功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。它一般直接驅動負載,帶載能力要強。功率放大電路通常作為多級放大電路的輸出級。
在很多電子設備中,要求放大電路的輸出級能夠帶動某種負載,例如驅動儀表,使指針偏轉;驅動揚聲器,使之發(fā)聲;或驅動自動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機構等??傊?,要求放大電路有足夠大的輸出功率。這樣的放大電路統(tǒng)稱為功率放大電路。
性能指標
最大輸出功率
輸出功率:功率放大電路提供給負載的信號功率稱為輸出功率。
計算方法:輸入為正弦波且輸出基本不失真條件下,輸出功率是交流功率Po=IoUo,Io和Uo均為交流有效值。
最大輸出功率:是在電路參數(shù)確定的情況下負載上可能獲得的最大交流功率。
轉換效率η
轉換效率:功率放大電路的最大輸出功率和電源所提供的功率之比稱為轉換效率。
電源直流功率:其值等于電源輸出電流平均值及其電壓之積。
晶體管的極限參數(shù):晶體管集電極最大電流ICM,最大管壓降U(BR)CEO,最大耗散功率PCM。
在選擇功率放管時,要特別注意極限參數(shù)的選擇,以保證管子安全工作。
輸出功率大要求輸出功率盡可能大為了獲得大的功率輸出,要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度,因此管子往往在接近極限運用狀態(tài)下工作。
效率要高效率要高由于輸出功率大,因此直流電源消耗的功率也大,這就存在一個效率問題。所謂效率就是負載得到的有用信號功率和電源供給的直流功率的比值。這個比值越大,意味著效率越高。
非線性失真要小非線性失真要求功率放大電路是在大信號下工作,所以不可避免地會產(chǎn)生非線性失真,而且同一功放管輸出功率越大,非線性失真往往越嚴重,這就使輸出功率和非線性失真成為一對主要矛盾。但是,在不同場合下,對非線性失真的要求不同,例如,在測量系統(tǒng)和電聲設備中,這個問題顯得重要,而在工業(yè)控制系統(tǒng)等場合中,則以輸出功率為主要目的,對非線性失真的要求就降為次要問題了。
散熱少BJT的散熱問題在功率放大電路中,有相當大的功率消耗在管子的集電結上,使結溫和管殼溫度升高。為了充分利用允許的管耗而使管子輸出足夠大的功率,放大器件的散熱就成為一個重要問題。
參數(shù)選擇在功率放大電路中,為了輸出較大的信號功率,管子承受的電壓要高,通過的電流要大,功率管損壞的可能性也就比較大,所以功率管的參數(shù)選擇與保護問題也不容忽視。
分析任務功率放大電路的分析任務是:最大輸出功率、最高效率及功率三極管的安全工作參數(shù)。在分析方法上,由于管子處于大信號下工作,故通常采用圖解法。
功率放大器的分類
甲類工作狀態(tài):整個工作周期內(nèi)晶體管的集電極電流始終是流通的,放大器的效率最低,帶來的是非線性失真度比較小。一般用于對失真比較敏感的場合,比如HI-FI音響。
乙類工作狀態(tài):半個周期工作另半個周期截止,乙類工作狀態(tài)也稱為B類工作狀態(tài)。兩只互補的晶體管推挽工作,效率比甲類功放高,但存在交越失真的問題,一般功率放大器采用這種形式。
甲乙類工作狀態(tài):它是介于甲類和乙類之間的工作狀態(tài),即晶體管工作周期大于一半,這種功放的特性介于甲類和乙類。
丙類工作狀態(tài):這種狀態(tài)下,晶體管工作的時間小于半個周期,丙類工作狀態(tài)又稱為C類工作狀態(tài),丙類功放一般用于高頻的諧振功放。
丁類工作狀態(tài):把聲音信號調制為PWM形式,晶體管工作在開關狀態(tài),輸出端通過LC濾波器恢復信號波形。效率高,高頻特性差,用于小型化電池供電以及要求高效率的場合。
根據(jù)工作狀態(tài)的不同,功率放大器分類如下:
傳統(tǒng)線性功率放大器的工作頻率很高,但相對頻帶較窄,射頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡作為負載回路。射頻功率放大器可以按照電流導通角的不同,分為甲 (A)、乙(B)、丙(C)三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的導通角為360°,適用于小信號低功率放大,乙類放大器電流的導通角等于180°,丙類放大器電流的導通角則小于180°。
乙類和丙類都適用于大功率工作狀態(tài),丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高的。射頻功率放大器大多工作于丙類,但丙類放大器的電流波形失真太大,只能用于采用調諧回路作為負載諧振功率放大。由于調諧回路具有濾波能力,回路電流與電壓仍然接近于正弦波形,失真很小。