变压器耦合 A 类功率放大器

如上一章所述，A 类功率放大器是输出电流在整个交流输入电源周期内流动的电路。我们还了解了它的缺点，例如输出功率低和效率低。为了尽量减少这些影响，引入了变压器耦合 A 类功率放大器。

借助下图可以理解A 类功率放大器的构造。这类似于普通放大器电路，但与集电极负载中的变压器相连。

这里 R₁ 和 R₂ 提供分压器布置。电阻 Re 提供稳定性，C_e 是旁路电容器，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连接到高阻抗集电极电路。低阻抗次级连接到负载（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是变压器次级连接的负载。R_L'是变压器初级的反射负载。

初级的匝数为 n₁，次级的匝数为 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。下图清晰地显示了变压器。

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

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

但 V₁/I₁ = R_L' = 有效输入电阻

且 V₂/I₂ = R_L = 有效输出电阻

因此，

$$R_L' = \left ( \frac{n_1}{n_2} ight )^2 R_L = n^2 R_L$$

其中

$$n = \frac{number \: of \: turns \: in \: primary}{number\: of\: turns\: in\: secondary} = \frac{n_1}{n_2}$$

可通过在降压中采用适当的匝数比来匹配功率放大器变压器。

电路操作

如果信号引起的集电极电流峰值等于零信号集电极电流，则可获得最大交流功率输出。因此，为了实现完全放大，工作点应位于负载线的中心。

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端。

电路分析

由于初级电阻非常小，因此初级的功率损耗可以忽略不计。

直流条件下的输入功率为

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

在 A 类放大器的最大容量下，电压从 (V_ce)_max 摆动到零，电流从 (I_c)_max 摆动到零。

因此

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

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

因此，

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

因此，

收集器效率 = $\frac{(P_O)_{ac}}{(P_{tr})_{dc}}$

或者，

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

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

A 类功率放大器的效率接近 30%，而使用变压器耦合 A 类功率放大器，效率可提高到 50%。

优点

变压器耦合 A 类功率放大器的优点如下。

• 基极或集电极电阻中没有信号功率损失。
• 实现出色的阻抗匹配。
• 增益高。
• 提供直流隔离。

缺点

变压器耦合 A 类功率放大器的缺点如下。

• 低频信号放大较少。
• 变压器会产生嗡嗡声。
• 变压器体积大且成本高。
• 频率响应差。

应用

变压器耦合 A 类功率放大器的应用如下。

• 此电路中阻抗匹配是主要标准。

• 它们用作驱动放大器，有时也用作输出放大器。