放大电路的基本原理和分析方法（干货A类放大电路）

大家好，我是李工，创作不易，希望大家多多支持我。今天给大家分享的是：A类放大器、A类放大器效率计算、A类放大原理、A类放大优缺点。

一、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，它在标准共发射极电路配置中使用单个开关晶体管，以产生反相输出。晶体管始终处于“导通”偏置状态，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最大幅度的输出信号。

这意味着A 类放大器配置是理想的工作模式，因为即使在负半周期内，输出波形也不会有交越或关断失真。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分担高负载电流。

二、A类放大器效率计算

下面为功率放大器效率：

功率放大器效率计算

功率放大器效率

• η% ——是放大器的效率
• Pout – 是传递给负载的放大器输出功率
• Pdc– 是从电源获取的直流功率

对于功率放大器来说，放大器电源的良好设计非常重要，可以为输出信号提供最大可用的连续功率。

下面这个为分压网络：

分压网络

在上图中，电流增益为 β 的 BJT 晶体管由分压器网络偏置，分压器网络由连接到基极支路的两个并联电阻 R 1和 R 2组成。未施加交流信号时的集电极电流和电压 (I C0 ,V C0 ) 设置放大器的工作点或静态点。静态点非常重要，因为它在输出特性中的位置决定了导通角值，从而决定了放大器的类别。

可以使用偏置电阻和发射极电阻的值来调整这组值 (I C0 ,V C0 )。实际上，集电极电流 I C0由下式给出：

偏置集电极电流

我们可以明确公式2中的两个参数：0.7V对应于电压VBE，这是硅基晶体管的阈值电压。电阻R 1 //R 2 是偏置电路的并联等效电阻，由比率(R 1 ×R 2 )/(R 1 R 2 )给出。

集电极电压 V C0满足：

偏置集电极电压

A 类放大器的特点是导通角为 360°。为实现此功能，A 类放大器的静态点选择在负载线的中间，如下图所示：

A 类偏置条件

静态点满足：I C0 =V supply /2R C和V C0 =V supply /2。

这些公式连同上面两个公式可以为偏置电阻选择合适的值以获得 A 类放大器。

A类放大器的吸收功率是一个常数，等于P abs = V supply ×I C0。

输出功率是均方根输出电流和电压的乘积：P out = V out,rms × I out,rms。

当输出电流达到上限I C 0且输出电压达到电源V supply时，P out的最大值被给出：P out,max = (V supply ×I C0 )/2。因此，最大效率是：

A 类放大器的最大效率

实际上，效率大约为 20% 到 30%，使用两个晶体管配置可以达到 50%。这种低效率凸显了一个事实，即使没有应用交流输入信号，A 类放大器也会耗电。

三、A类放大器原理

下图显示了 A 类放大器的波形。下面显示的第一个波是实际驱动晶体管基极的输入，而第二个波是作为输入结果流动的集电极电流 I(c) 的输入。

A类放大器工作原理图

Y轴或水平轴线表示上图中的导通角。从上图可以清楚地看出，集电极电流 I(c) 在输入信号的 360 度范围内流动。因此，放大器始终处于开启状态，因此 A 类放大器的效率非常低，约为 25% 到 30%。然而，由于这个原因，这种放大器的增益很高。

A 类放大器用作线性放大器，因为输出是输入信号的副本（更精确的放大副本）。但需要注意的是，工作中的三极管绝不能因输入信号而被推向饱和或截止状态。如果由于某种原因发生这种情况，你将获得具有平坦峰值的输出波形。

共发射极甲类放大器电路

上图所示电路为共发射极A类放大器电路。首先，偏置电阻R1 和 R2 由单个可变电阻器 R(b) 代替。R3 重命名为 R(c)。R4 和旁路电容被解雇并在这里失业，否则，通过调整 R(b) 将在负载线上滑动的 Q 点带到它的中心。

A类放大器模型

上面的模型显示了以 Q 点为中心的负载线。V(CEQ) 在其行为方面与 V(CE) 几乎相同，唯一的区别在于它更像是一种特定类型的值，而不是一系列值。I(CQ) 和 I(C) 也是如此。

三、A类放大电路

1、A 类中的基本公共发射器配置

这里以 CEA 为例A 类放大器的基本配置。CEA的输出级如下所示：

基本 CEAA 的输出级

这是 A 类功率放大器的最基本配置，请注意负载电阻R L直接连接到集电极支路。此配置称为通用发射极放大器 A 类的基本 CEAA 。

下图显示了如何将输出信号分解为两个分量：偏置直流信号和交流放大信号：

输出信号的直流和交流分量

上图所示的输出信号非常直观地分解为一个 DC 分量 (V C0 ,I C0 ) 和一个 AC 分量 (v C (t),i C (t))，使我们可以写出总输出信号 V C (t) 和 I C (t) :

输出信号的分解

对于电路图中的纯电阻负载，v C (t)=V AC ×sin(ωt) 和 i C (t)=-I AC ×sin(ωt)。

符号 ω 代表角频率：ω=2πf。

负载P L (t )所吸收的瞬时功率来自于偏置信号和替代信号的贡献：

P L (t)=(V supply -V C (t))×I C (t)。

可以通过对一个信号周期的积分计算表明，平均吸收功率 P L由于偏置 P L,DC可以分解为一个功率，而由于负载 P L上的信号变化，平均吸收功率 P L 可以分解为一个有用功率，交流电：

负载吸收的平均直流和交流功率

提供给放大器的总功率 P tot来自直流电源：P tot =V supply ×I C0。因此，上面电路配置的效率是有用功率与总供应功率之比：η=P L,AC /P tot。

从公式 2中给出的 P L,AC表达式可以看出，当 V AC和 I AC最大化时，效率最大，也就是说 V AC,max =V supply /2=V C0（参见下图中的原因）和 I AC,max =I C0。

因此，最大效率为：

基本 CEAA 配置的最大效率

上面详述的所有信息都可以在下面中综合：

基本 CEAA 的功率分配

浅蓝色区域代表提供给系统的总功率Ptot 。这里非常直观地看到，实现放大过程 P L,AC （浅绿色）所吸收的有用功率仅代表 P tot的一小部分。为了克服这种非常低的效率，解决方案之一是将集电极支路与变压器耦合，这就是下面的要讲的部分。

2、达林顿晶体管配置

达林顿器件的总电流增益Beta (β)或hfe值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值和高集电极电流是可能的。

为了提高A 类放大器的全功率效率，可以设计在集电极电路中直接连接变压器的电路，以形成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 )匹配负载阻抗与放大器输出阻抗来提高放大器的效率，下面给出了一个示例。

3、变压器耦合放大电路

这里介绍另一种涉及使用变压器的CEAA配置。以下配置将被称为变压器耦合 CEAA。该架构的输出阶段如下图所示：

变压器耦合 CEAA 的输出级

首先，简要介绍一下变压器的组成部分。它是在两个去耦电路之间传输能量的无源元件，通常与绕在一个磁芯周围的两个电感一起工作，第一个电感的匝数为 n 1，次级电路为 n 2。变压器的输入（此处为 V C，I C）和输出信号（此处为 V L，I L）满足：

理想变压器恒等式

由于变压器，负载与集电极支路去耦，因此放大器的工作点发生变化。实际上，在电源和集电极支路之间没有插入电阻。此外，由于电感不会阻挡直流电压，我们可以认为变压器的直流电阻等于零。

在基本的 CEAA（上面的例子）中，偏置电压为 V C0 =V supply /2。由于我们上面提到的原因，在变压器耦合的 CEAA 中，偏置电压变为V C0 =V supply。

负载线的斜率将由-1/R' L给出，其中 R' L是初级电路中的视在负载。

视在负载的表达式定义为 R' L =V C /I C。从上面的公式，我们知道 V C =N×V L和 I C =I L /N。因此，表观负载由下式给出：

初级电路中的视在负载

如上面例子的波形图所示，对于基本 CEAA，我们可以将变压器耦合 CEAA 的输出信号分解为直流分量（V supply，I C0）和交流分量（ V AC，I AC）。

考虑到所有这些信息，变压器耦合 CEAA 的配电图如下所示：

变压器耦合 CEAA 的功率分配

比较上面的图和这个图，我们可以清楚地看到，在变压器耦合配置的情况下，代表放大过程有用吸收功率的浅绿色区域的比例要大得多。

当 V AC和 I AC最大化时，效率最大化。在这种情况下，V AC ,max =V supply和 I AC,max =I C0。因此，变压器耦合 CEAA的最大效率 η max由下式给出：

变压器耦合 CEAA 配置的最大效率

与基本 CEAA 配置相比，此配置的效率提高了 2 倍。因此，当将 A 类放大器的输出级与变压器耦合时，可以实现50%的理想效率。

四、A类放大器优缺点

1、A类放大器的优点

• 由于输入信号的输出精确复制，它具有高保真度。
• 它改善了高频响应，因为有源器件全时开启，即不需要时间来开启器件。
• 没有交越失真，因为有源器件在输入信号的整个周期内都导通。
• 单端配置可以在 A 类放大器中轻松且实际地实现。

2、A类放大器的缺点

• 由于电源和散热器较大，A 类放大器价格昂贵且体积庞大。
• 它的效率很低。
• 由于变压器耦合频率响应不是很好。

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