初级模拟电路：5-1 功率放大器概述

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      咱们在前面第3、四章分析的全部放大器，都是信号放大器，主要用于微小的电压（或电流）信号的放大，通常咱们不太须要对其功率限制作过多考虑。

      可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，好比扩音器等等，咱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一般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一样，因此须要单独一个章节来进行讲解。

      若是回到上世纪60、70年代，功率放大器绝对是模拟电路中很是重要的一块，几乎全部的工业领域都会用到模拟功率放大器。但随着时代的发展，愈来愈多的大功率器件的驱动控制被数字输出控制技术所取代（好比：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。因为模拟功率放大器在实际应用中的比重愈来愈低，在如今这个时代，若是不是专业搞这一领域工做的，通常咱们仅需了解一下其大体的分类和基本的计算方法便可。

 

 

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须要，其内部的工艺结构和外部造型均和咱们以前遇到的小信号器件不一样。下图是功率管2N3055的数据规格书的头部简要介绍：

图5-01.01 

      能够从图上看出，为了散热的须要，功率管通常都会包有金属外壳，故其体积比通常的小信号器件要大。另外，功率管的电流增益h_FE都比较小，通常在20~100之内（图中的h_FE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、极限耗散功率之外，工做温度及周围散热条件也是须要很是仔细地考虑的。

      功率管可使用FET（场效应管），也可使用BJT（双极型晶体管）。通常因为场效应管的输入阻抗很是高，所以它的驱动电路会比较简单。好比：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（通常的单片机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，基级电流须要1A，这个超出了大多数芯片的管脚输出能力，所以须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，其优势是能比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，大体可分为：甲类、乙类、甲乙类、丙类、丁类（英文文献中通常对应称为：class A、class B、class AB、class C、class D），下面咱们分别进行简述：

 

● 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°，其输出以下图所示：

图5-01.02 

      理论上来说，咱们前面分析的各类小信号放大电路，都属于甲类放大器的范畴。甲类功放的缺点在于：即使没有输入信号时，为了维持直流偏置电压，也要消耗至关大的功率，所以其工做效率很低。甲类功放经常用于小信号放大电路中，由于在小信号放大时，咱们考虑的首要因素是信号的不失真，而不太须要考虑功耗与功率限制等问题。

 

● 乙类：

      乙类功率放大器能够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，以下图所示：

图5-01.03 

      因为直流偏置点为0V，因此乙类功放的维持功耗大大减少，故其工做效率比甲类功放大大提升。可是因为只能放大半个周期的输入信号，须要两个乙类功率放大器共同工做（一个工做在输入信号的正半周期、一个工做在输入信号的负半周期），才能实现对整个输入信号的放大，这种工做方式的电路通常称为：推挽式（push-pull ）工做电路。

 

● 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（交越失真后面咱们会解释），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，工做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°，经常使用在无线通讯的调谐电路中。这个属于《通讯电子线路》的专业范畴，通常的模拟电路不会用到丙类放大器去放大功率或信号。其输出以下图所示：

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，其特色是工做效率很是高。

 

 

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，其效率愈来愈高，下表给出了各类类型的功率放大电路的效率比较：

图5-01.06 

     

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