公共发射器（CE）放大器旨在通过仅几毫伏的相对较小的输入信号电压产生较大的输出电压摆幅，并且主要用作“小信号放大器”，正如我们在先前的教程中所看到的那样。
但是，有时需要放大器来驱动诸如扬声器之类的大电阻负载或驱动机器人中的电动机，并且对于需要高开关电流的这些类型的应用，需要功率放大器。
功率放大器（也称为“大信号放大器”）的主要功能是提供功率，该功率是电压和电流到负载的乘积。基本上，功率放大器还是电压放大器，区别在于连接到输出的负载电阻相对较低，例如4Ω或8Ω的扬声器会导致高电流流经晶体管的集电极。
由于这些高负载电流，用于功率放大器输出级（例如2N3055）的输出晶体管需要比用于小信号放大器（例如BC107）的常规晶体管更高的电压和功率额定值。
由于我们有兴趣向负载提供最大的交流电，同时又要消耗电源产生的最小直流电，因此我们最关心的是放大器的“转换效率”。 但是，功率放大器，尤其是A类放大器的主要缺点之一是，它们的整体转换效率非常低，因为大电流意味着会以热量的形式损失大量功率。放大器的效率百分比定义为负载中耗散的均方根输出功率除以从电源获取的总DC功率，如下所示。
功率放大器效率- 哪里：
- η％ –是放大器的效率。
- Pout –是放大器输出到负载的功率。
- Pdc –是从电源获取的直流电源。
对于功率放大器，非常重要的一点是，放大器的电源必须经过精心设计，以为输出信号提供最大的可用连续功率。
甲类放大器功率放大器配置中最常用的类型是A类放大器。A类放大器是功率放大器的最简单形式，它使用标准共发射极电路配置中的单个开关晶体管，如前所述，以产生反相输出。晶体管始终偏置为“ ON”，以便在输入信号波形的一个完整周期内导通，从而产生最小失真和最大输出信号幅度。 这意味着A类放大器配置是理想的工作模式，因为即使在周期的负半段内也不会对输出波形产生交叉或关断失真。A类功率放大器的输出级可以使用单个功率晶体管或连接在一起的晶体管对来共享高负载电流。考虑下面的A类放大器电路。
单级放大器电路
这是A类功率放大器电路中最简单的类型。它的输出级使用单端晶体管，其电阻负载直接连接到集电极端子。当晶体管切换为“ ON”时，它将吸收通过集电极的输出电流，从而导致发射极电阻两端不可避免的电压降，从而限制了负输出能力。
这类电路的效率非常低（不到30％），并且输出功率小，直流电源消耗大。即使没有施加输入信号，A类放大器级也会通过相同的负载电流，因此输出晶体管需要较大的散热器。
然而，增加电路的电流处理能力同时获得更大功率增益的另一种简单方法是用达林顿晶体管代替单输出晶体管。这些类型的设备基本上是单个封装中的两个晶体管，一个是小的“先导”晶体管，另一个是更大的“开关”晶体管。这些设备的最大优点是，输入阻抗适当大，而输出阻抗相对较低，从而减少了功率损耗，从而减少了开关设备内的热量。
达林顿晶体管配置
达林顿器件的总电流增益Beta（β）或hfe值是晶体管的两个单独增益相乘的乘积，与单个晶体管电路相比，可能会有很高的β值以及很高的集电极电流。
为了提高A类放大器的全功率效率，可以设计一个电路，将一个变压器直接连接在集电极电路中，以形成称为变压器耦合放大器的电路。变压器通过使用变压器的匝数比（n）使负载的阻抗与放大器的输出阻抗匹配来提高放大器的效率，下面给出一个示例。
变压器耦合放大器电路
由于集电极电流的变化，集电极电流Ic降至基极偏置电压所设定的静态Q点以下，变压器铁芯中的磁通量崩溃，从而在变压器初级绕组中产生感应电动势。这导致瞬时集电极电压上升到两倍于电源电压2Vcc的值，从而在集电极电压最小时提供最大集电极电流Ic两倍。然后，可以按以下方式计算此类A类放大器配置的效率。
均方根集电极电压为：
均方根集电极电流为：
因此，传递给负载（Pac）的均方根功率为：
从电源汲取的平均功率（Pdc）由下式给出：
因此，变压器耦合的A类放大器的效率为：
输出变压器通过使负载的阻抗与放大器的输出阻抗相匹配来提高放大器的效率。通过使用具有合适匝数比的输出或信号变压器，对于大多数商用A类功率放大器具有这种配置，A类放大器效率可能达到40％。
但是，由于变压器的绕组和铁芯，因此它是一种电感性设备，因此最好避免在放大器开关电路中使用电感性组件，因为任何产生的反电动势都可能在没有足够保护的情况下损坏晶体管。
这种类型的变压器耦合的A类放大器电路的另一个大缺点是所需的音频变压器的额外成本和尺寸。
放大器给出的“类别”或分类的类型实际上取决于导通角，即晶体管在其中导通的输入波形周期的360 o部分。在A类放大器中的导通角是完整的360 Ò或输入信号的100％，而在其它放大器类较小的导通角在晶体管导通。
通过在输出级中使用两个互补晶体管，一个晶体管为NPN或N沟道类型，而另一个晶体管为PNP或P沟道，则可以获得比A类放大器更大的功率输出和效率。补码）类型（称为“推挽”配置）。
这种功率放大器配置通常称为B类放大器，是另一种音频放大器电路
B类放大器
为了通过在热的形式降低了浪费的功率提高先前A类放大器的全功率效率，能够在其输出级的两个晶体管产生了通常称为一个来设计功率放大器电路B类放大器还称为推挽放大器配置。
推挽放大器使用两个“互补”或匹配晶体管，一个是NPN型，另一个是PNP型，两个功率晶体管一起接收大小相等但相位相反的相同输入信号。 。这导致一个晶体管仅放大输入波形周期的一半或180 o，而另一个晶体管放大输入波形周期的另一半或其余180 o，结果“两半”在输出端再次放在一起终奌站。
那么，这种类型的放大电路的导通角仅为输入信号的180 o或50％。晶体管的交替半周期的推挽效应使这种类型的电路具有有趣的“推挽”名称，但更普遍地称为B类放大器，如下所示。
B类推挽变压器放大电路
以上示出了电路的标准B类放大器电路，其使用平衡中心抽头输入变压器，其将输入波形信号划分成相等的两半，并且是180 ö出的彼此相。输出上的另一个中心抽头变压器用于重新组合两个信号，从而为负载提供增加的功率。用于这种类型的变压器推挽放大器电路的晶体管都是NPN晶体管，其发射极端子连接在一起。
在这里，负载电流在两个功率晶体管器件之间共享，因为它在一个器件中减小而在另一个器件中增大，在整个信号周期中减小，从而将输出电压和电流减小到零。结果是现在输出波形的两半都从零摆动到静态电流的两倍，从而减少了耗散。这样的效果几乎使放大器的效率加倍，达到约70％。
假设不存在输入信号，则每个晶体管都携带正常的静态集电极电流，该电流由截止点处的基极偏压确定。如果将变压器准确地中心抽头，则两个集电极电流将沿相反的方向流动（理想状态），并且变压器铁心不会磁化，从而将变形的可能性降到最低。
当在驱动变压器T1的次级上存在输入信号时，如图所示，晶体管基极输入彼此“反相”，因此，如果TR1基极变为正驱动晶体管，则其集电极电流将增加。但是与此同时，TR2的基极电流将进一步变为负值，直至截止，并且该晶体管的集电极电流减小相等的数量，反之亦然。因此，负半部被一个晶体管放大，正半部被另一晶体管放大，从而产生这种推挽效应。
与直流条件不同，这些交流电流是相加的，导致两个输出半周期组合在一起以重新形成输出变压器初级绕组中的正弦波，然后该正弦波出现在负载两端。
由于晶体管在截止时被偏置，因此B类放大器的操作具有零DC偏置，因此每个晶体管仅在输入信号大于基极-发射极电压时才导通。因此，在零输入时，输出为零，并且没有功耗。这意味着B类放大器的实际Q点位于负载线的Vce部分，如下所示。
B类输出特性曲线
的B类放大器的最大优点在它们的A类放大器表亲在没有电流流过晶体管，当他们在他们的静止状态（即，没有输入信号），因此，没有功率在输出晶体管或变压器时消散与A类放大器级不同，没有信号存在，后者需要很大的基极偏置，从而即使在没有输入信号的情况下也能散发大量热量。
因此， 放大器的整体转换效率（ η）大于等效的A类，效率高达70％，导致几乎所有现代类型的推挽放大器都以B类模式工作。
无变压器B类推挽放大器上面的B类放大器电路的主要缺点之一是，它在设计中使用了平衡的中心抽头变压器，因此制造起来很昂贵。但是，还有另一种类型的B类放大器，称为互补对称B类放大器，因此在其设计中不使用变压器，因此它是无变压器的，而是使用互补或匹配的功率晶体管对。
由于不需要变压器，因此对于相同的输出量，这会使放大器电路变得更小，同时也没有杂散磁效应或变压器失真来影响输出信号的质量。下面给出了“无变压器” B类放大器电路的示例。
B类无变压器输出级
上面的B类放大器电路的每一半波形都使用互补的晶体管，尽管B类放大器的增益比A类放大器高得多，但B类推挽放大器的主要缺点之一是它们会受到噪声的影响。效应通常称为交叉失真。
希望我们从有关晶体管的教程中记得，使双极性晶体管开始导通大约需要0.7伏（从基极到发射极测量）。在纯B类放大器中，输出晶体管不会“预偏置”到“ ON”运行状态。
这意味着，由于两个晶体管之间的过渡（当它们从一个晶体管切换到另一个晶体管时），这些晶体管不会停止或开始导通，因此落在此0.7伏窗口以下的输出波形部分将无法准确再现。精确地在零交叉点，即使它们是特别匹配的对。
波形的每半部分（正和负）的输出晶体管将各自具有一个0.7伏的区域，在该区域中它们不导通。结果是两个晶体管完全在同一时间被“关闭”。
消除B类放大器中的交叉失真的一种简单方法是在电路中添加两个小电压源，以将两个晶体管偏置在略高于其截止点的位置。然后，这将给我们提供通常称为AB类放大器电路的功能。然而，向放大器电路添加额外的电压源是不切实际的，因此使用PN结以硅二极管的形式提供额外的偏置。
AB类放大器我们知道，为了使硅双极晶体管开始导通，我们需要基极-发射极电压大于0.7v，因此如果要用两个硅二极管代替连接到晶体管基极的两个分压器偏置电阻。现在，施加到晶体管的偏置电压将等于这些二极管的正向压降。通常将这两个二极管称为偏置二极管或补偿二极管，并选择它们以匹配匹配晶体管的特性。以下电路显示二极管偏置。
AB类放大器
在AB类放大器电路是A类和B类的配置之间的折衷。即使在没有输入信号的情况下，这种非常小的二极管偏置电压也会导致两个晶体管都轻微导通。输入信号波形将使晶体管在其有源区域中正常工作，从而消除纯B类放大器设计中存在的任何交叉失真。
当没有输入信号时，将流过一个很小的集电极电流，但远小于A类放大器配置的集电极电流。这意味着然后，该晶体管将是“ON”，为波形的多于半个周期但远小于一个完整的周期给予的180之间的导通角ø 360 ø或50％至这取决于输入信号的100％使用的其他偏差量。通过串联添加额外的二极管，可以以倍数增加存在于晶体管基极上的二极管偏置电压。
对于音频功率放大器和PA系统等高功率应用，B类放大器比A类设计更受青睐。像A类放大器电路一样，大大提高B类推挽放大器的电流增益（A i）的一种方法是在输出电路中使用达林顿晶体管对而不是单个晶体管。
在下一个关于放大器的教程中，我们将更仔细地研究B类放大器电路中交叉失真的影响以及减小其影响的方法。
8
/6 
工商网监
湘ICP备2023018690号
3235
淘帖
