变压器耦合甲类功率放大器

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如前一章所述，甲类功率放大器是在整个交流输入电源周期内输出电流都流动的电路。我们还了解了它的一些缺点，例如输出功率和效率低。为了最大程度地减少这些影响，引入了变压器耦合甲类功率放大器。

可以通过下图了解甲类功率放大器的构造。这与普通的放大器电路相似，但在集电极负载中连接了一个变压器。

这里 R₁ 和 R₂ 提供分压器配置。电阻 Re 提供稳定，C_e 是旁路电容，R_e 用于防止交流电压。这里使用的变压器是降压变压器。

变压器的高阻抗初级绕组连接到高阻抗集电极电路。低阻抗次级绕组连接到负载（通常是扬声器）。

变压器作用

集电极电路中使用的变压器用于阻抗匹配。R_L 是连接在变压器次级绕组上的负载。R_L’ 是变压器初级绕组上的反射负载。

初级绕组的匝数为 n₁，次级绕组的匝数为 n₂。设 V₁ 和 V₂ 分别为初级和次级电压，I₁ 和 I₂ 分别为初级和次级电流。下图清楚地显示了变压器。

我们知道

$$\frac{V_1}{V_2} = \frac{n_1}{n_2}\: 和\: \frac{I_1}{I_2} = \frac{n_1}{n_2}$$

或者

$$V_1 = \frac{n_1}{n_2}V_2 \: 和\: I_1 = \frac{n_1}{n_2}I_2$$

因此

$$\frac{V_1}{I_1} = \left ( \frac{n_1}{n_2} \right )^2 \frac{V_2}{I_2}$$

但 V₁/I₁ = R_L’ = 有效输入电阻

和 V₂/I₂ = R_L = 有效输出电阻

所以，

$$R_L’ = \left ( \frac{n_1}{n_2}\right )^2 R_L = n^2 R_L$$

其中

$$n = \frac{初级绕组匝数}{次级绕组匝数} = \frac{n_1}{n_2}$$

可以通过在降压变压器中采用合适的匝数比来匹配功率放大器。

电路工作原理

如果由于信号引起的集电极电流峰值等于零信号集电极电流，则获得最大的交流输出功率。因此，为了实现完全放大，工作点应位于负载线的中心。

当施加信号时，工作点显然会发生变化。集电极电压与集电极电流反相变化。集电极电压的变化出现在变压器的初级绕组上。

电路分析

假设初级绕组的功率损耗可以忽略不计，因为它的电阻非常小。

直流条件下的输入功率将为

$$(P_{in})_{dc} = (P_{tr})_{dc} = V_{CC} \times (I_C)_Q$$

在甲类放大器的最大容量下，电压从 (V_ce)_max 变化到零，电流从 (I_c)_max 变化到零。

因此

$$V_{rms} = \frac{1}{\sqrt{2}} \left [\frac{(V_{ce})_{max} - (V_{ce})_{min}}{2} \right ] = \frac{1}{\sqrt{2}} \left[ \frac{(V_{ce})_{max}}{2}\right ] = \frac{2V_{CC}}{2\sqrt{2}} = \frac{V_{CC}}{\sqrt{2}}$$

$$I_{rms} = \frac{1}{\sqrt{2}} \left [\frac{(I_C)_{max} - (I_C)_{min}}{2} \right ] = \frac{1}{\sqrt{2}} \left[ \frac{(I_C)_{max}}{2}\right ] = \frac{2(I_C)_Q}{2\sqrt{2}} = \frac{(I_C)_Q}{\sqrt{2}}$$

所以，

$$(P_O)_{ac} = V_{rms} \times I_{rms} = \frac{V_{CC}}{\sqrt{2}} \times \frac{(I_C)_Q}{\sqrt{2}} = \frac{V_{CC} \times (I_C)_Q}{2}$$

所以，

集电极效率 = $\frac{(P_O)_{ac}}{(P_{tr})_{dc}}$

或者，

$$(\eta)_{collector} = \frac{V_{CC} \times (I_C)_Q}{2 \times V_{CC} \times (I_C)_Q} = \frac{1}{2}$$

$$= \frac{1}{2} \times 100 = 50\%$$

甲类功率放大器的效率接近 30%，而使用变压器耦合甲类功率放大器后，效率提高到了 50%。

优点

变压器耦合甲类功率放大器的优点如下。

• 基极或集电极电阻器不会损失信号功率。
• 实现了出色的阻抗匹配。
• 增益高。
• 提供直流隔离。

缺点

变压器耦合甲类功率放大器的缺点如下。

• 低频信号的放大程度相对较小。
• 变压器会引入哼噪声。
• 变压器体积大且成本高。
• 频率响应差。

应用

变压器耦合甲类功率放大器的应用如下。

• 此电路主要用于阻抗匹配。

• 它们用作驱动放大器，有时也用作输出放大器。