功率放大器

在收音机或扩音机电路的末级，总是需要安排一级功率放大器，用以将前置低放送来的音频信号进行功率放大，以足够的功率输出去推动终端器件，例如喇叭等等。

末级功放与前置低放在本质上是没有什么差别的，它们都是利用晶体三极管的放大作用，将直流电源EC的电流、电压转换成相应于随输入信号VS变化的交变电流，电压。从能量转换的角度来看，它们都是交直流功率的换能器。所不同的仅仅是功率放大器工作在大信号输入状态，而前置低放工作在小信号状态，因而对放大器的考虑各有它们的侧重面。

功率放大器工作在大信号输入状态，管子的动态工作电流、电压都很大。为了充分地利用管子的放大性能，往往是让晶体管使用在极限状态，即集电极电流会用到最大I\(_{cm}\)，电压也用到最大Ucm，所以集电极功耗也在最大值P\(_{cm}\)=Icm·U\(_{cm}\)。从晶体管输出特性曲线上来看，如图2所示，正好占用了由Icm—U\(_{cm}\)—Pcm三条线所构成的那一块面积（即放大区Ⅲ），但无论如何不能超出这一极限运用范围，以免将管子烧毁。由于放大器工作的动态范围很大，工作点Q亦会大幅度变化，这就要考虑到放大器的失真。另外，对功率放大器来说，其直流电源的消耗功率很大，还必须考虑到放大器的功率η，尤其是对使用干电池的半导体收音机来说，这一点就显得更为突出。以上就是功率放大器所要考虑的三个主要方面。

功率放大器的分类：从耦合的方式来看，有阻容耦合（即某些收音机或扩音机中已采用的无变压器功放电路）和常用的变压器耦合之分，这里介绍的是后者。从晶体管运用的工作状态来看，有甲类、乙类及甲乙类等等之分：

甲类：晶体管因工作点选在动态负载线的中心点Q，在信号i\(_{s}\)整个周期内，管子发射结都是导通的，基极电流ib随输入信号i\(_{s}\)而变化。放大器输出完整的信号（见图2）。

乙类：工作点Q选在I\(_{b}\)=0处，如图2中的Q2处。这样，晶体管只有在输入信号的电压方向与发射结正向电压方向相同的情况下才导通，也就是说晶体管在输入信号的一个半周导通，而在另一个半周截止。因此，乙类放大如只采用一个管子，就只有半波输出，但从图2可以看出，能得到最大的动态范围。要得到不失真的全波输出，必须采用推挽电路。

甲乙类：工作点选在Q\(_{2}\)与Q之间，并且靠近Q2，这样在无信号输入时，也有一个较小的集电极电流，这个电流叫做集电极起始电流。因此，采用甲乙类放大工作状态时，输入信号的一个半周内将是大部分导通，小部分截止，在另一个半周大部分截止，小部分导通。甲乙类放大，在推挽电路中可以使两只管子轮流工作时更好地衔接，一般收音机推挽输出级都是采用甲乙类工作状态。

图1是常用的甲类功放电路，一般在再生式二、三管收音机或超外差三、四管收音机中作为末级。信号由前置低放通过输入变压器B\(_{1}\)耦合到这一级，放大后的信号通过输出变压器B2耦合给喇叭。图中晶体管发射极是直接通地的，有些收音机电路中为了改善其温度稳定性，往往在发射极上串一个阻值很小的电阻，例如串入SΩ或10Ω的电阻再接地，稍为加上了一点电流负反馈，对放大器的增益却降低不多。

在静态时：由于输出变压器B\(_{2}\)初级绕组的直流电阻很小，作为管子集电极的直流负载近似可以忽略，所以其静态负载线几乎是一条垂直于Vec轴的直线，垂足V\(_{ec}\)=EC；工作点Q的确定取决于输出功率的要求，可以用调整偏置电阻R\(_{1}\)与R2分压比的办法来控制偏流I\(_{b}\)，从而定出Q点，如图2所示，静态时的集电极电流Ico=I\(_{Q}\)，集电极电压Vec＝E\(_{C}\)。

在动态时：由于输出变压器B\(_{2}\)的阻抗变换作用，使晶体管输出阻抗与负载（喇叭）阻抗RL之间得以匹配。若输出变压器的圈数比n=N\(_{1}\)/N2，则R\(_{C}\)＇=n\(^{2}\)RL，由此可作出动态负载线是一条通过Q点、斜率为θ=tg-1\(\frac{1}{RC＇}\)的斜线，在输入信号VS的作用下，Q点就沿动态负载线在Q\(_{1}\)—Q2间移动，相应在管子输出端就得到放大了的信号，如图2。

为了使放大器的动态范围尽可能大，以满足最大不失真功率输出，在设计输出变压器时，其圈数比n总是尽量要做到最佳匹配状态，即做到使R\(_{C}\)＇=ECI\(_{Q}\)=n\(^{2}\)RL，让动态负载线与Vec轴的交点在V\(_{ec}\)=2EC处，与I\(_{C}\)轴的交点在IC=2I\(_{Q}\)处。这样，在信号VS的作用下，集电极输出电压的最大动态范围就可近似从0—2E\(_{C}\)（忽略了晶体管饱和压降Vecs），而集电极输出电流的最大动态范围可近似从0—2I\(_{Q}\)（忽略了管子穿透电流Iceo）；也就是说，集电极输出电压的峰值u\(_{ecm}\)可近似为uecm≈E\(_{C}\)，而集电极输出电流的峰值icm可近似为i\(_{cm}\)≈IQ，最大不失真输出功率就可算出为P～=E\(_{C}\);\(\sqrt{2}\)·IQ2=1;2E\(_{C}\)IQ（有效值=1\(\sqrt{2}\)峰值）。电源供给集电极回路的直流功率为P\(_{0}\)=ECI\(_{Q}\)，所以放大器的功率为：

这就说明：甲类功率放大器的效率充其量也只能达到50％；换句话说，放大器在动态工作时，由直流电源供给集电极回路的直流功率E\(_{C}\)IQ只有一半转换成有用信号功率输出给负载，而另一半却白白地损耗在集电结了。在静态工作时，直流功率E\(_{C}\)IQ就全部耗散在集电结，转换成热能，使晶体管发热。

甲类功放的实际效率还到不了50％，这是因为低频功率管的饱和压降V\(_{ecs}\)和穿透电流Iceo并不等于零，还要消耗掉一些功率；另外输出变压器的效率η\(_{B2}\)也做不到100％，所以甲类功放效率一般能做到45％就相当不容易了。如果要求增大输出功率，那就势必要提高工作点Q，其直流功耗将随IQ上升而增加，实际效率将更低；由此可见，甲类功放只宜用于小功率输出，而且为了降低静态直流功耗，往往将Q点选得较低。

从图2还可看出，放大器的设计除了要考虑到效率和失真以外，还必须考虑到晶体管极限参数的运用，其工作点Q一定要落在由最大集电极电流I\(_{cm}\)、最大集电极电压BVeco和最大集电极功耗P\(_{cm}\)曲线所圈成的放大区内，不能超出，否则将使管子无法承受而烧毁（图2所选为3AX31B型低频小功率管的输出特性曲线，其Pcm=125mw，I\(_{cm}\)=125mA，BVceo=18V，限于图幅的关系，I\(_{cm}\)和BVceo两点无法标出）。

要求——不失真输出功率P\(_{～}\)≥50mw；输出变压器效率ηB2=80％；喇叭音圈阻抗R\(_{L}\)=8Ω；直流电源电压EC=6V。

1）要保证负载R\(_{L}\)上得到P～≥50mw的功率，而输出变压器效率η\(_{B2}\)=80％，则晶体管输出端必须给出功率为PC=500.8=62.5mw；在静态时，晶体管集电极最大功耗应为输出功率的两倍，故最大集电极功耗应为P\(_{cm}\)≥2×62.5＝125mw。查阅晶体管手册可知，低频小功率管3AX31已能满足这一要求。

2）根据P\(_{cm}\)和EC，可求出晶体管静态工作点Q，I\(_{Q}\)=Pcm/E\(_{C}\)=125mw6V≈21mA；由此可在3AX31型晶体管的输出特性上作出动态负载线，负载线与IC轴的交点为I\(_{C}\)＝2IQ=42mA，与V\(_{ec}\)轴的交点在Vec=2E\(_{C}\)=12V处，见图2。根据动态工作情况来看，最大集电极电压一定要大于12伏才行，所以选3AX31B型为好。

3）要满足最佳匹配状态，必须使R\(_{C}\)＇=ECI\(_{Q}\)=6V;21mA≈286Ω；那末，输出变压器B2的圈数比就很易算得为：

4）以上计算虽已考虑到输出变压器的效率η\(_{B2}\)，但仍未计及管子的饱和压降Vces和穿透电流I\(_{ceo}\)等的损耗，在实际额定输出功率时，电流、电压的动态范围达不到那末大，所以在计算时还必须考虑到电流、电压的利用系数k，才能较切合实际。一般总是取k=0.9，在额定功率输出时，实际上输出电流的峰值应为icm＝0.9×I\(_{Q}\)＝0.9×21=18.9mA，输出电压的峰值为uecm=0.9×E\(_{C}\)=0.9×6=5.4V，则额定输出功率为P～=18.9mA×5.4V2=50.03mw，可以满足50mw的设计要求。

在图2中可以看出：动态负载线已与P\(_{cm}\)曲线相切于Q点，即直流工作点已运用在极限状态，因而对管子必须采取散热措施才能保证放大器可靠、稳定地工作（手册上表明，3AX31管加上面积为7×7cm\(^{2}\)厚0.16cm的铝散热片，就能将集电极最大功耗Pcm提高到150mw）。

5）电路设计如图1所示。由于上述的分析、计算是根据晶体管手册给出的典型曲线作出的，有些参数又是估算的，是否切合实际，还有待于实际调整测试来验证。如实际测试结果不能满足设计要求的话，还要另选管子反复计算。有一点还要提一下，即静态工作点的调整，一般总是在偏置电阻中先选定R\(_{2}\)，然后再调整R1，使I\(_{co}\)=IQ（可在管子集电极回路有“×”记号处串入电流表测量），为调整方便起见，R\(_{1}\)多用半可调电位器。（金国钧）