功率放大电路是用来输出较大功率的电路,功率放大电路的主要任务是,在允许的失真限度内,尽可能高效率地向负载提供足够大的功率。
★输出功率Pom
输出功率:功率放大电路提供给负载的信号功率称不输出功率。
计算方法:输入为正弦波且输出基本不失真条件下,输出功率是交流功率Po=IoUo,Io和Uo均为交流有效值。
输出功率Pom:是在电路参数确定的情况下负载上可能获得的交流功率。
★转换效率η
转换效率:功率放大电路的输出功率与电源所提供的功率之比称为转换效率。
电源直流功率:其值等于电源输出电流平均值及其电压之积。
晶体管的极限参数:晶体管集电极电流ICM,管压降U(BR)CEO,耗散功率PCM。
在选择功率放管时,要特别注意极限参数的选择,以保证管子安全工作。
(1)输出功率要大。输出功率Po = UoIo,要获得大的输出功率,不仅要求输出电压高,而且要求输出电流大。因此,晶体管工作在大信号尽限运用状态,应用时要考虑管子的极限参数,注意管子的安全。
(2)效率要高。放大信号的过程就是晶体管按照输入信号的变化规律,将直流电源提供的能量转换为交流能量的过程。其转换效率为负载上获得的信号功率和电源供给的功率之比值。
(3)合理的设置功放电路的工作状态。
功放电路的工作状态有甲类、乙类、甲乙类及丙类。
由于在能量转换的过程中,晶体管要消耗一定的能量,从而造成了η下降。显然,要提高η,就要设法减小晶体管的损耗。而晶体管的损耗与静态工作点密切相关。图I0401 给出了晶体管的几种工作状态及对应的输出波形。由图可见,甲类状态,iC始终存在,没有信号输入时,直流电源供给的能量全部消耗在晶体管上,这种状态的效率很低,乙类状态,没有信号输入时,iC = 0,晶体管不消耗能量,这种状态的效率较高。这就指明了提高效率的途径是降低静态工作点。
(4)失真要小。 甲类功放通过合理设置静态工作点,非线性失真可以很小,但它的效率低。乙类状态虽然效率高,但输出波形却出现了严重失真。为了保存乙类状态高效率的优点,可以设想让两个管子轮流工作在输入信号的正半周和负半周,并使负载上得到完整的输出波形,这样既减小了失真,又提高了效率,还扩大了电路的动态范围。因而在买际中得到广泛应用。
甲类:在放大电路中,当输入信号为正弦波时,若晶体管在信号的整个周期内均导通(即导通角θ=360°),则称之工作在甲类状态;
乙类:若晶体管仅在信号的正半周或负半周导通(即θ=180°),则称之工作在乙类状态;
甲乙类:若晶体管的导通时间大于半个周期且小于一个周期(即θ=180°~360°之间),则称之工作在甲乙类状态;
单管变压器耦合功率放大电路
如图所示,
电源提供的功率为
PV=ICQVCC
从变压器原边向负载方向看的交流等效电阻为
输出功率为
电源提供的功率仍为
PV=ICQVCC
电路的效率
无输出变压器的功率放大电路
无输出变压器的功率放大电路(简称OTL电路):用一个大电容取代了变压器,如下图所示。理想情况下,输入电压为正弦波时的工作原理:
◆当ui>0时,T1管导通,T2管截止,电流如图所示,由于T1和RL组成的电路为射极输出形式,uo≈ui;
◆当ui<0时,T2管导通,T1管截止,电流如图所示,由于T1和RL组成的电路也为射极输出形式,uo≈ui;
故电路输出电压跟随输入电压。
无输出电容的功率放大电路
无输出电容的功率放大电路,简称OCL电路。 理想情况下,输入电压为正弦波时的工作原理:
◆当ui>0时,T1管导通,T2管截止,正电源供电,电流如右图所示,电路为射极输出形式,uo≈ui;
◆当ui<0时,T2管导通,T1管截止,负电源供电,电流如图所示,电路也为射极输出形式,uo≈ui;
可见电路实现了“T1和T2交替工作,正、负电源交替供电,输出与入之间双向跟随”。
桥式推挽功率放大电路
为实现单电源供电,且不用变压器和大电容,可采用桥式推挽功率放大电路,简称BTL电路,如下图所示。
理想情况下,输入电压为正弦波的工作原理:
◆当ui>0时,T1和T4管导通,T2和T3管截止,电流如图所示,负载上获得正半周电压;
◆当ui<0时,T2和T3管导通,T1和T4管截止,电流如图所示,负载上获得负半周电压,因而负载上获得交流功率。
BTL电路输出功率大。 综上所述,OTL、OCL和BTL电路中晶体管均工作在乙类状态,它们各有优缺点,且均有集成电路,使用时应根据需要合理选择。