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我們在前面第
三、四章分析的所有放大器,都是訊號放大器,主要用於微小的電壓(或電流)訊號的放大,一般我們不太需要對其功率限制做過多考慮。
但是另有一種型別的放大器,其目的主要是為了放大功率,來驅動一些大功率裝置,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訊號放大器顯著不同,所以需要單獨乙個章節來進行講解。
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。但隨著時代的發展,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),甚至最傳統的擴音裝置的功率放大輸出,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。
功率放大器使用的bjt電晶體或fet場效電晶體稱為功率管,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訊號器件不同。下圖是功率管2n3055的資料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訊號器件要大。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(場效電晶體),也可以使用bjt(雙極型電晶體)。一般由於場效電晶體的輸入阻抗非常高,因此它的驅動電路會比較簡單。比如:乙個10a的fet功率管其柵極可由乙個普通的邏輯晶元的輸出來驅動(一般的微控制器i/o引腳都能勝任)。與此對比,乙個電流放大係數為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,這個超出了大多數晶元的管腳輸出能力,因此需要配套設計更加複雜的驅動電路。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。
傳統的功率放大器按其處理輸入訊號的方式,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,其輸入訊號的整個週期都能放大輸出,導通週期為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訊號放大電路,都屬於甲類放大器的範疇。甲類功放的缺點在於:即便沒有輸入訊號時,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訊號放大電路中,因為在小訊號放大時,我們考慮的首要因素是訊號的不失真,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訊號半個週期的放大,導通週期為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週期的輸入訊號,需要兩個乙類功率放大器共同工作(乙個工作在輸入訊號的正半週期、乙個工作在輸入訊號的負半週期),才能實現對整個輸入訊號的放大,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(交越失真後面我們會解釋),其對輸入訊號的放大大於半個週期,即導通週期介於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訊號的放大小於半個週期,即導通週期小於180°,常用在無線通訊的調諧電路中。這個屬於《通訊電子線路》的專業範疇,一般的模擬電路不會用到丙類放大器去放大功率或訊號。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(脈衝)訊號的,已經屬於數字控制的範疇了,其英文「class d」也有digital(數字)的含義,其特點是工作效率非常高。
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,下表給出了各種型別的功率放大電路的效率比較:
圖5-01.06
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