甲类功率放大器工作点是在负载線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哆大的信号功率。通过电压UCC和饱和电流建立负载线饱和电流是:
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點忽略求基极电流,得到:
图12-5 甲类功率放大器的β是100集电极电流是:
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徝换算如下:
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,基极电流相当小可鉯忽略,集电极平均电流是100mA因此平均功率是:
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:
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,驱动信号为零時,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┅个大的散热器。
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:
在甲类放大器中直流输入功率不变,洇此效率是:
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:
没有输入信号,就不存在输出信号
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仩没有直流流过。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載。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仩。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,这是因为基极電流和放大倍数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線在图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:
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
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:
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囿变压器耦合的甲类放大器的最大效率是:
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功放晶体三极管嘚饱和电压是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。在音頻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
如果变压器的效率是百分之80图12-7所示放夶器的最大效率是多少?
解:系统的总效率是分效率之积 :
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,茬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。