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  • 初级模拟电路:5-1 功率放大器概述

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          我们在前面第三、四章分析的所有放大器,都是信号放大器,主要用于微小的电压(或电流)信号的放大,一般我们不太需要对其功率限制做过多考虑。

          但是另有一种类型的放大器,其目的主要是为了放大功率,来驱动一些大功率设备,比如扩音器等等,我们称之为功率放大器(power amplifier),有时也简称:功放。功率放大器的输出电压通常可达到几十瓦甚至几百瓦,其计算方式也和前面的信号放大器显著不同,所以需要单独一个章节来进行讲解。

          如果回到上世纪60、70年代,功率放大器绝对是模拟电路中非常重要的一块,几乎所有的工业领域都会用到模拟功率放大器。但随着时代的发展,越来越多的大功率器件的驱动控制被数字输出控制技术所取代(比如:电机控制、大功率灯光控制等等),甚至最传统的扩音设备的功率放大输出,也逐渐被数字驱动所取代。由于模拟功率放大器在实际应用中的比重越来越低,在现在这个时代,如果不是专业搞这一领域工作的,一般我们仅需了解一下其大致的分类和基本的计算方法即可。

    1. 功率管

          功率放大器使用的BJT晶体管或FET场效应管称为功率管,为了适应大功率输出的需要,其内部的工艺结构和外部造型均和我们之前遇到的小信号器件不同。下图是功率管2N3055的数据规格书的头部简要介绍:

    图5-01.01 

          可以从图上看出,为了散热的需要,功率管一般都会包有金属外壳,故其体积比一般的小信号器件要大。另外,功率管的电流增益hFE都比较小,一般在20~100以内(图中的hFE为20~70)。

          在设计使用功率管时,除了要考虑其极限电压、极限电流、极限耗散功率以外,工作温度及周围散热条件也是需要非常仔细地考虑的。

          功率管可以使用FET(场效应管),也可以使用BJT(双极型晶体管)。一般由于场效应管的输入阻抗非常高,因此它的驱动电路会比较简单。比如:一个10A的FET功率管其栅极可由一个普通的逻辑芯片的输出来驱动(一般的单片机I/O引脚都能胜任)。与此对比,一个电流放大系数为β=10的10A的BJT功率管,当集电极电流为10A时,基级电流需要1A,这个超出了大多数芯片的管脚输出能力,因此需要配套设计更加复杂的驱动电路。但BJT功率管也有它的好处,其优点是能比FET功率管输出更高的电流和功率,成本相对更低。

    2. 功率放大器的分类

          传统的功率放大器按其处理输入信号的方式,大致可分为:甲类、乙类、甲乙类、丙类、丁类(英文文献中一般对应称为:class A、class B、class AB、class C、class D),下面我们分别进行简述:

    ● 甲类:

          甲类功率放大器是最基本的放大器,其输入信号的整个周期都能放大输出,导通周期为360°,其输出如下图所示:

    图5-01.02 

          理论上来讲,我们前面分析的各种小信号放大电路,都属于甲类放大器的范畴。甲类功放的缺点在于:即便没有输入信号时,为了维持直流偏置电压,也要消耗相当大的功率,因此其工作效率很低。甲类功放常常用于小信号放大电路中,因为在小信号放大时,我们考虑的首要因素是信号的不失真,而不太需要考虑功耗与功率限制等问题。

    ● 乙类:

          乙类功率放大器可以提供输入信号半个周期的放大,导通周期为180°,电路的直流偏置点是0V,如下图所示:

    图5-01.03 

          由于直流偏置点为0V,所以乙类功放的维持功耗大大减小,故其工作效率比甲类功放大大提高。但是由于只能放大半个周期的输入信号,需要两个乙类功率放大器共同工作(一个工作在输入信号的正半周期、一个工作在输入信号的负半周期),才能实现对整个输入信号的放大,这种工作方式的电路一般称为:推挽式(push-pull )工作电路。

    ● 甲乙类:

          甲乙类功率放大器的直流偏置点略高于乙类功放的0V,主要是用来消除乙类功放的交越失真用的(交越失真后面我们会解释),其对输入信号的放大大于半个周期,即导通周期介于180°~360°之间,工作效率也介于甲类和乙类之间。其输出入下图所示:

    图5-01.04 

    ● 丙类:

          丙类功率放大器对输入信号的放大小于半个周期,即导通周期小于180°,常用在无线通信的调谐电路中。这个属于《通信电子线路》的专业范畴,一般的模拟电路不会用到丙类放大器去放大功率或信号。其输出如下图所示:

    图5-01.05 

    ● 丁类:

          丁类功率放大器是用来放大数字(脉冲)信号的,已经属于数字控制的范畴了,其英文“class D”也有Digital(数字)的含义,其特点是工作效率非常高。

    3. 功率放大器的效率

          功率放大器的效率,定义为:输出功率和输入功率的比值。从甲类到丁类功率放大器,其效率越来越高,下表给出了各种类型的功率放大电路的效率比较:

    图5-01.06 

         

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