乙类功率放大器

乙类放大器处在截止状态，直到有输入信号时，才有电流通过晶体管。这样消除了电源的固定的损耗，效率较高。若用一个晶体三极管做放大器，仅让输入信号的一半放大，这时产生极大的失真。单独一个晶体三极管不能用在放大音频的场合。

在乙类放大器要用两个晶体三极管。一个用来放大正半周输入信号 ，另一个放大负半周输入信号。两个半波结合减少了很多失真。两个晶体三极管联合工作的方式称作推挽。

图12－9为乙类推挽功率放大器。用了两个晶体三极管、变压器T1提供Q1、Q2的驱动信号。变压器T1被称作激励变压器。变压器T2被称作输出变压器，它把两个信号合并向负载提供输出。注意每个变压器的一个边有中心抽头。

在图12－9中没有直流电源使发射结导通，如没有信号就没有任何电流，Q1、Q2截止。当加到T1的输入信号产生的次级电压的极性如图所示，Q1导通，电流将流过T2初级的一半。因为输出变压器初级电流变化，信号将出现变压器次级的两端并被放大。当Q1导通时，电流向下，使负载两端产生一个负电压。

当信号极性相反时，Q1截止Q2导通，如图12－10所示。电流将通过T2初级的另一半，这时电流向上。通过两个晶体三极管推挽方式工作，大部分失真被消除，电路能放大正负半周输入信号。

我们能用图形曲线表示输出的振幅和乙类推挽放大器的效率。图12－11显示了推挽电路交流和直流负载线。直流负载线是垂直的，在集电极电路里电阻很小。交流负载线的斜率是由集电极电路中的变压器负载决定。它取决于变压器的匝数比6.32：1，这个匝数比决定了集电极电路的交流等效负载。在任何时侯变压器的初级只有一半是导通的，因此只能用匝数比的一半计算阻抗比：

6.32/2=3.16

现在，集电极负载等于匝数比的平方乘负载电阻：

RL=(3.16)2×8=80Ω

每个晶体三极管相当有80Ω电阻。图12－11的负载线，从16V延伸到200mA.这满足80Ω的斜率：

RL=U/I=16V/0.2A=80Ω

图12－11是精确的，但只绘制出一个晶体三极管曲线。

对于推挽电路的负载曲线绘制还有另一种方法，如12－12图所示。这一曲线允许画出一个完整的输出波形，输出电压摆动的峰峰值为32V,它的有效值（均方根值）为：

Urms= （UP-P/2）×0.707=(32V/2)×0.707=11.31V

下面求电流的有效值：

Irms＝（Ip-p/2）×0.707=(400mA/2)×0.707=141.4mA

则输出信号功率是：

P＝U×I＝11.31V×141.4mA=1.6W

要求乙类推挽电路的效率，我们还需要知道直流输入功率;电源供给的电压是16V,输出电流在0到200mA之间变化,因为甲类所要求的集电极一平均电流为：

I＝IP×0.637=200mA×0.637=127.4mA

平均输入功率是：

Pav=U×I=16V×127.4mA=2.04W

乙类推挽放大器从电源得到2.04W功率,它输出的功率是1.6W，效率是：

ηC＝(Pac/Pdc)×100%=(1.6W/2.04W)×100%=78.5%

甲类放大器的最高效率是百分之50，乙类放大器最高效率是百分之78.5。高效率使得乙类推挽电路在大功率应用中更有吸引力。对小信号来说乙类放大器从电源上取得功率也少，前面得到的2.04W输入功率，不是(固定)不变的，当信号减少，电源的功率也减少。

例12－6

图12－10推挽放大器的输出达到最大电压振幅的一半时，求它的效率。

输出功率将减少到最大值的四分之一即0.4W。因为功率与电压的平方成正比。电压摆动(Up-p)的一半是16V如图12－10所示.其有效值为：

Urms=(Up-p/2)×0.707 =(16/2)×0.707=5.66V

现在IP-P=200mA信号电流的有效值是：

Irms=(Ip-p/2)×0.707 =(200mA/2) ×0.707 = 70.7mA

Pac = Urms×Irms = 5.66V×70.7mA = 0.4W

这验证我们对信号功率的推测。平均直流电流是：

Iav = I p×0.637 = 100mA ×0.637 = 63.7mA

直流功率是：

Pdc = 16 ×63.7mA = 1.02W

请注意这时直流输入功率是放大器被充分驱动的一半，效率也是充分驱动时的一半：

ηC= (Pac/Pdc)×100% = 0.4 /1.02×100% =39.2%

乙类放大器没有充分被激励时效率下降，然而它比驱动到输出最大振幅值一半的甲类放大器效率高。

例12－7

在没有输入信号情况下，能计算图12－10所示放大器的效率吗？

解：在没有输入信号时晶体三极管截止，不存在电流。没有电流直流功率是零。等式无解：

ηc= (Pac/Pdc)×100% = 0W/0W×100% 无意义

因为被零除没有定义，在这种情况下效率不能计算。但是，我们得出一个结论，乙类放大器象A放大器一样，没有输入信号时效率不等于零。

变压器耦合甲类功率放大晶体三极管要求有大的额定功率，原因是晶体三极管总是被偏置在饱和电流的一半。例如制作一个100W的甲类放大器，就需要200W额定功率的晶体三极管。这是以下面的计算为基础。

ηc= (Pac/Pdc)×100% = 100W/200W×100% =50 %

由上式得出晶体三极管至少要承受200W功率；100W作为信号功率，另100W使晶体管发热。如果输入信号是零，将发生什么呢？输出信号是零；然而进入晶体三极管功率还是200W，并且都变成热。

在任意输入信号，输出没有失真之前电路的输入功率、输出功率、电路效率分别为：

上述各式中是电源电压、是输出电压的峰值、是输出电压的有效值、称电压利用系数。两管的集电极功耗：

经过理论分析表明，当输出电压的峰值达到电源电压的0.637(2/π)时每管的功耗达到最大值，PC1max=PC2max=(2/π2)POmax≈0.2Pomax。因此，对于乙类放大器在同样交流输出功率下，晶体三极管功率只需要甲类的五分之一。制作一个100W的放大器，在甲类放大器里，需要一个200W的晶体三极管。在乙类功率放大器中，直流输入功率PD不是常数，功率管消耗的功率也不是常数。设计一个输出功率为100W的推挽功率放大器，用两个额定耗散功率为20W的晶体管可以输出100W的功率，两个20W的晶体三极管的费用比一个200W的晶体三极管少很多。在大功率放大器中，这是乙类推挽放大器超过甲类放大器的一个显著的优点。

另外一个优点是散热片的尺寸小。在大功率工作时，一个晶体三极管的额定功率是以某个安全温度为基础的，晶体管是安装在一个给定的功率值的散热器上，乙类的设计仅需要甲类的散热片容量的五分之一。

在大功率工作中，很多情况是用乙类放大器，推挽电路消除大部分失真，但还存在固有的失真，这种失真被称为交越失真。

发射结的作用象个二极管，使硅晶体三极管的发射结导通电压是0.6V。这意味着在乙类推挽放大器中小于的0.6 V输入信号不被放大，放大器有一个1.2V的死区。发射结在导通点附近也是非线性的，如图12－13所示，是个典型的发射结的电流特性。注意靠近0.6V正向偏置范围附近是弯曲的。当一个晶体管进入截止，另一个进入导通。这种弯曲使输出信号变形。在某些应用中，死区和非线性使乙类推挽电路不能令人满意。

图12－14（a）显示了交越失真对输出信号的影响。当信号从一个晶体三极管转换到另一个三极管时，发生交越失真，在输入信号很小时，交越失真很明显。实际上，如果使用的是晶体三极管，输入信号的峰峰值小于1V时，就没有输出信号。输入信号很大时交越失真明显减少。