A类放大器电路效率及配置

共射极放大器是最常用的放大器类型，因为它们可以具有非常大的电压增益

共用发射极（CE）放大器设计用于产生大的输出电压摆幅。相对较小的输入信号电压仅为几毫伏，主要用作前面教程中所见的“小信号放大器”。

然而，有时需要一个放大器来驱动大电阻负载，例如扬声器或驱动机器人中的电机以及需要高开关电流的这些类型的应用功率放大器。

功率放大器的主要功能，也被称为“大信号放大器”的是输出功率，功率是负载的电压和电流的乘积。基本上功率放大器也是电压放大器，不同之处在于连接到输出的负载电阻相对较低，例如4Ω或8Ω的扬声器导致高电流流过晶体管的集电极。

由于这些高负载电流，用于功率放大器输出级的输出晶体管（如2N3055）需要具有比用于小型信号放大器（如BC107）的通用电压更高的额定电压和额定功率。

由于我们有兴趣为负载提供最大交流电源，同时消耗电源可能的最小直流电源，我们主要关注的是放大器的“转换效率”。

然而，其中一个功率放大器尤其是A类放大器的主要缺点是它们的整体转换效率非常低，因为大电流意味着以热量的形式损失了相当大的功率。放大器的百分比效率定义为r.m.s.负载消耗的输出功率除以供电电源的总直流功率，如下所示。

功率放大器效率

其中：

η％ - 是效率放大器。

Pout - 输出到负载的放大器输出功率。

Pdc - 取自的直流功率供电。

对于功率放大器，放大器电源的设计非常重要，可为输出信号提供最大可用的连续功率。

A类放大器

最常用的功率放大器配置类型是A类放大器。 A类放大器是最简单的功率放大器形式，在标准的共发射极电路配置中使用单个开关晶体管，如前所述，产生反相输出。晶体管始终偏置为“ON”，以便在输入信号波形的一个完整周期内导通，从而产生最小失真和输出信号的最大幅度。

这意味着A类放大器配置是理想的工作模式，因为即使在周期的负半周期间，输出波形也不会出现交叉或关断失真。 A类功率放大器输出级可以使用单个功率晶体管或连接在一起的晶体管对来共享高负载电流。考虑下面的A类放大器电路。

单级放大器电路

这是最简单的A类功率放大器电路。它在输出级使用单端晶体管，电阻负载直接连接到集电极端子。当晶体管“接通”时，它会通过集电极吸收输出电流，导致发射极电阻上不可避免的电压降，从而限制了负输出能力。

此类电路的效率非常低（低于30％）并提供小功率输出，用于直流电源的大量消耗。即使没有输入输入信号，A类放大器级也会传递相同的负载电流，因此输出晶体管需要大量的散热器。

然而，另一种简单的方法是增加电路的电流处理能力。同时获得更大的功率增益是用达林顿晶体管代替单输出晶体管。这些类型的器件基本上是单个封装内的两个晶体管，一个小“导频”晶体管和另一个较大的“开关”晶体管。这些器件的最大优点是输入阻抗适当大，而输出阻抗相对较低，从而降低了功率损耗，从而降低了开关器件内的热量。

达林顿晶体管配置

总体电流增益 Beta（β）或 hfe 值达林顿器件的乘积是晶体管的两个单独增益相乘的乘积，与单个晶体管电路相比，非常高的β值以及高集电极电流是可能的。

为了提高A类放大器的全部功率效率，可以设计直接在集电极电路中连接变压器的电路，形成一个称为变压器耦合放大器的电路。变压器通过使用变压器的匝数比（ n ）匹配负载的阻抗和放大器输出的阻抗来提高放大器的效率，下面给出了一个例子。

变压器耦合放大器电路

作为收集器电流， Ic 由于基极电流的变化，由基极偏置电压的变化降低到静态Q点以下，变压器磁芯中的磁通量坍塌导致变压器初级绕组中的感应电动势。这导致瞬时集电极电压上升到电源电压的两倍 2Vcc ，当集电极电压处于其最小值时，给出最大集电极电流两倍 Ic 。那么这种A类放大器配置的效率可以计算如下。

r.m.s.收集器电压如下：

r.m.s.收集器电流为：

r.m.s.因此，输送到负载（Pac）的功率为：

从电源（Pdc）获取的平均功率由下式给出：

因此变压器耦合的A类放大器的效率如下：

输出变压器通过匹配负载的阻抗与放大器输出阻抗的阻抗来提高放大器的效率。通过使用具有合适匝数比的输出或信号变压器，A类放大器的效率可达到40％，大多数商用A类功率放大器都属于这种配置。

然而，变压器是一种电感器件，因为它的绕组和磁芯因此最好避免在放大器开关电路中使用电感元件，因为任何反电动势都可能在没有足够保护的情况下损坏晶体管。

这也是一个很大的缺点。类型的变压器耦合等级A放大器电路是所需音频变压器的额外成本和尺寸。

放大器给出的“等级”或类别的类型实际上取决于导通角，部分输入波形周期的360 o ，其中晶体管导通。在A类放大器中，导通角为输入信号的整个360 o 或100％，而在其他放大器类别中，晶体管在较小的导通角期间导通。

通过在输出级使用两个互补晶体管，其中一个晶体管为NPN或N沟道类型而另一个晶体管为PNP或者可以获得比A类放大器更大的功率输出和效率 P沟道（补码）类型以所谓的“推挽”配置连接。

这种类型的功率放大器配置通常称为B类放大器，并且我们将在下一个教程中介绍另一种类型的音频放大器电路。