工作点q的集电极电流icq和电压uceq分别为:icq=icm/2, uceq=ec=ucm/2---------------------------------------------式3所以,直流电源的输入功率:pd=icq×uceq=(icm/2)×(ucm/2)=1/4icmucm-------------------------------式4甲类功率放大器的效率为:η=pl/pd=50%---------------------------------------------------------式5可见:(1)晶体管的最大集射电压为电源电压ec的两倍。(2)晶体管静态时耗功率为输出功率的两倍。(3)甲类放大器的效率最高只有50%。二、乙类推挽电路图2(a)为乙类推挽电路,由于输出端使用变压器,因而晶体管对地有两个输出端,设电路完全对称,当输入信号us为正半波时,bg1截止、bg2导通,输出电压ul为负半波,因此,两管轮流导通,一推一挽地工作,故称为推挽电路。由于两管轮流地工作,所以把两管的输出特性按相反方向叠在一起,两管的交流负载线正好连成直线ab,工作点q处于直线ab的中点,如图2(b)所示,从图中可看出各电量的关系:(1)如输出变压器的初级和次级绕组的匝数比为n,则每只晶体管的负载电阻rl为:rl=(n/2)
rl=(n
/4)rl--------------------------------------------式6而集电极与集电极之间的电阻rcc为rcc=n
rl=4rl-----------------------------------------------------式7(2)变压器b2的初级绕组端电压振幅为:ucem=uceq≈ec----------------------------------------------------式8初级绕组电流振幅为:icm=icm----------------------------------------------------------式9所以输送到初级绕组的功率为:ps=(ucem/
)×(icm/
)=(1/2)ecicm------------------------------式10(3)通过每只晶体管的电流平均值为:ico=icm/π-------------------------------------------------------式11由直流电源供给的功率为pd=(2ico)ec=2×(icm/π)×ec--------------------------------------式12(4)推挽电路的效率为:η=(ps/pd)100%={(1/2×ec×icm)/[2×(icm/π)×ec]}100%≈78.5%-----式13设计推挽电路时要注意:(1)为避免交越失真,晶体管应具有一定的偏置电流,但不要过大,否则使电路效率降低。(2)晶体管的最大集电极电压ucm>2ec。(3)晶体管的耗散功率pcm≥1.2pc1,其中pc1为每只晶体管送给变压器b2初级的功率,即pc1=[(1/2)pso]。(4)根据pc1及ec1的要求,算出晶体管负载电阻pl及输出变压器的匝数比n。
图2