变压器耦合放大器

用变压器作为级间耦合元件的多级放大器叫做变压器耦合放大器。它具有效率高、功率增益（即放大倍数）大的优点，因而多用于末前级低放和末级功放，以求取得足够的功率输出。

变压器耦合放大器所以能做到效率高、功率增益大，主要是因为它利用变压器来变换阻抗，使前后两级放大器通过变压器达到阻抗匹配。变压器本身并没有功率放大的作用。

变压器怎样变换阻抗的呢？如图1，将变压器的初级接入集电极回路，次级接负载R\(_{L}\)。N1和N\(_{2}\)分别表示初次级绕组的圈数。设圈数比n=N1／N\(_{2}\)。假定变压器无任何损耗，那么根据变压器原理，其初次级功率应该相等，即i1u\(_{1}\)=i2u\(_{2}\)，写成比例式为u1u\(_{2}\)=i2;i\(_{1}\)，而初次级的电压比又等于其绕组的圈数比，即u1u\(_{2}\)=N1;N\(_{2}\)=i2i\(_{1}\)=n，从阻抗的角度来说，我们已知变压器次级的阻抗为RL=U\(_{1}\);i1，初级阻抗为R＇\(_{0}\)=u1i\(_{1}\)。由于u1/u\(_{2}\)=n=i2/i\(_{1}\)，所以u1=nu\(_{2}\)，i1=i\(_{2}\)/n，代入R＇0=u\(_{1}\)i1式中，就可得到

这个关系式说明，负载R\(_{L}\)经过变压器后折算到初级已提高了n\(^{2}\)倍，实现了阻抗变换。

再将这个关系式写成n=\(\frac{\sqrt{R＇}0}{R}\)\(_{L}\)，就可根据前一级放大器的输出阻抗R＇0和后一级放大器的输入阻抗R\(_{L}\)来确定所需的变压器初次级绕组的圈数比n，达到阻抗匹配的目的。实际上变压器不可能是无损耗的，初级功率不能百分之百地送到次级，所以我们将次级功率与初级功率之比叫做变压器的效率ηB=P\(_{2}\);P1=\(\frac{i}{_{2}}\)u2i\(_{1}\)u1，相应在上述推导过程中都要计及η\(_{B}\)，最后得到的

由于变压器在制作中的工艺条件所限，变压器或多或少总有一些漏感。考虑这些因素后，变压器的等效电路可以画成图2。 L\(_{S1}\)表示初级漏感，L＇S2表示次级折合到初级的漏感。R＇\(_{0}\)表示次级折合到初级的阻抗。

我们知道，在收音机中，经检波后送到低放级的音频信号，其频率范围是很宽的，低到几十赫，高到几千赫。在讨论放大器影响时，总是将频率划分为低、中、高三个区域来分析，例如将200赫～3千赫划为中频区，低于200赫和高于3千赫的分别划为低频区和高频区。对于变压器这样一个电感元件来说，它对不同频率的信号就要呈现不同的阻抗，通常叫做感抗Z\(_{L}\)=2πfL，f为信号频率。在图3等效电路中，漏感LS1和L＇\(_{S2}\)是很小的，在低频和中频区，它们的感抗2πfLS1和2πfL＇\(_{S2}\)也很小，可以忽略不计，相当于短路。所以在低、中频区，等于L1和R＇\(_{0}\)并联接到管子的输出端。电感L1越大，感抗也越大，对R＇\(_{0}\)的分流作用就越小，R＇0上得到的音频功率就越多，即功率增益越大。换句话说，变压器的初级电感决定了放大器在频率低端的频响，电感L\(_{1}\)越大，低音就越丰富。在高频区，电感L1在电路中可看成开路，而L\(_{S1}\)和L＇S2的作用亦随频率升高越来越显著，这就相当于由L\(_{S1}\)和L＇S2与R＇\(_{0}\)串联接到了管子的输出端，这就造成了放大器在高频区的失真，功率增益发生变化。所以，从频响的角度来比较，变压器耦合放大器由于受变压器结构参数的限制，总不如阻容耦合放大器来得好。

图3为七管或八管超外差式收音机低放电路。第一级采用阻容耦合，末前级和末级功放采用变压器耦合。电路的总放大倍数约为200倍，即不失真输出功率大于100mw时（在8Ω喇叭音圈两端测量音频电压≥0.9伏），就需要输入信号V\(_{S}\)≥4.5mV，这对一般超外差式收音机的检波级输出来说是不难做到的。一般的六管超外差收音机或三管、四管再生式收音机，其低放电路多半是将第一级取掉，而只用后两级。

第一级阻容耦合放大器是工作在小信号状态的。为了取得足够的电压增益，集电极负载电阻R\(_{C1}\)=3.3KΩ，且在发射极电阻1KΩ上串入100Ω电阻，旁路电容器30μf却只并联在1KΩ两端，使在动态工作情况下，发射极通过100Ω接地，具有电流负反馈的作用，不仅提高了放大器的输入阻抗，还提高了放大器的温度稳定性。

末前级与末级采用变压器耦合是为了取得足够的功率增益。其中B\(_{1}\)叫做输入变压器，B2叫输出变压器。从放大器的效率来比较，这两级比第一级要高得多，因为变压器初级的绕线电阻是很小的，直流压降几乎可以忽略不计。譬如末前级，在静态时，若调整上偏置电阻（有*记号），使I\(_{c2}\)=1.3mA，近似Ie2=I\(_{c2}\)，则除了在发射极电阻470Ω上除掉Ie2R\(_{e2}\)＝1.3×10\(^{-}\)3×470=0.6V外，加到管子e—c间的电压约为Vec≈6-0.6=5.4V；而对第一级来说，在静态时，若取I\(_{c1}\)=0.8mA，在Rc1上就要降掉I\(_{c1}\)Rc1＝0.8×3.3=2.64V，再在R\(_{e1}\)上降掉约Ie1R\(_{e1}\)=0.8×1.1=0.88V，所以实际上的Vec=6-2.64=0.88≈2.5V，相比之下，电源E\(_{c}\)的利用率要低多了。提高放大器效率、降低电源消耗这一点，对要取得功率增益的放大器来说是相当重要的。因为要取得足够的功率增益，必须使管子有很大的动态电流，而这个电能是由电池Ec提供的，管子本身并不产生能量。譬如，收音机在收听时，其电池多半是消耗在功放级。

输入变压器B\(_{1}\)的圈数比n如何确定呢？我们可以从晶体管手册中查到：3AX31D的输入阻抗为0.5～4KΩ，输出阻抗≥10KΩ，3AX31B的输出功率比3AX3lD大，但输入阻抗要小些。若功放管3AX31B的输入阻抗取0.5KΩ，末前级低放管的输出阻抗取10KΩ，则可算得n=\(\sqrt{1}\)00.5×0.7≈5.4（变压器的效率ηB1取0.7）；另外，我们知道变压器的初级电感的确定是必须保证放大器低频率端的频响的，其电感值可用经验公式L\(_{1}\)=R＇0;4F\(_{低}\)近似计算（F低是放大器的最低工作频率），一般普级收音机取F\(_{低}\)=200赫，又已知R＇0=10Ω，则L\(_{1}\)＝\(\frac{10×10}{^{3}}\)4×200=12.5H（亨利）。要做到这样大的初级电感来满足低端频响的要求，还要保持n=5.4这样大的圈数比来满足阻抗匹配的要求，这对于普通的小型铁心变压器来说，在体积、重量和成本等方面都是难以办到的。所以，实际上我们只能使放大器做到大致上的匹配，例如对一般收音机，总是取n=2～3。而对高级收音机才取n=4～6，使阻抗匹配接近最佳，并取F低频率为100赫或更低些，这就要采用高导磁率的坡莫合金材料做变压器铁心，以减小变压器的体积、重量，当然成本是会高些。图3电路中，取n=3，则从功放管输入阻抗（接输入变压器B\(_{1}\)次级的一半计算）折算到B1初级的阻抗为R＇\(_{0}\)＝9×0.5＝4.5KΩ，初级电感L1=4.5×103;4×200＝5.5H，这样的电感和圈数比对普通的小型变压器来说就不难制作了。虽然离晶体管3AX31B的输出阻抗10KΩ的匹配要求相差尚远，只能做到大致上的匹配，但实际效果也还不错。因为变压器耦合放大器作为末前级，功率增益的要求仅仅是一个方面，在频率响应方面的考虑有时可能更为重要；而这样的匹配程度与阻容耦合放大器比较起来，其动态负载阻抗还是高很多。（金国钧）