初級模擬電路:5-1 功率放大器概述


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      我們在前面第三、四章分析的所有放大器,都是信號放大器,主要用於微小的電壓(或電流)信號的放大,一般我們不太需要對其功率限制做過多考慮。

      但是另有一種類型的放大器,其目的主要是為了放大功率,來驅動一些大功率設備,比如擴音器等等,我們稱之為功率放大器(power amplifier),有時也簡稱:功放。功率放大器的輸出電壓通常可達到幾十瓦甚至幾百瓦,其計算方式也和前面的信號放大器顯著不同,所以需要單獨一個章節來進行講解。

      如果回到上世紀60、70年代,功率放大器絕對是模擬電路中非常重要的一塊,幾乎所有的工業領域都會用到模擬功率放大器。但隨着時代的發展,越來越多的大功率器件的驅動控制被數字輸出控制技術所取代(比如:電機控制、大功率燈光控制等等),甚至最傳統的擴音設備的功率放大輸出,也逐漸被數字驅動所取代。由於模擬功率放大器在實際應用中的比重越來越低,在現在這個時代,如果不是專業搞這一領域工作的,一般我們僅需了解一下其大致的分類和基本的計算方法即可。

 

 

1. 功率管

      功率放大器使用的BJT晶體管或FET場效應管稱為功率管,為了適應大功率輸出的需要,其內部的工藝結構和外部造型均和我們之前遇到的小信號器件不同。下圖是功率管2N3055的數據規格書的頭部簡要介紹:

圖5-01.01 

      可以從圖上看出,為了散熱的需要,功率管一般都會包有金屬外殼,故其體積比一般的小信號器件要大。另外,功率管的電流增益hFE都比較小,一般在20~100以內(圖中的hFE為20~70)。

      在設計使用功率管時,除了要考慮其極限電壓、極限電流、極限耗散功率以外,工作溫度及周圍散熱條件也是需要非常仔細地考慮的。

      功率管可以使用FET(場效應管),也可以使用BJT(雙極型晶體管)。一般由於場效應管的輸入阻抗非常高,因此它的驅動電路會比較簡單。比如:一個10A的FET功率管其柵極可由一個普通的邏輯芯片的輸出來驅動(一般的單片機I/O引腳都能勝任)。與此對比,一個電流放大系數為β=10的10A的BJT功率管,當集電極電流為10A時,基級電流需要1A,這個超出了大多數芯片的管腳輸出能力,因此需要配套設計更加復雜的驅動電路。但BJT功率管也有它的好處,其優點是能比FET功率管輸出更高的電流和功率,成本相對更低。

 

 

2. 功率放大器的分類

      傳統的功率放大器按其處理輸入信號的方式,大致可分為:甲類、乙類、甲乙類、丙類、丁類(英文文獻中一般對應稱為:class A、class B、class AB、class C、class D),下面我們分別進行簡述:

 

● 甲類:

      甲類功率放大器是最基本的放大器,其輸入信號的整個周期都能放大輸出,導通周期為360°,其輸出如下圖所示:

圖5-01.02 

      理論上來講,我們前面分析的各種小信號放大電路,都屬於甲類放大器的范疇。甲類功放的缺點在於:即便沒有輸入信號時,為了維持直流偏置電壓,也要消耗相當大的功率,因此其工作效率很低。甲類功放常常用於小信號放大電路中,因為在小信號放大時,我們考慮的首要因素是信號的不失真,而不太需要考慮功耗與功率限制等問題。

 

● 乙類:

      乙類功率放大器可以提供輸入信號半個周期的放大,導通周期為180°,電路的直流偏置點是0V,如下圖所示:

圖5-01.03 

      由於直流偏置點為0V,所以乙類功放的維持功耗大大減小,故其工作效率比甲類功放大大提高。但是由於只能放大半個周期的輸入信號,需要兩個乙類功率放大器共同工作(一個工作在輸入信號的正半周期、一個工作在輸入信號的負半周期),才能實現對整個輸入信號的放大,這種工作方式的電路一般稱為:推挽式(push-pull )工作電路。

 

● 甲乙類:

      甲乙類功率放大器的直流偏置點略高於乙類功放的0V,主要是用來消除乙類功放的交越失真用的(交越失真后面我們會解釋),其對輸入信號的放大大於半個周期,即導通周期介於180°~360°之間,工作效率也介於甲類和乙類之間。其輸出入下圖所示:

圖5-01.04 

 

● 丙類:

      丙類功率放大器對輸入信號的放大小於半個周期,即導通周期小於180°,常用在無線通信的調諧電路中。這個屬於《通信電子線路》的專業范疇,一般的模擬電路不會用到丙類放大器去放大功率或信號。其輸出如下圖所示:

圖5-01.05 

 

● 丁類:

      丁類功率放大器是用來放大數字(脈沖)信號的,已經屬於數字控制的范疇了,其英文“class D”也有Digital(數字)的含義,其特點是工作效率非常高。

 

 

3. 功率放大器的效率

      功率放大器的效率,定義為:輸出功率和輸入功率的比值。從甲類到丁類功率放大器,其效率越來越高,下表給出了各種類型的功率放大電路的效率比較:

圖5-01.06 

     

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